激光增材制造鋯基金屬玻璃的致密化、工藝調(diào)控及機(jī)械性能

來(lái)源： 增材制造碩博聯(lián)盟

塊狀金屬玻璃BMG以其優(yōu)異的機(jī)械性能而著稱，這些性能有望提升多個(gè)領(lǐng)域中機(jī)械和功能系統(tǒng)的性能和效率。盡管塊狀金屬玻璃BMG的潛力巨大，但其商業(yè)化應(yīng)用仍受限于傳統(tǒng)制造工藝所能生產(chǎn)的小尺寸部件。傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)制造BMG所需的高冷卻速率（10-106 K/s），這一速率是形成無(wú)定形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。增材制造技術(shù)，特別是粉末床融合（LPBF）和定向能量沉積，以其能提供所需冷卻速率而受到關(guān)注。這些技術(shù)的快速發(fā)展使得生產(chǎn)大尺寸、復(fù)雜形狀的BMG部件成為可能，打破了玻璃成型器的限制，為BMG的商業(yè)化應(yīng)用開(kāi)辟了新道路。

然而，如何通過(guò)增材制造技術(shù)控制加工參數(shù)以制備具有理想機(jī)械性能（即致密、完全無(wú)定形）的塊狀金屬玻璃BMG仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。新南威爾士大學(xué)的杰米·克魯齊奇教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合悉尼大學(xué)深入研究了LPBF制造BMG的加工工藝-微觀組織-性能關(guān)系，研究了塊狀金屬玻璃BMG的制造技術(shù)和應(yīng)用前景。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！

團(tuán)隊(duì)研究了兩種不同粉末（一種較粗且含氧量低，另一種較細(xì)且含氧量高）在不同激光功率和掃描速度下的表現(xiàn)，旨在理解和控制BMG的玻璃結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。研究結(jié)果顯示，存在一個(gè)較大的工藝加工窗口，可為特定成分（Zr59.3Cu28.8Nb1.5Al10.4）的塊狀金屬玻璃BMG制造出高致密度和完全非晶結(jié)構(gòu)（經(jīng)X射線衍射確認(rèn)）。在此工藝窗口中，可獲得不同的BMG玻璃結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，包括顯微硬度、屈服強(qiáng)度和塑性應(yīng)變。

圖1. （a）粒徑10-45 μm 的 AMZ4-F BMG 粉末的SEM圖像（b）粒徑25-63 μm的AMZ4-C BMG粉末的SEM圖像（c）鐵基板上的打印方塊試樣，以及（d）一個(gè)方塊里的四個(gè)壓縮試驗(yàn)試樣示意圖

圖2. AMZ4-C 粉末LPBF在不同工藝參數(shù)下的 XRD 無(wú)定形性和相對(duì)密度（%）

圖3. AMZ4-C粉末LPBF在不同掃描速度和激光功率下制備的BMG樣品的拋光表面（平行于打印方向）上氣孔和未熔合缺陷，使用 DSC 和壓縮測(cè)試進(jìn)一步分析了其中8個(gè)藍(lán)框區(qū)域

圖4.（a）全XRD無(wú)定形樣品（200 W; 4000 mm/s）和（b）使用AMZ4-F粉末制備的無(wú)定形樣品（250 W; 2500 mm/s）的HAZ的BSE-SEM反向散射圖像。（c）和（d）分別顯示了（a）和（b）中矩形所指示區(qū)域的較高放大倍率圖像

研究結(jié)果表明，通過(guò)在較寬的加工窗口中調(diào)整LPBF工藝參數(shù)，可以定制塊狀金屬玻璃BMG的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，為這一材料在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！

圖5. LPBF制造的BMG樣品的顯微硬度圖（0.6mm×0.6mm）以及相應(yīng)的掃描速度和激光功率

圖6. 本研究中獲得的LPBF AMZ4-C樣品的力學(xué)性能與LPBF BMG的其他報(bào)告的比較

相關(guān)研究成果以題為 “Superior mechanical properties of a Zr-based bulk  metallic glass via laser powder bed fusion process control” 發(fā)表在國(guó)際頂刊《Acta Materialia》上。