0 引 言
金属材料的力学性能和电性能优于聚合物材料，但因其高熔点与传统熔态制造模式的限制，难以直接应用于在轨制造。因此，金属材料的在轨制造尚处于技术探索阶段，研究主要围绕着激光粉末床熔融技术、激光熔丝增材制造展开。2019年和2023年，德国宇航中心研制了气流辅助粉末沉积的激光粉末床熔融系统，该系统通过在激光粉末床熔融系统中增加一套气流辅助系统，利用气流的推力稳定粉末，成功实现了微重力环境下316L不锈钢与AMZ4非晶合金（成分为Zr59.3Cu28.8Al10.4Nb1.5）的增材制造[4-5]。激光粉末床熔融技术可以生产精度较高的金属制件，对在轨应用具有积极意义，但气流辅助系统增加了制造设备的复杂性，对制造工艺的影响也需进一步研究，同时金属粉末进入太空会造成安全隐患。2024年，欧空局首次实现空间站中的激光熔丝增材制造并成功打印出金属制件[6]；2026年1月，中国科学院力学研究所团队完成激光熔丝增材制造在轨实验并成功回收载荷。相比于激光粉末床熔融技术，激光熔丝增材制造没有粉末输运的控制问题与安全隐患，但其主要挑战是微重力环境下金属熔凝行为难以控制，易出现熔滴球化、断丝、气泡滞留等现象，影响制件的表面粗糙度和成型质量。因此，激光粉末床熔融技术与激光熔丝增材制造同为高温熔态制造技术，面向在轨应用时存在一定的限制。
非晶合金是一种新型金属材料，在具有接近甚至超过传统金属材料优异力学性能的基础上，还拥有类似聚合物材料的热塑性特性。由此开发了非晶合金熔融沉积成型技术，无需将原材料加热至熔融状态，有利于在微重力环境下实现高稳定制造，具有良好的在轨应用前景。
1 国内外研究进展
非晶合金可以在太空中合成。2019年，Vit105（成分为Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5）成为首个在国际空间站中制造的非晶合金[11]；相比于具有良好可加工性但含有铍元素的Vit 1（成分为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5）非晶合金，Vit105有利于航天员的健康安全，这是其能够进入空间站的重要原因。另一个在国际空间站中制造的非晶合金是Vit106（成分为Zr57Cu15.4Ni12.6Al10Nb5）[12]，其衍生的Vit106a非晶合金（成分为Zr58.5Cu15.6Ni12.8Al10.3Nb2.8）被应用于美国国家航空航天局的“起源”任务，用于制造太阳风收集器[13]。
2023年，德国宇航中心研制了气流辅助激光粉末床熔融系统，通过探空火箭在微重力环境下实现了AMZ4非晶合金的增材制造[5]。研究表明，制件结构在大部分区域维持了非晶态，但存在部分晶化现象。为保持原材料优异的力学性能，维持其非晶结构是非晶合金在轨制造工艺开发的重要挑战。
尽管非晶合金的增材制造与塑性加工研究众多，但针对熔融沉积成型的研究却十分有限。目前仅有2018年Gibson等[14]成功实现了Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金的熔融沉积成型增材制造。他们基于非晶合金电阻率远高于一般金属的性质，开发了基于电阻热的材料加热技术，并实现了约10 mm3/s的体积流量，且成型样品完全保持了非晶态。不过该研究中，由于氧化膜的影响，样品在Z方向的抗拉强度仅有X、Y方向的约50%，即600~700 MPa，即便如此也达到了316L不锈钢的水平；如果能提高冶金结合面积占比，Z方向的抗拉强度有望按比例提升。此外，Zr44Ti11Cu10Ni10Be25材料含有铍元素，不利于直接在空间站中应用，因此探索不含有毒元素非晶合金的熔融沉积成型工艺，对该技术在空间站的应用具有重要意义。
2 非晶合金熔融沉积成型实验原理样机
由于非晶合金在过冷液相区的实际表现与聚乳酸等聚合物材料相似，因此可将适用于聚合物材料的增材制造装置改装为满足非晶合金熔融沉积成型工艺的原理样机，以快速验证工艺的适用性。改装后的原理样机结构如图1 所示。
非晶合金熔融沉积成型实验原理样机包括控制模块、打印模块、供料模块与电源模块。共搭建两台样机，二者结构基本一致，故不作区分，各模块的功能如下：
（1）控制模块。控制供料模块与打印模块中运动系统和挤出机的运动，并为其供电。
（2）打印模块。实现非晶合金的软化、挤出、成型和首层固定等功能。
（3）供料模块。实现散装非晶合金棒的连续供给。
（4）电源模块。由于加热非晶合金棒所需的电流较大，采用单独的电源模块供电，电源开关手动控制。本文使用焊接电源提供能量（电流），电流的影响仅与有效电流值相关。此外，热床温度较高，宜采用独立电源供电。
打印模块是样机的核心，由挤出机、喷头、热床与运动系统组成，喷头与热床如图2 所示，打印模块各部分功能如下：
（1）挤出机。推动非晶合金棒前进。
（2）喷头。实现非晶合金棒的加热与挤出。
（3）热床。实现材料的首层结合，并作为电源的一极。
（4）运动系统。实现喷头相对于热床的三维运动，控制成型路径。
3 实验工况
3.1 材料介绍
Vit106a非晶合金是Vit106的改良版本，通过微调成分提高了非晶形成能力与热稳定性[15]，其成分为Zr58.5Cu15.6Ni12.8Al10.3Nb2.8。本文所使用的Vit106a材料及其物理性质数据来自常州世竟液态金属有限公司，原料直径为2.5 mm，材料的物理性质如表1 所示。
