CN114653967A - 一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法，属于增材制造技术领域。采用选区激光熔化技术，通过调控激光工艺参数，在不同位置成形不同显微组织的金属，在金属玻璃零件内部埋入调控力学性能的晶格结构骨架，实现基于同种材料的金属玻璃与晶格骨架一体的复合材料零件成形。本发明将晶格结构应用于金属玻璃成形，基于拓扑学理论建立晶格结构模型微观结构单元，采用均匀化法对晶格结构模型进行性能预测并优化晶格结构参数，通过选区激光熔化成形工艺，可直接近净成形出任意形状具有晶格结构的大块金属玻璃零件，可显著提高金属玻璃零件的塑性，提高成形零件的综合力学性能，增强金属玻璃零件的稳定性。

Description

一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种通过选区激光熔化技术制造金属玻璃晶格结构零件的方法。
背景技术
金属玻璃又称玻璃态金属或非晶态金属，其兼有金属和玻璃优点，又克服了它们各自的弊病，强度高于钢，硬度超过高速工具钢，且具有一定的韧性和刚性。现已开发出的块体金属玻璃材料体系有Pd基、Fe基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Cu基、Ce基、La基等。金属玻璃因其优异的力学性能、耐腐蚀性、软磁性能、高饱和磁感性强度等，被广泛应用于汽车、船舶、航空航天、军事场合、消费电子等关键零部件的制造。
目前，金属玻璃的三维成形方法主要有传统成形和增材制造。金属玻璃传统成形方法是将通过铜模铸造法、机械合金化等手段制备的金属玻璃原料，采用热压成形、粉末轧压、放电等离子烧结等粉末冶金固结成形技术加工成大块坯体，然后通过机械加工成形出三维零件，金属玻璃因其硬脆特性，其复杂结构零件成形受传统机械加工成形方法的限制，这导致金属玻璃应用具有很大局限性。为打破传统工艺金属玻璃成形尺寸和结构复杂性的限制，Aschaffenburg应用科技大学的Pauly等人采用金属增材制造技术，高温熔化铁基金属玻璃粉末制造出了复杂的支架结构，但其研究尚未成熟，过高的冷却速率及铁基材料有限的延展性能使得试样出现了微裂纹和气孔等组织缺陷。如今金属玻璃增材制造技术虽已较为成熟，但金属玻璃本身硬脆特性导致的制件开裂、翘曲，仍是亟待解决的一个难题，
复杂晶格结构零件在工业等领域有着日益增长的需求和重要应用，其具有优异物理力学性能，密度小、质量轻、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高、换热散热能力强、渗透性好、热导率高，其应用已扩展到结构材料、功能材料和生物材料等领域。晶格结构是一种可设计的结构，均匀化理论作为研究非均质材料性能预测及结构优化的有力方法，在晶格材料的设计优化上被广泛研究和应用，其实质是利用均质的宏观结构和非均质周期性分布的微观结构来描述原有的晶格非均匀结构。它从构成材料的微观结构的单晶胞参数入手，假定单晶胞在空间分布具有可重复性，通过同时引入宏观和微观尺度，综合考虑材料微观结构的影响，精确的预测晶格结构的整体性能。
选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术属于快速凝固制造工艺，利用高能量的激光束，按照预定的路径扫描预先铺覆好的粉末，将其完全熔化，再经冷却凝固后成形的一种技术。相比其它金属增材制造技术，SLM技术具有更高的成形精度以及更少的后续加工量，可成形复杂度更高的零件，是金属增材制造技术应用的主要方向之一。由于SLM技术在成形金属零件过程中的冷却速率极高(104～108K/s)，远高于大多数金属玻璃体系所需的临界冷却速率(102～104K/s)，因此被认为是制造大块金属玻璃最有前景的技术之一
发明内容
