中國礦大《JMST》綜述：增材制造金屬玻璃和高熵合金

第一作者：劉海順
通訊作者：楊衛(wèi)明 張來昌
通訊單位：中國礦業(yè)大學 埃迪斯科文大學

本文全面評述了過去20年來金屬玻璃和高熵合金增材制造領域的發(fā)展現狀,。這樣系統(tǒng)和全面的評述對今后的工作是重要和必要的,。尤其令人印象深刻的是,，論文中總結了許多金屬玻璃與高熵合金性質,、制備過程及發(fā)展方向等方面的漂亮表格,，這對后續(xù)研究者非常有用。

全文速覽
文章系統(tǒng)全面綜述了金屬玻璃和高熵合金增材制造的歷史,、現狀與前景,，包括傳統(tǒng)制造遇到的困難及金屬玻璃和高熵合金增材制造的優(yōu)勢，討論了增材制造金屬玻璃和高熵合金的體系,、缺陷,、孔隙、密度及力學,、磁學,、催化等各種性能的最新研究進展，總結了性能提升的各種措施,，并就目前遇到的問題挑戰(zhàn)提出解決方案,、指出了未來的方向。

研究背景
金屬玻璃和高熵合金是近年來引起廣泛關注的兩種代表性新型合金,，他們都是多組元金屬材料,，具有有趣的微觀結構,，表現出優(yōu)異的機械性能（如超高強度和硬度、高耐磨性,、高彈性極限）及高的耐腐蝕性能,、先進的催化性能、生物相容性及出色的磁學性能,；它們通常可利用液體凝固（例如,，鑄造,、熔體紡絲）制造，但在大尺寸和復雜幾何形狀部件的制造方面遇到了瓶頸,。

作為新興的簡便且可定制的制造技術,，增材制造以分層方式進行制造，材料浪費少,、靈活性高,，且無需模具即可制造高度復雜的幾何形狀，又能克服臨界尺寸的限制,，廣泛應用于電子,、航空航天、機器人,、醫(yī)藥等眾多領域,。增材制造中，原料的熔化和隨后的凝固被限制在高能束掃描引起的微小區(qū)域中（通常為幾十微米）,，冷卻速率可達103–108K/s,，極高的選區(qū)融化冷卻速率利于完全非晶態(tài)金屬玻璃的形成，也可以通過限制擴散提高高熵合金的化學均勻性,；增材制造還可用于調控金屬部件的微觀結構,。金屬玻璃和高熵合金增材制造的探索方興未艾。

研究出發(fā)點

① 全面,、系統(tǒng),、及時、綜合總結與概括了關于金屬玻璃及高熵合金增材制造的歷史,、現狀,、存在問題與未來研究方向，如圖1所示,。

② 比較歸納了適合金屬玻璃及高熵合金的各種增材制造技術,，包括激光選區(qū)融化、電子束熔化,、直接能量沉積等,。

③ 總結歸納了增材制造金屬玻璃及高熵合金的微觀結構及其力學,、磁學、催化等性能提升的策略與途徑,。

④ 就金屬玻璃及高熵合金增材制造探索中遇到的問題與挑戰(zhàn),，歸納提出了解決方案，展望了未來方向,。


圖文解析

圖2為2005年以來與MG/HEA和AM相關的論文數量,，近年來出現了爆炸式增長。

圖3為增材制造的金屬玻璃體系及其占比,，占主導地位的為鋯基與鐵基金屬玻璃,，鈦基、鋁基,、銅基等金屬玻璃也有探索,，研究領域有待進一步擴展。

表1-2為激光選區(qū)融化制造金屬玻璃和高熵合金的參數,，不同的制造參數會導致不同微觀結構與不同性能的出現,，裂紋、晶化,、孔洞等現象的出現與制造參數緊密相關,，需要優(yōu)化參數以提升力學、磁學及催化等性能與打印質量,。

表1 激光選區(qū)融化制造金屬玻璃的參數

表2 激光選區(qū)融化制造高熵合金的參數

總結與展望
金屬玻璃和高熵合金增材制造中制造參數的變化會導致不同微觀結構與性能的出現,，可通過參數優(yōu)化、掃描策略優(yōu)化,、引入新相,、熱處理、重熔,、預熱等方式提升打印質量,。目前亟需解決的問題和未來研究方向包括：缺陷的產生與消除、裂紋的產生,、消除及熱應力的影響,、晶化與相變、氧化的緩解與化學均勻性,、新的適合增材制造的合金粉末的開發(fā),、過程-結構-性能關系的建立、實驗與多尺度模擬的結合,、高通量制造,、機器學習與人工智能的引入、增材制造金屬玻璃及高熵合金應用的拓展等。

