中国矿大《JMST》综述：增材制造金属玻璃和高熵合金

第一作者：刘海顺
通讯作者：杨卫明 张来昌
通讯单位：中国矿业大学 埃迪斯科文大学

本文全面评述了过去20年来金属玻璃和高熵合金增材制造领域的发展现状。这样系统和全面的评述对今后的工作是重要和必要的。尤其令人印象深刻的是，论文中总结了许多金属玻璃与高熵合金性质、制备过程及发展方向等方面的漂亮表格，这对后续研究者非常有用。

全文速览
文章系统全面综述了金属玻璃和高熵合金增材制造的历史、现状与前景，包括传统制造遇到的困难及金属玻璃和高熵合金增材制造的优势，讨论了增材制造金属玻璃和高熵合金的体系、缺陷、孔隙、密度及力学、磁学、催化等各种性能的最新研究进展，总结了性能提升的各种措施，并就目前遇到的问题挑战提出解决方案、指出了未来的方向。

研究背景
金属玻璃和高熵合金是近年来引起广泛关注的两种代表性新型合金，他们都是多组元金属材料，具有有趣的微观结构，表现出优异的机械性能（如超高强度和硬度、高耐磨性、高弹性极限）及高的耐腐蚀性能、先进的催化性能、生物相容性及出色的磁学性能；它们通常可利用液体凝固（例如，铸造、熔体纺丝）制造，但在大尺寸和复杂几何形状部件的制造方面遇到了瓶颈。

作为新兴的简便且可定制的制造技术，增材制造以分层方式进行制造，材料浪费少、灵活性高，且无需模具即可制造高度复杂的几何形状，又能克服临界尺寸的限制，广泛应用于电子、航空航天、机器人、医药等众多领域。增材制造中，原料的熔化和随后的凝固被限制在高能束扫描引起的微小区域中（通常为几十微米），冷却速率可达103–108K/s，极高的选区融化冷却速率利于完全非晶态金属玻璃的形成，也可以通过限制扩散提高高熵合金的化学均匀性；增材制造还可用于调控金属部件的微观结构。金属玻璃和高熵合金增材制造的探索方兴未艾。

研究出发点

① 全面、系统、及时、综合总结与概括了关于金属玻璃及高熵合金增材制造的历史、现状、存在问题与未来研究方向，如图1所示。

② 比较归纳了适合金属玻璃及高熵合金的各种增材制造技术，包括激光选区融化、电子束熔化、直接能量沉积等。

③ 总结归纳了增材制造金属玻璃及高熵合金的微观结构及其力学、磁学、催化等性能提升的策略与途径。

④ 就金属玻璃及高熵合金增材制造探索中遇到的问题与挑战，归纳提出了解决方案，展望了未来方向。


图文解析

图2为2005年以来与MG/HEA和AM相关的论文数量，近年来出现了爆炸式增长。

图3为增材制造的金属玻璃体系及其占比，占主导地位的为锆基与铁基金属玻璃，钛基、铝基、铜基等金属玻璃也有探索，研究领域有待进一步扩展。

表1-2为激光选区融化制造金属玻璃和高熵合金的参数，不同的制造参数会导致不同微观结构与不同性能的出现，裂纹、晶化、孔洞等现象的出现与制造参数紧密相关，需要优化参数以提升力学、磁学及催化等性能与打印质量。

表1 激光选区融化制造金属玻璃的参数

表2 激光选区融化制造高熵合金的参数

总结与展望
金属玻璃和高熵合金增材制造中制造参数的变化会导致不同微观结构与性能的出现，可通过参数优化、扫描策略优化、引入新相、热处理、重熔、预热等方式提升打印质量。目前亟需解决的问题和未来研究方向包括：缺陷的产生与消除、裂纹的产生、消除及热应力的影响、晶化与相变、氧化的缓解与化学均匀性、新的适合增材制造的合金粉末的开发、过程-结构-性能关系的建立、实验与多尺度模拟的结合、高通量制造、机器学习与人工智能的引入、增材制造金属玻璃及高熵合金应用的拓展等。