本发明提供一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法，以解决现有块体金属玻璃材料脆性大，稳定性差，采用传统机械加工方法加工较难的问题，以及现有增材制造工艺成形金属玻璃零件，存在部分材料晶化、翘曲变形和成本高等问题。针对金属玻璃材料的硬脆特性，基于拓扑学理论建立晶格结构模型微观结构单元，采用均匀化法对晶格结构模型进行性能预测并优化晶格结构参数，采用选区激光熔化制造工艺，实现高塑性，高稳定性，任意形状具有晶格结构的大块金属玻璃零件的直接近净成形。
本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：
步骤1、根据成形后金属玻璃晶格结构零件的力学性能要求，基于拓扑学理论构建微观单元几何模型，采用均匀化法对金属玻璃晶格结构模型性能进行预测并优化微观结构单元参数，确定微观结构单元的几何参数和排列方向；
步骤2、采用CATIA等软件建立金属玻璃零件模型，再根据设计好的参数，建立微观单元几何模型，将其排列累积成晶格骨架结构模型，将设计好的金属玻璃零件模型和晶格结构模型放置在一个文件中，在随后的制造中，金属玻璃零件模型对应零件体中的非晶态部分，晶格结构模型则对应晶态骨架部分；
步骤3、将金属玻璃零件和晶格结构的三维模型文件以STL格式输入到选区激光熔化增材制造系统控制软件中，设置层厚及扫描间距，再分别对金属玻璃零件模型和晶格结构模型设定不同的激光功率和扫描速度，软件根据参数设置，将三维模型的数据进行分层切片处理，并将每层的数据变换成振镜偏转代码及激光器功率调控代码；
步骤4、将准备好的金属玻璃粉末放入成形室内的供粉缸中，完成后向成形室内通入高纯度氩气，进行洗气操作，待氧气浓度下降到规定值以下时，启动选区激光熔化增材制造系统；
步骤5、利用选区激光熔化增材制造系统进行金属玻璃零件的成形，根据三维模型切片处理的层轮廓信息与工艺参数信息，调节振镜角度及激光器功率，按照一定的参数熔化粉床上铺好的金属玻璃粉末，待其冷却凝固后，即完成该层的成形；
步骤6、成形缸下降一定距离，供粉缸上升一定距离，通过铺粉刮刀在成形缸上铺上一层粉末，再进行下一层切片轮廓的成形，如此层层叠加，直至最后成形出完整的具有晶格结构的金属玻璃零件。
本发明所述步骤1中所述的晶格结构是一类可设计的结构，通过预期金属玻璃成形零件的力学性能，构建相应属性的微观单元几何模型并设计其在介观尺度上的秩序性和周期性，由于微观单元的具体形态完全可控，因此可仿照已有的晶格结构建立微观单元几何模型，另外由于其形式十分自由，所以也不必受限于已有的传统晶格结构，可通过三维建模建立更复杂的晶格单元，从而构建新型晶格骨架结构，或对已有的晶格单元进行非传统的排列布置，从而构建出具有一定松弛弹性特性的晶格骨架结构，甚至可通过代码直接生成骨架模型，从而构建出不具有晶格单元、不具备秩序性和周期性的随机金属玻璃骨架结构，后者通常用于两种不同晶格骨架结构之间的过渡。
本发明所述步骤1中所述仿照已有的晶格结构包括体心立方结构、面心立方结构、密排六方晶格结构。
本发明所述步骤2中所述的宏微观结构建模用SolidWorks、Pro/E和UG三维建模软件建模。
本发明所述步骤3中所述的各个参数的可调范围如下，激光功率0-500W、扫描速度0-1600mm/s、层厚30-40μm，扫描间距70-110μm，由于粉末经过激光熔化再凝固后，其组织结构主要由能量密度决定，因此可通过调控激光工艺参数的方式控制不同位置的组织结构，零件的非晶部分可通过将激光功率设置在100-300W内，扫描速度设置在700-900mm/s内来成形，材料的晶态骨架部分可通过设置更高的能量密度或是二次扫描的方式来成形。
本发明所述步骤4中所述的金属玻璃可以是Pd基、Fe基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Cu基、Ce基、La基等金属玻璃中的一种或几种。
本发明的有益效果：
