大连交通大学：激光3D打印大块非晶合金

【引言】

非晶合金又称金属玻璃，由于其原子排列长程无序、短程有序的特点，其在物理、化学以及力学性能上都呈现出一系列传统晶体合金所不具备的优异特性，这使其在轨道交通、航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器等领域都存在广泛的应用前景。然而，处于亚稳态的非晶合金需要在较快的冷却速率下才能获得，而目前通常采用的铜模铸造法只能制备出临界尺寸较小的非晶合金。另外，由于块体非晶合金存在严重的室温脆性问题，其在室温下难以进行机械加工。复杂形状构件的模具无法或很难加工制造，导致难以获得精密复杂的非晶合金构件，这成为制约非晶合金应用的另一个瓶颈。因此，如何突破非晶合金临界的尺寸限制和复杂构件的制备加工是扩展其在相关领域应用的关键。

图1 非晶合金的优异性能

近年来，激光3D打印技术的迅猛发展为解决上述难题提供了契机。激光3D打印技术属于快速成形技术的一种，与传统的切削等机械加工技术不同，激光3D打印技术是一种以数字模型文件为基础的“增材制造”技术，是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本的先进制造技术。由于激光3D打印技术是一种逐点离散熔覆沉积的成型方法，其每点的所受激光加热面积较小，熔池的热量可以迅速向基体扩散，使得激光熔池的冷却速率远大于非晶合金的临界冷却速率，使得熔池在冷凝的过程中可以避免发生晶化，进而获得非晶态，这为无尺寸限制地制备非晶合金提供可能。另外，激光3D打印是以金属粉末为原材料，通过高能激光束对金属粉末逐层熔化堆积，直接由数字模型一步完成全致密、高性能、复杂金属零件的“近终成形”制造，这为制备复杂的非晶合金构提供理想的手段。

因此，针对目前非晶合金所面临的尺寸较小和难以制备加工复杂构件的问题，激光3D打印技术是最有可能解决上述问题，并实现非晶合金大规模应用的技术。

图2 激光3D打印技术制备非晶合金的优势

【成果简介】

最近，大连交通大学的吕云卓副教授等人与哈尔滨工业大学和英国伯明翰大学的研究人员合作，利用同轴送粉激光3D打印技术，通过有限元模拟的方法优化最佳工艺参数，成功制备出非晶含量超过90%的大尺寸Zr基非晶合金。更为重要的是，成型的非晶合金沿着打印方向具有梯度结构，这为非晶合金作为梯度材料在功能领域的应用提供可能，扩大了非晶合金的使用范围。研究发现，该非晶合金的梯度结构是由于在同轴送粉激光3D打印过程中不同打印层所经历的不同热历史所引起的不同程度的晶化导致。

图3激光3D打印Zr基非晶合金的材料及装置示意图

图4 有限元模拟激光3D打印Zr基非晶合金参数优化

图5 激光3D打印Zr基非晶合金的宏观形貌及微观梯度结构

【小结】

研究人员利用同轴送粉激光3D打印技术，通过有限元模拟的方法优化最佳工艺参数，成功制备出大尺寸、非晶含量较高、且具有梯度结构的Zr基非晶合金。本研究成果不仅提供了一种制备大尺寸具有复杂形状的非晶合金的新方法，也为促进高性能非晶合金在工程和功能领域的大规模应用奠定了基础。该研究结果得到了国家自然科学基金（51671042, 51671043，51401041）、辽宁省教育厅重点实验室基础研究项目（LZ2015011）的资助。

相关研究成果发表在：

[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).