华中科大柳林团队：协同缺陷工程塑韧化3D打印非晶合金

来源：Materials Research Letters

块体非晶合金（BMG）因其长程无序的原子排布特点，展现出高强度、高弹性极限、软磁性能、优异的耐磨耐蚀性能。然而传统铸造技术制备的非晶合金尺寸小、形状受限, 这极大地制约了非晶合金的发展与应用。近些年来兴起的3D打印技术，得益于其逐层加工的特点，可成形任意复杂形状的零件，这为解决非晶合金成形问题提供了新思路。然而，目前激光3D打印技术（尤其是选区激光熔化-SLM）制备的非晶合金中普遍存在孔洞与脆性晶化相等缺陷，导致成形件强度低、塑韧性差。如何解决这一问题是能否实现非晶合金实际应用的关键。

近日，华中科技大学材料学院柳林教授研究团队利用SLM 3D打印制备出Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金，并提出“协同缺陷工程”的设计理念，即：通过协同调控孔洞以及热影响区中的晶化相两种缺陷，实现SLM非晶合金高强度、高塑性以及断裂韧性的良好结合。相关工作以题为“Toughening 3D-printed Zr-based bulk metallic glass via synergistic defects engineering”的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文第一作者为博士研究生张鹏程，通讯作者为张诚副教授和柳林教授，通讯单位为华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室。

图1. (a-b) 不同能量密度下SLM 3D打印Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金样品及粉末的XRD和DSC曲线；(c) 孔隙率和晶化分数随能量密度的变化趋势；(d) SLM 3D打印样品的明场像照片（晶化分数为7.03%），其中插图分别为S1和S2区域的选区电子衍射照片；(e) 不同孔隙率样品的SEM照片。

图2. 不同孔隙率及晶化分数下SLM 3D打印Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金样品的力学性能 (a) 压缩真应力-应变曲线；(b) 断裂韧性。

作者以Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金为对象，研究了SLM制备过程中工艺参数对微观结构和力学性能的影响。通过调整工艺参数，可以制备得到孔隙率在0.67%至17.4%之间，晶化分数在4.03%至23.37%之间的一系列样品。基于调控孔隙率和晶化分数的“缺陷工程”，利用微孔洞诱发剪切带萌生的增塑作用和热影响区中析出的纳米晶化相的强化效应，实现高强度、高塑性以及高断裂韧性的良好结合。研究发现：当晶化分数较低（<5%），且孔隙率较高时（>2.8%），SLM成形样品的压缩塑性提高，当孔隙率为17.4%时，压缩塑性可以达到6%；当晶化分数和孔隙率处在中等水平时，SLM成形样品的断裂韧性提升，当孔隙率为2.87%，晶化分数为7.03%时，断裂韧性值最大，约为45 MPa m1/2。

本研究创新地通过调控3D打印非晶合金中孔洞以及晶化相两种缺陷的比例，从而提高了相应样品的力学性能，为未来3D打印非晶合金塑韧化提供了可行的微观结构设计策略。

参考文献：Pengcheng Zhang, Cheng Zhang & Lin Liu（2022）Toughening 3D-printed Zr-based bulk metallic glass via synergistic defects engineering, Materials Research Letters, 10:6, 377-384.

原文链接：ttps://doi.org/10.1080/21663831.2022.2054291)