作者介紹

第一作者
劉海順,，博士/二級教授,，江蘇省“333 工程”培養(yǎng)對象，中國礦業(yè)大學首屆學術委員會委員,、青年學術帶頭人,、優(yōu)秀教學團隊帶頭人、一級學科主任,，中國材料與試驗標準委員會委員,，高等學校物理學類力學研究會理事，悉尼大學,、明尼蘇達大學,、南京大學訪問學者。主要從事非晶及納米晶合金,、增材制造及應力場磁性檢測等的研究工作,，出版專著教材5部,，在Add. Manuf.,、J. Mater. Sci. Tech.、學科教育等重要期刊發(fā)表SCI論文80余篇,、教研論文20余篇,；授權發(fā)明專利10余項；主持國家重點研發(fā)計劃課題,、國家自然科學基金面上項目等科研項目10余項,，獲中國煤炭工業(yè)科學技術、全國安全生產科技成果,、全國煤炭教育優(yōu)秀成果等一等獎勵10余項,；國家自然科學基金委、科技部,、國務院學位辦,、江蘇省科技廳、波蘭自然科學基金委評審專家,。

通訊作者
楊衛(wèi)明,，中國礦業(yè)大學 教授/博士生導師，力學與工程科學系主任,，青年學術帶頭人,、“啟航計劃”培養(yǎng)對象，入選江蘇省青年科技人才托舉工程,。主要從事深部地下空間開發(fā)關鍵材料,、亞穩(wěn)金屬材料強韌機理、3D打印殘余應力調控與裂紋抑制等方面的研究工作,。在Add. Manuf.,、J. Mater. Sci. Technol.等期刊發(fā)表SCI論文50余篇,，出版教材/專著3部，被引1400多次,；授權發(fā)明專利15項,；主持國家自然科學基金面上項目、國家重點研發(fā)項目子課題,、國家自然科學基金青年基金,、中國博士后特別資助等項目10余項；擔任全國磁性材料與器件專家委員會常務委員,、江蘇省力學學會固體力學委員會委員,，國家自然科學基金通訊評審專家、波蘭自然科學基金國際評審專家,。獲江蘇省優(yōu)秀博士論文,、新疆自治區(qū)自然科學二等獎、徐州市自然科學論文一等獎等獎勵,。

張來昌,，澳大利亞伊迪斯科文大學終身教授、機械工程學科負責人及先進材料與制造中心主任,、德國“洪堡”學者,，2020-2022連續(xù)三年入選全球2%頂尖科學家。張教授于2005年畢業(yè)中國科學院金屬研究所并獲得博士學位,，先后就職于德國達姆斯塔特工業(yè)大學和萊布尼茨固體材料研究所,、澳大利亞伍倫貢大學大學、西澳大利亞大學和伊迪斯科文大學,。張來昌教授長期從事新型材料的制備,、結構和性能，尤其是新型鈦合金的制備工藝和性能的研究,，主要包括：金屬增材制造及其工程應用,、生物醫(yī)用鈦合金、亞穩(wěn)態(tài)合金的制備和性能,。迄今為止,，已出版英文專著2本、書籍章節(jié)21章,，在Progress in Materials Science, Materials Science Engineering R: Reports, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Applied Catalysis B: Environmental, Acta Materialia, Additive Manufacturing, Composites B: Engineering, Corrosion Science等國際著名學術期刊發(fā)表論文320余篇,，論文被引用1.9萬余次，H指數76（谷歌學術數據）,。其部分研究成果已經在澳大利亞廣播電視臺（ABC）新聞頻道全球直播采訪,、澳大利亞《訪談》（The Conversation）采訪報道、中央電視臺（CCTV-4）、新華社和《科技日報》等知名媒體報道�,，F擔任International Journal of Extreme Manufacturing,、Advanced Engineering Materials、《金屬學報-英文版》等十余種SCI期刊的編輯或者編委,。

課題組介紹：
中國礦業(yè)大學先進結構與功能材料力學課題組現有教授3人,，副教授1人，講師2人,，碩,、博研究生20余人。主要開展亞穩(wěn)金屬材料力學物理化學性能,、3D打印及深部地下空間開發(fā)關鍵材料等方面的研究工作,。課題組在Add. Manuf.、Corros. Sci.,、Mater. Des.等重要學術期刊發(fā)表SCI論文100余篇,，授權發(fā)明專利近20項，承擔國家重點研發(fā)計劃課題,、國家自然科學基金面上項目,、973計劃子課題、國家自然科學基金重點項目課題等課題20余項,，科研經費1000余萬,。課題組及所在平臺擁有完備的樣品制備,、測試與表征及模擬計算設備,，如高真空電弧熔煉爐、高真空感應熔煉/快淬設備,、高真空吸鑄設備,、真空熱處理爐、真空縱/橫磁場熱處理爐,、金屬3D打印機等樣品制備設備,；及高溫差示掃描量熱儀、交/直流磁滯回線測量儀,、動態(tài)機械分析儀,、振動樣品磁強計、電化學工作站,、萬能試驗機,、顯微硬度計、X射線衍射儀,、場發(fā)射掃描電子顯微鏡,、高分辨透射電子顯微鏡等性能測試與結構表征設備。

課題組網址：https://amsmlab.cumt.edu.cn/index.htm

引用本文
H.S. Liu, D.F. Yang, Q Jiang, Y.Y. Jiang, W.M. Yang, L. Liu, L.C. Zhang, Additive manufacturing of metallic glasses and high-entropy alloys: Significance, unsettled issues, and future directions, J. Mater. Sci. Technol. 140 (2023) 79–120.