中國礦大《JMST》綜述：增材制造金屬玻璃和高熵合金

第一作者：劉海順
通訊作者：楊衛(wèi)明 張來昌
通訊單位：中國礦業(yè)大學(xué) 埃迪斯科文大學(xué)

本文全面評述了過去20年來金屬玻璃和高熵合金增材制造領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。這樣系統(tǒng)和全面的評述對今后的工作是重要和必要的。尤其令人印象深刻的是，論文中總結(jié)了許多金屬玻璃與高熵合金性質(zhì)、制備過程及發(fā)展方向等方面的漂亮表格，這對后續(xù)研究者非常有用。

全文速覽
文章系統(tǒng)全面綜述了金屬玻璃和高熵合金增材制造的歷史、現(xiàn)狀與前景，包括傳統(tǒng)制造遇到的困難及金屬玻璃和高熵合金增材制造的優(yōu)勢，討論了增材制造金屬玻璃和高熵合金的體系、缺陷、孔隙、密度及力學(xué)、磁學(xué)、催化等各種性能的最新研究進展，總結(jié)了性能提升的各種措施，并就目前遇到的問題挑戰(zhàn)提出解決方案、指出了未來的方向。

研究背景
金屬玻璃和高熵合金是近年來引起廣泛關(guān)注的兩種代表性新型合金，他們都是多組元金屬材料，具有有趣的微觀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能（如超高強度和硬度、高耐磨性、高彈性極限）及高的耐腐蝕性能、先進的催化性能、生物相容性及出色的磁學(xué)性能；它們通�？衫�用液體凝固（例如，鑄造、熔體紡絲）制造，但在大尺寸和復(fù)雜幾何形狀部件的制造方面遇到了瓶頸。

作為新興的簡便且可定制的制造技術(shù)，增材制造以分層方式進行制造，材料浪費少、靈活性高，且無需模具即可制造高度復(fù)雜的幾何形狀，又能克服臨界尺寸的限制，廣泛應(yīng)用于電子、航空航天、機器人、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域。增材制造中，原料的熔化和隨后的凝固被限制在高能束掃描引起的微小區(qū)域中（通常為幾十微米），冷卻速率可達103–108K/s，極高的選區(qū)融化冷卻速率利于完全非晶態(tài)金屬玻璃的形成，也可以通過限制擴散提高高熵合金的化學(xué)均勻性；增材制造還可用于調(diào)控金屬部件的微觀結(jié)構(gòu)。金屬玻璃和高熵合金增材制造的探索方興未艾。

研究出發(fā)點

① 全面、系統(tǒng)、及時、綜合總結(jié)與概括了關(guān)于金屬玻璃及高熵合金增材制造的歷史、現(xiàn)狀、存在問題與未來研究方向，如圖1所示。

② 比較歸納了適合金屬玻璃及高熵合金的各種增材制造技術(shù)，包括激光選區(qū)融化、電子束熔化、直接能量沉積等。

③ 總結(jié)歸納了增材制造金屬玻璃及高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)及其力學(xué)、磁學(xué)、催化等性能提升的策略與途徑。

④ 就金屬玻璃及高熵合金增材制造探索中遇到的問題與挑戰(zhàn)，歸納提出了解決方案，展望了未來方向。


圖文解析

圖2為2005年以來與MG/HEA和AM相關(guān)的論文數(shù)量，近年來出現(xiàn)了爆炸式增長。

圖3為增材制造的金屬玻璃體系及其占比，占主導(dǎo)地位的為鋯基與鐵基金屬玻璃，鈦基、鋁基、銅基等金屬玻璃也有探索，研究領(lǐng)域有待進一步擴展。

表1-2為激光選區(qū)融化制造金屬玻璃和高熵合金的參數(shù)，不同的制造參數(shù)會導(dǎo)致不同微觀結(jié)構(gòu)與不同性能的出現(xiàn)，裂紋、晶化、孔洞等現(xiàn)象的出現(xiàn)與制造參數(shù)緊密相關(guān)，需要優(yōu)化參數(shù)以提升力學(xué)、磁學(xué)及催化等性能與打印質(zhì)量。

表1 激光選區(qū)融化制造金屬玻璃的參數(shù)

表2 激光選區(qū)融化制造高熵合金的參數(shù)

總結(jié)與展望
金屬玻璃和高熵合金增材制造中制造參數(shù)的變化會導(dǎo)致不同微觀結(jié)構(gòu)與性能的出現(xiàn)，可通過參數(shù)優(yōu)化、掃描策略優(yōu)化、引入新相、熱處理、重熔、預(yù)熱等方式提升打印質(zhì)量。目前亟需解決的問題和未來研究方向包括：缺陷的產(chǎn)生與消除、裂紋的產(chǎn)生、消除及熱應(yīng)力的影響、晶化與相變、氧化的緩解與化學(xué)均勻性、新的適合增材制造的合金粉末的開發(fā)、過程-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的建立、實驗與多尺度模擬的結(jié)合、高通量制造、機器學(xué)習(xí)與人工智能的引入、增材制造金屬玻璃及高熵合金應(yīng)用的拓展等。