将晶格结构应用于金属玻璃成形，基于拓扑学理论建立晶格结构模型微观结构单元，采用均匀化法对晶格结构模型进行性能预测并优化晶格结构参数，采用选区激光熔化增材制造工艺，可直接近净成形出任意形状具有晶格结构的大块金属玻璃零件，可显著提高金属玻璃零件的塑性，提高成形零件的综合力学性能，增强稳定性，实现对金属玻璃零件宏微观双层级的控形控性。
通过调控激光工艺参数，在不同位置成形不同显微组织的金属，可在零件内部埋入调控力学性能的晶格结构骨架，实现基于同种材料的、金属玻璃与晶格骨架一体的、力学性能可调的复合材料零件成形。更进一步，通过调控晶态组织的分布情况，在零件的不同区域埋入不同结构、不同致密度的晶态骨架，两种晶态骨架之间平滑过渡或通过随机骨架结构进行过渡，可以在零件的不同区域成形具有不同机械性能的组织，将二者的优势相结合，改善金属玻璃本身的硬脆特性，实现对零件内部性能微观层级的主动调控，实现对成形金属零件机械性能的综合提升。
使用本发明所提出的方法，可以通过调控晶态骨架结构沿某一方向的孔径均值，一体化成形出机械性能呈梯度分布的金属玻璃零件。也可通过对晶态骨架进行拓扑学优化，实现基于各向同性的金属玻璃材料，完成对具有微观呈各向同性，宏观呈各向异性这一独特力学性能的零件的制造。极大地拓宽了金属玻璃在航空航天、生物医疗等对物理性能要求特殊的工程领域中的应用。
附图说明
图1是本发明的面心立方晶格结构单元示意图；
图2是本发明的面心立方晶格结构组织的一种布置示意图；
图3是本发明的面心立方晶格骨架模型与非晶零件模型拼装之后的模型展示图；
图4是本发明的一种面心立方晶格结构金属玻璃零件的渲染图，并调节了非晶态部分的透明度以展示晶态骨架结构分布；
图5是本发明的面心立方晶格结构组织的另一种布置示意图；
图6是本发明的体心立方晶格结构单元图及其一种布置示意图；
图7是本发明的一种无周期性与秩序性的随机骨架结构金属玻璃零件的渲染图，并调节了非晶态部分的透明度以展示晶态骨架结构分布；
图8是本发明的一种通过调控晶态骨架结构沿某一方向的孔径均值，实现机械性能梯度变化的金属玻璃零件的渲染图，并调节了非晶态部分的透明度以展示晶态骨架结构分布；
图9是本发明的一种由体心立方晶格骨架向面心立方晶格骨架的过渡结构示意图，采用随机骨架结构作为过渡组织；
图10是本发明的一种由体心立方晶格骨架向面心立方晶格骨架过渡的多骨架结构金属玻璃复合材料零件的渲染图，并调节了非晶态部分的透明度以展示晶态骨架结构分布。
具体实施方式
理想的金属玻璃成形是可以直接近净成形出大块具有复杂结构的零件，在保证零件强度的前提下，提高零件的塑性，从而增强零件的稳定性。本发明基于拓扑学理论建立晶格结构模型微观结构单元，采用均匀化法对晶格结构模型进行性能预测并优化晶格结构参数，将选区激光熔化增材制造技术与粉末冶金技术相结合，通过调控激光工艺参数，在不同区域选择性成形晶态金属和非晶态金属，可直接近净成形出任意形状具有晶格结构的大块金属玻璃零件，可显著提高金属玻璃零件的塑性，提高成形零件的综合力学性能，增强金属玻璃零件的稳定性。
包括下列步骤：
步骤1、根据成形后金属玻璃晶格结构零件的力学性能要求，基于拓扑学理论构建微观单元几何模型，采用均匀化法对金属玻璃晶格结构模型性能进行预测并优化微观结构单元参数，确定微观结构单元的几何参数和排列方向；
步骤2、采用CATIA等软件建立金属玻璃零件模型，再根据设计好的参数，建立微观单元几何模型，将其排列累积成晶格骨架结构模型，将设计好的金属玻璃零件模型和晶格结构模型放置在一个文件中，在随后的制造中，金属玻璃零件模型对应零件体中的非晶态部分，晶格结构模型则对应晶态骨架部分；
步骤3、将金属玻璃零件和晶格结构的三维模型文件以STL格式输入到选区激光熔化增材制造系统控制软件中，设置层厚及扫描间距，再分别对金属玻璃零件模型和晶格结构模型设定不同的激光功率和扫描速度，软件根据参数设置，将三维模型的数据进行分层切片处理，并将每层的数据变换成振镜偏转代码及激光器功率调控代码；
步骤4、将准备好的金属玻璃粉末放入成形室内的供粉缸中，完成后向成形室内通入高纯度氩气，进行洗气操作，待氧气浓度下降到规定值以下时，启动选区激光熔化增材制造系统；
