華中科大柳林團(tuán)隊(duì)：協(xié)同缺陷工程塑韌化3D打印非晶合金

來(lái)源：Materials Research Letters

塊體非晶合金（BMG）因其長(zhǎng)程無(wú)序的原子排布特點(diǎn)，展現(xiàn)出高強(qiáng)度、高彈性極限、軟磁性能、優(yōu)異的耐磨耐蝕性能。然而傳統(tǒng)鑄造技術(shù)制備的非晶合金尺寸小、形狀受限, 這極大地制約了非晶合金的發(fā)展與應(yīng)用。近些年來(lái)興起的3D打印技術(shù)，得益于其逐層加工的特點(diǎn)，可成形任意復(fù)雜形狀的零件，這為解決非晶合金成形問(wèn)題提供了新思路。然而，目前激光3D打印技術(shù)（尤其是選區(qū)激光熔化-SLM）制備的非晶合金中普遍存在孔洞與脆性晶化相等缺陷，導(dǎo)致成形件強(qiáng)度低、塑韌性差。如何解決這一問(wèn)題是能否實(shí)現(xiàn)非晶合金實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

近日，華中科技大學(xué)材料學(xué)院柳林教授研究團(tuán)隊(duì)利用SLM 3D打印制備出Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金，并提出“協(xié)同缺陷工程”的設(shè)計(jì)理念，即：通過(guò)協(xié)同調(diào)控孔洞以及熱影響區(qū)中的晶化相兩種缺陷，實(shí)現(xiàn)SLM非晶合金高強(qiáng)度、高塑性以及斷裂韌性的良好結(jié)合。相關(guān)工作以題為“Toughening 3D-printed Zr-based bulk metallic glass via synergistic defects engineering”的研究論文發(fā)表在Materials Research Letters上。論文第一作者為博士研究生張鵬程，通訊作者為張誠(chéng)副教授和柳林教授，通訊單位為華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

圖1. (a-b) 不同能量密度下SLM 3D打印Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金樣品及粉末的XRD和DSC曲線(xiàn)；(c) 孔隙率和晶化分?jǐn)?shù)隨能量密度的變化趨勢(shì)；(d) SLM 3D打印樣品的明場(chǎng)像照片（晶化分?jǐn)?shù)為7.03%），其中插圖分別為S1和S2區(qū)域的選區(qū)電子衍射照片；(e) 不同孔隙率樣品的SEM照片。

圖2. 不同孔隙率及晶化分?jǐn)?shù)下SLM 3D打印Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金樣品的力學(xué)性能 (a) 壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；(b) 斷裂韌性。

作者以Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金為對(duì)象，研究了SLM制備過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，可以制備得到孔隙率在0.67%至17.4%之間，晶化分?jǐn)?shù)在4.03%至23.37%之間的一系列樣品�；�于調(diào)控孔隙率和晶化分?jǐn)?shù)的“缺陷工程”，利用微孔洞誘發(fā)剪切帶萌生的增塑作用和熱影響區(qū)中析出的納米晶化相的強(qiáng)化效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高塑性以及高斷裂韌性的良好結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)晶化分?jǐn)?shù)較低（<5%），且孔隙率較高時(shí)（>2.8%），SLM成形樣品的壓縮塑性提高，當(dāng)孔隙率為17.4%時(shí)，壓縮塑性可以達(dá)到6%；當(dāng)晶化分?jǐn)?shù)和孔隙率處在中等水平時(shí)，SLM成形樣品的斷裂韌性提升，當(dāng)孔隙率為2.87%，晶化分?jǐn)?shù)為7.03%時(shí)，斷裂韌性值最大，約為45 MPa m1/2。

本研究創(chuàng)新地通過(guò)調(diào)控3D打印非晶合金中孔洞以及晶化相兩種缺陷的比例，從而提高了相應(yīng)樣品的力學(xué)性能，為未來(lái)3D打印非晶合金塑韌化提供了可行的微觀(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。

參考文獻(xiàn)：Pengcheng Zhang, Cheng Zhang & Lin Liu（2022）Toughening 3D-printed Zr-based bulk metallic glass via synergistic defects engineering, Materials Research Letters, 10:6, 377-384.

原文鏈接：ttps://doi.org/10.1080/21663831.2022.2054291)