表 1 Vit106a材料物理性质Table 1 Physical properties of Vit106a |
| 类别 | 数值 |
| 密度 | 6.7 g·cm−3 |
| 玻璃转化温度 | 395 ℃ |
| 晶化温度 | 499 ℃ |
| 熔点范围 | 837 ℃ |
| 抗拉强度 | |
| 硬度 | 50 HRC |
| 断裂韧性 | 30 MPa·m1/2 |
| 杨氏模量 | 95 GPa |
3.2 结构参数
引入焦耳热作为加热手段是降低成型功耗的有效方法[16]。实测常温下Vit106a非晶合金的电阻率可达约174 μΩ·cm，约为316L不锈钢的2倍，Q235B低碳钢的10倍，因此焦耳热能够有效富集于非晶合金自身。基于这一特性，本文选择焦耳热作为首选加热方式。在样机中，前期以喷头末端作为电极，电极间距即初始高度；后期改用独立电刷，电极间距约为10 mm。
样机曾使用非晶合金板作为底板以实现首层结合，但常温下结合不牢固，仅能支持前期实验。为实现可靠的首层结合，采用加热至300 ℃的冲孔板作为结合媒介。
3.3 工艺参数
目前，实验探索的非晶合金熔融沉积成型主要工艺参数包括耗材直径、电流数值、打印速度、挤出速度（或挤出比，即挤出速度与打印速度之比）等。以直径2.5 mm的耗材为例，通过打印单线（一字）样品，初步确定的有效工艺参数为电流有效值100 A，打印速度5 mm/s，挤出比为1.2。在此基础上，可根据焦耳热定律按比例调节电流的平方值，以适配不同的体积流量。
4 初步实验情况
除上述工艺参数外，喷头末端与热床之间的距离（即初始高度）对工艺稳定性也有着重要影响。当初始高度与工艺参数不匹配时，打印轨迹可能出现沿Z轴的波浪形态；而初始高度过大或过小，可能直接导致打印失败。
当初始高度调整得恰当时，非晶合金棒软化点与热床高度十分接近，从而使成型过程顺利进行。为确定合适的初始高度，开展了初始高度优化实验，实验工况如下：Vit106a非晶合金棒直径2.5 mm、喷头末端作为电极、非晶合金板底板（不预热）、脉冲焊接电源，品牌与型号为君意达IDW-5100，实验参数设置如表2 所示，其中，“kA-CYC-ms”表示电流峰值-焊接时间-冷却时间设定值，1周波（Cycle，CYC）对应0.25 ms。
表 2 初始高度实验参数设置Table 2 Initial height experiment parameter settings |
| 初始高度 /mm | 打印速度 /mm·s−1 | 挤出速度 /mm·s−1 | 电流 （kA-CYC-ms） |
| 0.5 | 2.5 | 2.5 | 2.4-1-1 （电流有效值约60 A） |
| 0.8 | |||
| 1.5 | |||
| 2.0 | |||
| 2.5 | |||
尽管早期的原理样机因机械可靠性导致结果重复性较差，但仍能从代表性样品中总结出有价值的规律，样品如图3 所示，其中图3 （a）~图3 （e）对应初始高度依次增加。
根据实验得到的样品以及成型过程，分析如下：
（1）当初始高度较小时，打印出的样品宽度和厚度较小，挤出机发生打滑，样品成型受阻。具体而言，初始高度较小导致挤出机无法推动非晶合金棒到达软化位置，挤出机打滑、挤出速度减慢；此时，加热时间延长，最终非晶合金棒达到软化温度后被挤出。
（2）当初始高度较大时，样品呈现波浪状形态。这是因为初始高度较大时，非晶合金棒软化点远离热床，热床处可能发生晶化现象，导致有效电极间距减小；随后打印恢复正常但脱离了晶化位置，上述过程重复形成振荡。
（3）当初始高度在0.8~1.5 mm时，可获得较为理想的成型效果。
目前，样机可较为稳定地打印单层或堆叠样品，包括边长为50 mm×50 mm的6层样品及“Q-Lab”英文字母样品，验证了工艺的稳定性及对复杂路径的成型能力，如图4 所示。
在上述案例中，实验工况设置如下：采用直径2.5 mm的Vit106a非晶合金棒为原料、以电刷作为电极、冲孔板底板预热至300 ℃，并配置脉冲焊接电源；打印速度为5 mm/s，挤出比为1.2，对应体积流量约30 mm3/s，有效电流值约100 A。样品表面的氧化膜呈灰蓝色，打印过程中未见红热现象。对相同工艺制备样品的X射线衍射分析结果表明，样品保持了非晶态结构[17]，如图5 所示。
5 结 语
金属制件增材制造是太空金属制造的重要方向。非晶合金的熔融沉积成型技术具有工艺稳定、功耗低、安全性高等优势，是太空金属3D打印的理想技术。为验证该工艺对Vit106a材料的适用性，本文搭建了非晶合金熔融沉积成型实验原理样机，初步探索了该材料的熔融沉积成型工艺参数，开展了初始高度实验，并成功打印了方框、英文字母等样品，实现了30 mm3/s的成型速度，为该技术的实用化提供了支持。
受限于装置的可扩展性，本文未进行层间结合优化研究。由于空气中的非晶合金在高温下形成氧化膜，会阻碍层间材料接触形成冶金结合，导致Z方向强度受限[14]；此外，对于散装原料而言，前后两根非晶合金棒的结合区域同样存在脆弱问题。可以预见，增强材料间的结合强度将是该技术未来首要的研究方向。