步骤5、利用选区激光熔化增材制造系统进行金属玻璃零件的成形，根据三维模型切片处理的层轮廓信息与工艺参数信息，调节振镜角度及激光器功率，按照一定的参数熔化粉床上铺好的金属玻璃粉末，待其冷却凝固后，即完成该层的成形；
步骤6、成形缸下降一定距离，供粉缸上升一定距离，通过铺粉刮刀在成形缸上铺上一层粉末，再进行下一层切片轮廓的成形，如此层层叠加，直至最后成形出完整的具有晶格结构的金属玻璃零件，理想情况下的成形零件形貌如图4所示。
本发明所述步骤1中所述的晶格结构是一类可设计的结构，通过预期金属玻璃成形零件的力学性能，构建相应属性的微观单元几何模型并设计其在介观尺度上的秩序性和周期性，由于微观单元的具体形态完全可控，因此可仿照已有的晶格结构建立微观单元几何模型，另外由于其形式十分自由，所以也不必受限于已有的传统晶格结构，可通过三维建模建立更复杂的晶格单元，从而构建新型晶格骨架结构，或对已有的晶格单元进行非传统的排列布置，从而构建出具有一定松弛弹性特性的晶格骨架结构，甚至可通过代码直接生成骨架模型，从而构建出不具有晶格单元、不具备秩序性和周期性的随机金属玻璃骨架结构，后者通常用于两种不同晶格骨架结构之间的过渡。
本发明所述步骤1中所述仿照已有的晶格结构包括体心立方结构、面心立方结构、密排六方晶格结构。
本发明所述步骤2中所述的宏微观结构建模用SolidWorks、Pro/E和UG三维建模软件建模。
本发明所述步骤3中所述的各个参数的可调范围如下，激光功率0-500W、扫描速度0-1600mm/s、层厚30-40μm，扫描间距70-110μm，由于粉末经过激光熔化再凝固后，其组织结构主要由能量密度决定，因此可通过调控激光工艺参数的方式控制不同位置的组织结构，零件的非晶部分可通过将激光功率设置在100-300W内，扫描速度设置在700-900mm/s内来成形，材料的晶态骨架部分可通过设置更高的能量密度或是二次扫描的方式来成形。
本发明所述步骤4中所述的金属玻璃可以是Pd基、Fe基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Cu基、Ce基、La基等金属玻璃中的一种或几种。
本发明制造的金属玻璃晶格结构零件，在保证零件强度的前提下，可显著提高金属玻璃零件的塑性，提高成形零件的综合力学性能，增强金属玻璃零件的稳定性，为金属玻璃零件提供更广阔的应用空间。
下面结合数个具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明并不局限于这些实施方式。
实施例1
本实施例提供一种体心立方晶格结构金属玻璃复合材料零件的制造方法，包括如下步骤：
步骤1、预制好Fe基(Fe-Co-Cr-Mo-C-B-Y)金属玻璃粉末，粉末粒径为30-50μm；
步骤2、在保证给定Fe基金属玻璃零件强度的前提下，提高零件的塑性，基于拓扑学理论构建面心立方微观单元几何模型，如图1所示，采用均匀化法对金属玻璃面心立方晶格结构模型性能进行预测并优化微观结构单元参数，确定微观结构单元的几何参数和排列方向；
步骤3、采用Blender软件建立金属玻璃零件模型，在本例中为一正方形块体。再根据设计好的参数建立面心立方微观单元几何模型，如图1所示，将其排列累积成如图2或图5所示的面心立方晶格结构骨架三维模型。在本实施例中将采用高激光能量密度的方式成形晶态骨架，所以需要将前述的金属玻璃零件模型与晶格骨架模型先进行一次差集布尔操作，再将二者组合到一起，结果如图3所示。再随后的制造中，金属玻璃零件模型对应零件体中的非晶态部分，晶格结构模型则对应晶态骨架部分；
将上述的三维模型文件以STL格式输入到选区激光熔化增材制造系统控制软件中，设置层厚为30μm，扫描间距为70μm，并分别对金属玻璃零件模型和晶格结构模型设定不同的激光功率和扫描速度(在本实施例中，非晶态组织的激光功率为200W，扫描速度为800mm/s，晶态组织则采用更高的能量密度，从而使金属玻璃粉末晶化)，软件根据参数设置，将三维模型的数据进行分层切片处理，并将每层的数据变换成振镜偏转代码和激光器功率调控代码；
