大連交通大學：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、化學以及力學性能上都呈現出一系列傳統(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、精密儀器等領域都存在廣泛的應用前景。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重的室溫脆性問題，其在室溫下難以進行機械加工。復雜形狀構件的模具無法或很難加工制造，導致難以獲得精密復雜的非晶合金構件，這成為制約非晶合金應用的另一個瓶頸。因此，如何突破非晶合金臨界的尺寸限制和復雜構件的制備加工是擴展其在相關領域應用的關鍵。

圖1 非晶合金的優(yōu)異性能

近年來，激光3D打印技術的迅猛發(fā)展為解決上述難題提供了契機。激光3D打印技術屬于快速成形技術的一種，與傳統(tǒng)的切削等機械加工技術不同，激光3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎的“增材制造”技術，是一種具有“變革性”意義的數字化、短周期、低成本的先進制造技術。由于激光3D打印技術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，直接由數字模型一步完成全致密、高性能、復雜金屬零件的“近終成形”制造，這為制備復雜的非晶合金構提供理想的手段。

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雜構件的問題，激光3D打印技術是最有可能解決上述問題，并實現非晶合金大規(guī)模應用的技術。

圖2 激光3D打印技術制備非晶合金的優(yōu)勢

【成果簡介】

最近，大連交通大學的呂云卓副教授等人與哈爾濱工業(yè)大學和英國伯明翰大學的研究人員合作，利用同軸送粉激光3D打印技術，通過有限元模擬的方法優(yōu)化最佳工藝參數，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構，這為非晶合金作為梯度材料在功能領域的應用提供可能，擴大了非晶合金的使用范圍。研究發(fā)現，該非晶合金的梯度結構是由于在同軸送粉激光3D打印過程中不同打印層所經歷的不同熱歷史所引起的不同程度的晶化導致。

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構

【小結】

研究人員利用同軸送粉激光3D打印技術，通過有限元模擬的方法優(yōu)化最佳工藝參數，成功制備出大尺寸、非晶含量較高、且具有梯度結構的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域的大規(guī)模應用奠定了基礎。該研究結果得到了國家自然科學基金（51671042, 51671043，51401041）、遼寧省教育廳重點實驗室基礎研究項目（LZ2015011）的資助。

相關研究成果發(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).