作者介绍

第一作者
刘海顺，博士/二级教授，江苏省“333 工程”培养对象，中国矿业大学首届学术委员会委员、青年学术带头人、优秀教学团队带头人、一级学科主任，中国材料与试验标准委员会委员，高等学校物理学类力学研究会理事，悉尼大学、明尼苏达大学、南京大学访问学者。主要从事非晶及纳米晶合金、增材制造及应力场磁性检测等的研究工作，出版专著教材5部，在Add. Manuf.、J. Mater. Sci. Tech.、学科教育等重要期刊发表SCI论文80余篇、教研论文20余篇；授权发明专利10余项；主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目等科研项目10余项，获中国煤炭工业科学技术、全国安全生产科技成果、全国煤炭教育优秀成果等一等奖励10余项；国家自然科学基金委、科技部、国务院学位办、江苏省科技厅、波兰自然科学基金委评审专家。

通讯作者
杨卫明，中国矿业大学 教授/博士生导师，力学与工程科学系主任，青年学术带头人、“启航计划”培养对象，入选江苏省青年科技人才托举工程。主要从事深部地下空间开发关键材料、亚稳金属材料强韧机理、3D打印残余应力调控与裂纹抑制等方面的研究工作。在Add. Manuf.、J. Mater. Sci. Technol.等期刊发表SCI论文50余篇，出版教材/专著3部，被引1400多次；授权发明专利15项；主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发项目子课题、国家自然科学基金青年基金、中国博士后特别资助等项目10余项；担任全国磁性材料与器件专家委员会常务委员、江苏省力学学会固体力学委员会委员，国家自然科学基金通讯评审专家、波兰自然科学基金国际评审专家。获江苏省优秀博士论文、新疆自治区自然科学二等奖、徐州市自然科学论文一等奖等奖励。

张来昌，澳大利亚伊迪斯科文大学终身教授、机械工程学科负责人及先进材料与制造中心主任、德国“洪堡”学者，2020-2022连续三年入选全球2%顶尖科学家。张教授于2005年毕业中国科学院金属研究所并获得博士学位，先后就职于德国达姆斯塔特工业大学和莱布尼茨固体材料研究所、澳大利亚伍伦贡大学大学、西澳大利亚大学和伊迪斯科文大学。张来昌教授长期从事新型材料的制备、结构和性能，尤其是新型钛合金的制备工艺和性能的研究，主要包括：金属增材制造及其工程应用、生物医用钛合金、亚稳态合金的制备和性能。迄今为止，已出版英文专著2本、书籍章节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等国际著名学术期刊发表论文320余篇，论文被引用1.9万余次，H指数76（谷歌学术数据）。其部分研究成果已经在澳大利亚广播电视台（ABC）新闻频道全球直播采访、澳大利亚《访谈》（The Conversation）采访报道、中央电视台（CCTV-4）、新华社和《科技日报》等知名媒体报道。现担任International Journal of Extreme Manufacturing、Advanced Engineering Materials、《金属学报-英文版》等十余种SCI期刊的编辑或者编委。

课题组介绍：
中国矿业大学先进结构与功能材料力学课题组现有教授3人，副教授1人，讲师2人，硕、博研究生20余人。主要开展亚稳金属材料力学物理化学性能、3D打印及深部地下空间开发关键材料等方面的研究工作。课题组在Add. Manuf.、Corros. Sci.、Mater. Des.等重要学术期刊发表SCI论文100余篇，授权发明专利近20项，承担国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、973计划子课题、国家自然科学基金重点项目课题等课题20余项，科研经费1000余万。课题组及所在平台拥有完备的样品制备、测试与表征及模拟计算设备，如高真空电弧熔炼炉、高真空感应熔炼/快淬设备、高真空吸铸设备、真空热处理炉、真空纵/横磁场热处理炉、金属3D打印机等样品制备设备；及高温差示扫描量热仪、交/直流磁滞回线测量仪、动态机械分析仪、振动样品磁强计、电化学工作站、万能试验机、显微硬度计、X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜等性能测试与结构表征设备。

课题组网址：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.