步骤4、将准备好的Fe基金属玻璃粉末放入成形室内的供粉缸中，完成后向成形室内通入高纯度氩气，进行洗气操作，待氧气浓度下降到规定值以下时，启动选区激光熔化增材制造系统；
步骤5、利用选区激光熔化增材制造系统进行金属玻璃零件的成形，根据三维模型切片处理的层轮廓信息，激光振镜做XY方向的摆动，激光器按需以一定功率熔化、凝固实体材料或支撑材料，逐点累加，完成对当前层的成形；
步骤6、成形缸下降一定距离，供粉缸上升一定距离，通过铺粉刮刀在成形缸上铺上一层粉末，再进行下一层切片轮廓的成形，如此层层叠加，直至最后成形出完整的具有晶格结构的金属玻璃零件，理想情况下的骨架结构和成形零件形貌如图4所示。
实施例2
本实施例提供一种面心立方晶格结构金属玻璃复合材料零件的制造方法：
整体过程与体心立方晶格结构金属玻璃复合材料零件制造的操作步骤类似，唯一的区别在于晶格骨架的模型有所不同。对于面心立方晶格结构金属玻璃复合材料零件来说，其晶格结构应参考图6进行建模。
实施例3
本实施例提供一种随机骨架结构金属玻璃复合材料零件的制造方法：
整体过程与体心立方晶格结构金属玻璃复合材料零件制造的操作步骤类似，唯一的区别在于骨架结构的模型有所不同。对于随机结构金属玻璃复合材料零件来说，其骨架结构应由程序随机生成，理想情况下的骨架结构和成形零件形貌如图7所示。需注意随机骨架结构通常不作为独立结构使用，本例中的描述只为展示该种结构的形态。
实施例4
本实施例提供一种梯度骨架结构金属玻璃复合材料零件的制造方法：
整体过程与体心立方晶格结构金属玻璃复合材料零件制造的操作步骤类似，唯一的区别在于骨架结构的模型有所不同。对于梯度骨架结构金属玻璃复合材料零件来说，其骨架结构中的孔隙直径应以一定梯度线性变化，梯度骨架模型可通过两种方式进行建模：一、由普通的晶格骨架结构，例如体心立方晶格结构，于不同位置选用不同的缩放倍数实现，在Blender中可直接使用简易形变修改器达到该效果；二、使用具有可调孔径参数的极小曲面隐式方程在Matlab中直接进行绘制，并写入到STL文件中完成建模。本实施例中采用第一种方法，理想情况下的骨架结构和成形零件形貌如图8所示。
实施例5
本实施例提供一种多骨架结构金属玻璃复合材料零件的制造方法：
整体过程与体心立方晶格结构金属玻璃复合材料零件制造的操作步骤类似，唯一的区别在于骨架结构的模型有所不同。对于多骨架结构金属玻璃复合材料零件来说，其骨架结构由两种或多种不同的骨架结构拼接而成，在两种无法直接接合的骨架之间使用程序生成的随机骨架结构进行过渡。在本实施例中，通过Solidworks软件进行面心立方和体心立方晶格骨架结构的建模，两种骨架之间的随机过渡结构则通过Blender中的“顶点随机化”实现，其骨架结构示意图如图9所示，理想情况下的成形零件形貌如图10所示。

Claims (6)

1.一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1、根据成形后金属玻璃晶格结构零件的力学性能要求，基于拓扑学理论构建微观单元几何模型，采用均匀化法对金属玻璃晶格结构模型性能进行预测并优化微观结构单元参数，确定微观结构单元的几何参数和排列方向；
步骤2、采用CATIA等软件建立金属玻璃零件模型，再根据设计好的参数，建立微观单元几何模型，将其排列累积成晶格骨架结构模型，将设计好的金属玻璃零件模型和晶格结构模型放置在一个文件中，在随后的制造中，金属玻璃零件模型对应零件体中的非晶态部分，晶格结构模型则对应晶态骨架部分；
步骤3、将金属玻璃零件和晶格结构的三维模型文件以STL格式输入到选区激光熔化增材制造系统控制软件中，设置层厚及扫描间距，再分别对金属玻璃零件模型和晶格结构模型设定不同的激光功率和扫描速度，软件根据参数设置，将三维模型的数据进行分层切片处理，并将每层的数据变换成振镜偏转代码及激光器功率调控代码；
