大連交通大學(xué)：激光3D打印大塊非晶合金

【引言】

非晶合金又稱金屬玻璃，由于其原子排列長程無序、短程有序的特點，其在物理、化學(xué)以及力學(xué)性能上都呈現(xiàn)出一系列傳統(tǒng)晶體合金所不具備的優(yōu)異特性，這使其在軌道交通、航空航天、汽車船舶、裝甲防護、精密儀器等領(lǐng)域都存在廣泛的應(yīng)用前景。然而，處于亞穩(wěn)態(tài)的非晶合金需要在較快的冷卻速率下才能獲得，而目前通常采用的銅模鑄造法只能制備出臨界尺寸較小的非晶合金。另外，由于塊體非晶合金存在嚴(yán)重的室溫脆性問題，其在室溫下難以進行機械加工。復(fù)雜形狀構(gòu)件的模具無法或很難加工制造，導(dǎo)致難以獲得精密復(fù)雜的非晶合金構(gòu)件，這成為制約非晶合金應(yīng)用的另一個瓶頸。因此，如何突破非晶合金臨界的尺寸限制和復(fù)雜構(gòu)件的制備加工是擴展其在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖1 非晶合金的優(yōu)異性能

近年來，激光3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展為解決上述難題提供了契機。激光3D打印技術(shù)屬于快速成形技術(shù)的一種，與傳統(tǒng)的切削等機械加工技術(shù)不同，激光3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)的“增材制造”技術(shù)，是一種具有“變革性”意義的數(shù)字化、短周期、低成本的先進制造技術(shù)。由于激光3D打印技術(shù)是一種逐點離散熔覆沉積的成型方法，其每點的所受激光加熱面積較小，熔池的熱量可以迅速向基體擴散，使得激光熔池的冷卻速率遠大于非晶合金的臨界冷卻速率，使得熔池在冷凝的過程中可以避免發(fā)生晶化，進而獲得非晶態(tài)，這為無尺寸限制地制備非晶合金提供可能。另外，激光3D打印是以金屬粉末為原材料，通過高能激光束對金屬粉末逐層熔化堆積，直接由數(shù)字模型一步完成全致密、高性能、復(fù)雜金屬零件的“近終成形”制造，這為制備復(fù)雜的非晶合金構(gòu)提供理想的手段。

因此，針對目前非晶合金所面臨的尺寸較小和難以制備加工復(fù)雜構(gòu)件的問題，激光3D打印技術(shù)是最有可能解決上述問題，并實現(xiàn)非晶合金大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)。

圖2 激光3D打印技術(shù)制備非晶合金的優(yōu)勢

【成果簡介】

最近，大連交通大學(xué)的呂云卓副教授等人與哈爾濱工業(yè)大學(xué)和英國伯明翰大學(xué)的研究人員合作，利用同軸送粉激光3D打印技術(shù)，通過有限元模擬的方法優(yōu)化最佳工藝參數(shù)，成功制備出非晶含量超過90%的大尺寸Zr基非晶合金。更為重要的是，成型的非晶合金沿著打印方向具有梯度結(jié)構(gòu)，這為非晶合金作為梯度材料在功能領(lǐng)域的應(yīng)用提供可能，擴大了非晶合金的使用范圍。研究發(fā)現(xiàn)，該非晶合金的梯度結(jié)構(gòu)是由于在同軸送粉激光3D打印過程中不同打印層所經(jīng)歷的不同熱歷史所引起的不同程度的晶化導(dǎo)致。

圖3激光3D打印Zr基非晶合金的材料及裝置示意圖

圖4 有限元模擬激光3D打印Zr基非晶合金參數(shù)優(yōu)化

圖5 激光3D打印Zr基非晶合金的宏觀形貌及微觀梯度結(jié)構(gòu)

【小結(jié)】

研究人員利用同軸送粉激光3D打印技術(shù)，通過有限元模擬的方法優(yōu)化最佳工藝參數(shù)，成功制備出大尺寸、非晶含量較高、且具有梯度結(jié)構(gòu)的Zr基非晶合金。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸具有復(fù)雜形狀的非晶合金的新方法，也為促進高性能非晶合金在工程和功能領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該研究結(jié)果得到了國家自然科學(xué)基金（51671042, 51671043，51401041）、遼寧省教育廳重點實驗室基礎(chǔ)研究項目（LZ2015011）的資助。

相關(guān)研究成果發(fā)表在：

[1]    Yunzhuo Lu, Yongjiang Huang, Jing Wu. "Laser additive manufacturing of structural-graded bulk metallic glass." Journal of Alloys and Compounds  25, 506-510 (2018).

[2]   Yunzhuo Lu, Hao Zhang, Hongge Li, Huidong Xu, Guokun Huang, Zuoxiang Qin, Xing Lu. "Crystallization prediction on laser three-dimensional printing of Zr-based bulk metallic glass." Journal of Non-Crystalline Solids 461, 12-17 (2017).

[3]    Yunzhuo Lu a, Guokun Huang, Yongzhe Wangb, Hongge Li, Zuoxiang Qin, Xing Lu. "Crack-free Fe-based amorphous coating synthesized by laser cladding." Materials Letters 210, 46-50 (2018).