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華中科大柳林團隊：協(xié)同缺陷工程塑韌化3D打印非晶合金

2022-04-07

塊體非晶合金（BMG）因其長程無序的原子排布特點，展現(xiàn)出高強度、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。近些年來興起的3D打印技術(shù)，得益于其逐層加工的特點，可成形任意復(fù)雜形狀的零件，這為解決非晶合金成形問題提供了新思路。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)致成形件強度低、塑韌性差。如何解決這一問題是能否實現(xiàn)非晶合金實際應(yīng)用的關(guān)鍵。

近日，華中科技大學(xué)材料學(xué)院柳林教授研究團隊利用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)計理念，即：通過協(xié)同調(diào)控孔洞以及熱影響區(qū)中的晶化相兩種缺陷，實現(xiàn)SLM非晶合金高強度、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)國家重點實驗室。

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；(c) 孔隙率和晶化分?jǐn)?shù)隨能量密度的變化趨勢；(d) SLM 3D打印樣品的明場像照片（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。

作者以Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金為對象，研究了SLM制備過程中工藝參數(shù)對微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。通過調(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。基于調(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化效應(yīng)，實現(xiàn)高強度、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（>2.8%），SLM成形樣品的壓縮塑性提高，當(dāng)孔隙率為17.4%時，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，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，斷裂韌性值最大，約為45 MPa m1/2。

本研究創(chuàng)新地通過調(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3D打印非晶合金塑韌化提供了可行的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計策略。

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