步骤4、将准备好的金属玻璃粉末放入成形室内的供粉缸中，完成后向成形室内通入高纯度氩气，进行洗气操作，待氧气浓度下降到规定值以下时，启动选区激光熔化增材制造系统；
步骤5、利用选区激光熔化增材制造系统进行金属玻璃零件的成形，根据三维模型切片处理的层轮廓信息与工艺参数信息，调节振镜角度及激光器功率，按照一定的参数熔化粉床上铺好的金属玻璃粉末，待其冷却凝固后，即完成该层的成形；
步骤6、成形缸下降一定距离，供粉缸上升一定距离，通过铺粉刮刀在成形缸上铺上一层粉末，再进行下一层切片轮廓的成形，如此层层叠加，直至最后成形出完整的具有晶格结构的金属玻璃零件。
2.根据权利要求1所述的一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法，其特征在于：所述步骤1中所述的晶格结构是一类可设计的结构，通过预期金属玻璃成形零件的力学性能，构建相应属性的微观单元几何模型并设计其在介观尺度上的秩序性和周期性；由于微观单元的具体形态完全可控，因此可仿照已有的晶格结构建立微观单元几何模型；另外由于其形式十分自由，所以也不必受限于已有的传统晶格结构，可通过三维建模建立更复杂的晶格单元，从而构建新型晶格骨架结构，或对已有的晶格单元进行非传统的排列布置，从而构建出具有一定松弛弹性特性的晶格骨架结构，甚至可通过代码直接生成骨架模型，从而构建出不具有晶格单元、不具备秩序性和周期性的随机金属玻璃骨架结构，后者通常用于两种不同晶格骨架结构之间的过渡。
3.根据权利要求2所述的一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法，其特征在于：所述步骤1中所述仿照已有的晶格结构包括体心立方结构、面心立方结构、密排六方晶格结构。
4.根据权利要求1所述的一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法，其特征在于：所述步骤2中所述的宏微观结构建模用SolidWorks、Pro/E和UG三维建模软件建模。
5.根据权利要求1所述的一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法，其特征在于：所述步骤3中所述的各个参数的可调范围如下，激光功率0-500W、扫描速度0-1600mm/s、层厚30-40μm，扫描间距70-110μm，由于粉末经过激光熔化再凝固后，其组织结构主要由能量密度决定，因此可通过调控激光工艺参数的方式控制不同位置的组织结构，零件的非晶部分可通过将激光功率设置在100-300W内，扫描速度设置在700-900mm/s内来成形，材料的晶态骨架部分可通过设置更高的能量密度或是二次扫描的方式来成形。
6.根据权利要求1所述的一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法，其特征在于：所述步骤4中所述的金属玻璃可以是Pd基、Fe基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Cu基、Ce基、La基等金属玻璃中的一种或几种。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115415542A (zh) * 2022-07-19 2022-12-02 闽都创新实验室 基于响应面法的双相不锈钢3d打印件性能的预测方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104715091A (zh) * 2013-12-16 2015-06-17 华中科技大学 一种铝合金周期性点阵多孔结构的快速成形制造方法
US20150315678A1 (en) * 2014-04-30 2015-11-05 Apple Inc. Methods for constructing parts with improved properties using metallic glass alloys