作者介紹

第一作者
劉海順，博士/二級教授，江蘇省“333 工程”培養(yǎng)對象，中國礦業(yè)大學(xué)首屆學(xué)術(shù)委員會委員、青年學(xué)術(shù)帶頭人、優(yōu)秀教學(xué)團隊帶頭人、一級學(xué)科主任，中國材料與試驗標(biāo)準(zhǔn)委員會委員，高等學(xué)校物理學(xué)類力學(xué)研究會理事，悉尼大學(xué)、明尼蘇達大學(xué)、南京大學(xué)訪問學(xué)者。主要從事非晶及納米晶合金、增材制造及應(yīng)力場磁性檢測等的研究工作，出版專著教材5部，在Add. Manuf.、J. Mater. Sci. Tech.、學(xué)科教育等重要期刊發(fā)表SCI論文80余篇、教研論文20余篇；授權(quán)發(fā)明專利10余項；主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金面上項目等科研項目10余項，獲中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)、全國安全生產(chǎn)科技成果、全國煤炭教育優(yōu)秀成果等一等獎勵10余項；國家自然科學(xué)基金委、科技部、國務(wù)院學(xué)位辦、江蘇省科技廳、波蘭自然科學(xué)基金委評審專家。

通訊作者
楊衛(wèi)明，中國礦業(yè)大學(xué) 教授/博士生導(dǎo)師，力學(xué)與工程科學(xué)系主任，青年學(xué)術(shù)帶頭人、“啟航計劃”培養(yǎng)對象，入選江蘇省青年科技人才托舉工程。主要從事深部地下空間開發(fā)關(guān)鍵材料、亞穩(wěn)金屬材料強韌機理、3D打印殘余應(yīng)力調(diào)控與裂紋抑制等方面的研究工作。在Add. Manuf.、J. Mater. Sci. Technol.等期刊發(fā)表SCI論文50余篇，出版教材/專著3部，被引1400多次；授權(quán)發(fā)明專利15項；主持國家自然科學(xué)基金面上項目、國家重點研發(fā)項目子課題、國家自然科學(xué)基金青年基金、中國博士后特別資助等項目10余項；擔(dān)任全國磁性材料與器件專家委員會常務(wù)委員、江蘇省力學(xué)學(xué)會固體力學(xué)委員會委員，國家自然科學(xué)基金通訊評審專家、波蘭自然科學(xué)基金國際評審專家。獲江蘇省優(yōu)秀博士論文、新疆自治區(qū)自然科學(xué)二等獎、徐州市自然科學(xué)論文一等獎等獎勵。

張來昌，澳大利亞伊迪斯科文大學(xué)終身教授、機械工程學(xué)科負責(zé)人及先進材料與制造中心主任、德國“洪堡”學(xué)者，2020-2022連續(xù)三年入選全球2%頂尖科學(xué)家。張教授于2005年畢業(yè)中國科學(xué)院金屬研究所并獲得博士學(xué)位，先后就職于德國達姆斯塔特工業(yè)大學(xué)和萊布尼茨固體材料研究所、澳大利亞伍倫貢大學(xué)大學(xué)、西澳大利亞大學(xué)和伊迪斯科文大學(xué)。張來昌教授長期從事新型材料的制備、結(jié)構(gòu)和性能，尤其是新型鈦合金的制備工藝和性能的研究，主要包括：金屬增材制造及其工程應(yīng)用、生物醫(yī)用鈦合金、亞穩(wěn)態(tài)合金的制備和性能。迄今為止，已出版英文專著2本、書籍章節(jié)21章，在Progress in Materials Science, Materials Science Engineering R: Reports, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Applied Catalysis B: Environmental, Acta Materialia, Additive Manufacturing, Composites B: Engineering, Corrosion Science等國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文320余篇，論文被引用1.9萬余次，H指數(shù)76（谷歌學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)）。其部分研究成果已經(jīng)在澳大利亞廣播電視臺（ABC）新聞頻道全球直播采訪、澳大利亞《訪談》（The Conversation）采訪報道、中央電視臺（CCTV-4）、新華社和《科技日報》等知名媒體報道�，F(xiàn)擔(dān)任International Journal of Extreme Manufacturing、Advanced Engineering Materials、《金屬學(xué)報-英文版》等十余種SCI期刊的編輯或者編委。

課題組介紹：
中國礦業(yè)大學(xué)先進結(jié)構(gòu)與功能材料力學(xué)課題組現(xiàn)有教授3人，副教授1人，講師2人，碩、博研究生20余人。主要開展亞穩(wěn)金屬材料力學(xué)物理化學(xué)性能、3D打印及深部地下空間開發(fā)關(guān)鍵材料等方面的研究工作。課題組在Add. Manuf.、Corros. Sci.、Mater. Des.等重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文100余篇，授權(quán)發(fā)明專利近20項，承擔(dān)國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金面上項目、973計劃子課題、國家自然科學(xué)基金重點項目課題等課題20余項，科研經(jīng)費1000余萬。課題組及所在平臺擁有完備的樣品制備、測試與表征及模擬計算設(shè)備，如高真空電弧熔煉爐、高真空感應(yīng)熔煉/快淬設(shè)備、高真空吸鑄設(shè)備、真空熱處理爐、真空縱/橫磁場熱處理爐、金屬3D打印機等樣品制備設(shè)備；及高溫差示掃描量熱儀、交/直流磁滯回線測量儀、動態(tài)機械分析儀、振動樣品磁強計、電化學(xué)工作站、萬能試驗機、顯微硬度計、X射線衍射儀、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡等性能測試與結(jié)構(gòu)表征設(shè)備。

課題組網(wǎng)址：https://amsmlab.cumt.edu.cn/index.htm

引用本文
H.S. Liu, D.F. Yang, Q Jiang, Y.Y. Jiang, W.M. Yang, L. Liu, L.C. Zhang, Additive manufacturing of metallic glasses and high-entropy alloys: Significance, unsettled issues, and future directions, J. Mater. Sci. Technol. 140 (2023) 79–120.