激光增材制造鋯基金屬玻璃的致密化,、工藝調控及機械性能

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

塊狀金屬玻璃BMG以其優(yōu)異的機械性能而著稱,，這些性能有望提升多個領域中機械和功能系統(tǒng)的性能和效率,。盡管塊狀金屬玻璃BMG的潛力巨大,，但其商業(yè)化應用仍受限于傳統(tǒng)制造工藝所能生產(chǎn)的小尺寸部件,。傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)制造BMG所需的高冷卻速率（10-106 K/s）,，這一速率是形成無定形結構的關鍵,。增材制造技術，特別是粉末床融合（LPBF）和定向能量沉積,，以其能提供所需冷卻速率而受到關注,。這些技術的快速發(fā)展使得生產(chǎn)大尺寸、復雜形狀的BMG部件成為可能,，打破了玻璃成型器的限制,，為BMG的商業(yè)化應用開辟了新道路。

然而,，如何通過增材制造技術控制加工參數(shù)以制備具有理想機械性能（即致密,、完全無定形）的塊狀金屬玻璃BMG仍然是一個挑戰(zhàn)。新南威爾士大學的杰米·克魯齊奇教授帶領的研究團隊聯(lián)合悉尼大學深入研究了LPBF制造BMG的加工工藝-微觀組織-性能關系,，研究了塊狀金屬玻璃BMG的制造技術和應用前景,。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料,，聚焦增材制造研究與工程應用,！

團隊研究了兩種不同粉末（一種較粗且含氧量低，另一種較細且含氧量高）在不同激光功率和掃描速度下的表現(xiàn),，旨在理解和控制BMG的玻璃結構和機械性能,。研究結果顯示，存在一個較大的工藝加工窗口,，可為特定成分（Zr59.3Cu28.8Nb1.5Al10.4）的塊狀金屬玻璃BMG制造出高致密度和完全非晶結構（經(jīng)X射線衍射確認）,。在此工藝窗口中，可獲得不同的BMG玻璃結構和機械性能,，包括顯微硬度,、屈服強度和塑性應變。

圖1. （a）粒徑10-45 μm 的 AMZ4-F BMG 粉末的SEM圖像（b）粒徑25-63 μm的AMZ4-C BMG粉末的SEM圖像（c）鐵基板上的打印方塊試樣,，以及（d）一個方塊里的四個壓縮試驗試樣示意圖

圖2. AMZ4-C 粉末LPBF在不同工藝參數(shù)下的 XRD 無定形性和相對密度（%）

圖3. AMZ4-C粉末LPBF在不同掃描速度和激光功率下制備的BMG樣品的拋光表面（平行于打印方向）上氣孔和未熔合缺陷,，使用 DSC 和壓縮測試進一步分析了其中8個藍框區(qū)域

圖4.（a）全XRD無定形樣品（200 W; 4000 mm/s）和（b）使用AMZ4-F粉末制備的無定形樣品（250 W; 2500 mm/s）的HAZ的BSE-SEM反向散射圖像。（c）和（d）分別顯示了（a）和（b）中矩形所指示區(qū)域的較高放大倍率圖像

研究結果表明,，通過在較寬的加工窗口中調整LPBF工藝參數(shù),，可以定制塊狀金屬玻璃BMG的微觀結構和機械性能，為這一材料在工業(yè)中的廣泛應用提供了重要的技術基礎。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟,，免費獲取海量增材資料,，聚焦增材制造研究與工程應用！

圖5. LPBF制造的BMG樣品的顯微硬度圖（0.6mm×0.6mm）以及相應的掃描速度和激光功率

圖6. 本研究中獲得的LPBF AMZ4-C樣品的力學性能與LPBF BMG的其他報告的比較

相關研究成果以題為 “Superior mechanical properties of a Zr-based bulk  metallic glass via laser powder bed fusion process control” 發(fā)表在國際頂刊《Acta Materialia》上,。