CN107368642A (zh) * 2017-07-13 2017-11-21 武汉大学 金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法
CN108650883A (zh) * 2016-01-15 2018-10-12 贺利氏添加剂生产有限公司 由金属玻璃增材制造三维物体的方法
CN112846230A (zh) * 2021-01-07 2021-05-28 北京工业大学 一种利用激光增材制备点阵结构非晶-纳米晶合金的方法
CN113403553A (zh) * 2021-06-21 2021-09-17 上海大学 一种选区激光熔化制备锆基金属玻璃的方法及产品
US20210316501A1 (en) * 2020-03-13 2021-10-14 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Structural Metamaterials Comprising Interpenetrating Lattices
WO2021227539A1 (zh) * 2020-10-21 2021-11-18 沈阳铸造研究所有限公司 一种基于激光增材制造高熔点Kelvin结构点阵金属的制备方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104715091A (zh) * 2013-12-16 2015-06-17 华中科技大学 一种铝合金周期性点阵多孔结构的快速成形制造方法
US20150315678A1 (en) * 2014-04-30 2015-11-05 Apple Inc. Methods for constructing parts with improved properties using metallic glass alloys
CN108650883A (zh) * 2016-01-15 2018-10-12 贺利氏添加剂生产有限公司 由金属玻璃增材制造三维物体的方法
CN107368642A (zh) * 2017-07-13 2017-11-21 武汉大学 金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法
US20210316501A1 (en) * 2020-03-13 2021-10-14 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Structural Metamaterials Comprising Interpenetrating Lattices
WO2021227539A1 (zh) * 2020-10-21 2021-11-18 沈阳铸造研究所有限公司 一种基于激光增材制造高熔点Kelvin结构点阵金属的制备方法
CN112846230A (zh) * 2021-01-07 2021-05-28 北京工业大学 一种利用激光增材制备点阵结构非晶-纳米晶合金的方法
CN113403553A (zh) * 2021-06-21 2021-09-17 上海大学 一种选区激光熔化制备锆基金属玻璃的方法及产品

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115415542A (zh) * 2022-07-19 2022-12-02 闽都创新实验室 基于响应面法的双相不锈钢3d打印件性能的预测方法
CN115415542B (zh) * 2022-07-19 2024-05-03 闽都创新实验室 基于响应面法的双相不锈钢3d打印件性能的预测方法

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