激光增材制造锆基金属玻璃的致密化、工艺调控及机械性能

来源： 增材制造硕博联盟

块状金属玻璃BMG以其优异的机械性能而著称，这些性能有望提升多个领域中机械和功能系统的性能和效率。尽管块状金属玻璃BMG的潜力巨大，但其商业化应用仍受限于传统制造工艺所能生产的小尺寸部件。传统方法难以实现制造BMG所需的高冷却速率（10-106 K/s），这一速率是形成无定形结构的关键。增材制造技术，特别是粉末床融合（LPBF）和定向能量沉积，以其能提供所需冷却速率而受到关注。这些技术的快速发展使得生产大尺寸、复杂形状的BMG部件成为可能，打破了玻璃成型器的限制，为BMG的商业化应用开辟了新道路。

然而，如何通过增材制造技术控制加工参数以制备具有理想机械性能（即致密、完全无定形）的块状金属玻璃BMG仍然是一个挑战。新南威尔士大学的杰米·克鲁齐奇教授带领的研究团队联合悉尼大学深入研究了LPBF制造BMG的加工工艺-微观组织-性能关系，研究了块状金属玻璃BMG的制造技术和应用前景。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

团队研究了两种不同粉末（一种较粗且含氧量低，另一种较细且含氧量高）在不同激光功率和扫描速度下的表现，旨在理解和控制BMG的玻璃结构和机械性能。研究结果显示，存在一个较大的工艺加工窗口，可为特定成分（Zr59.3Cu28.8Nb1.5Al10.4）的块状金属玻璃BMG制造出高致密度和完全非晶结构（经X射线衍射确认）。在此工艺窗口中，可获得不同的BMG玻璃结构和机械性能，包括显微硬度、屈服强度和塑性应变。

图1. （a）粒径10-45 μm 的 AMZ4-F BMG 粉末的SEM图像（b）粒径25-63 μm的AMZ4-C BMG粉末的SEM图像（c）铁基板上的打印方块试样，以及（d）一个方块里的四个压缩试验试样示意图

图2. AMZ4-C 粉末LPBF在不同工艺参数下的 XRD 无定形性和相对密度（%）

图3. AMZ4-C粉末LPBF在不同扫描速度和激光功率下制备的BMG样品的抛光表面（平行于打印方向）上气孔和未熔合缺陷，使用 DSC 和压缩测试进一步分析了其中8个蓝框区域

图4.（a）全XRD无定形样品（200 W; 4000 mm/s）和（b）使用AMZ4-F粉末制备的无定形样品（250 W; 2500 mm/s）的HAZ的BSE-SEM反向散射图像。（c）和（d）分别显示了（a）和（b）中矩形所指示区域的较高放大倍率图像

研究结果表明，通过在较宽的加工窗口中调整LPBF工艺参数，可以定制块状金属玻璃BMG的微观结构和机械性能，为这一材料在工业中的广泛应用提供了重要的技术基础。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

图5. LPBF制造的BMG样品的显微硬度图（0.6mm×0.6mm）以及相应的扫描速度和激光功率

图6. 本研究中获得的LPBF AMZ4-C样品的力学性能与LPBF BMG的其他报告的比较

相关研究成果以题为 “Superior mechanical properties of a Zr-based bulk  metallic glass via laser powder bed fusion process control” 发表在国际顶刊《Acta Materialia》上。