非晶合金的增材制造研究

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非晶合金(大块金属玻璃)由于其优越的特殊性能而受到关注,例如低摩擦系数,高强度,较好的弯曲延展性,高弹性模量,高显微硬度,高耐腐蚀性,高抗氧化性,高耐磨性等。但是,由于制造和二次加工的困难,使其难以在工业中大规模应用。而随着增材制造工艺的成熟,将其应用于非晶合金的生产制造有望解决这些难题。一方面,在增材制造过程中“逐层”制造可获得相对较高的冷却速率,这使得可以突破非晶合金由于结晶问题带来的尺寸限制;另一方面,可以解决复杂非晶结构难以加工的问题。本文通过激光选区熔化技术,在316L不锈钢基板上制备了块体的铁基非晶合金。激光选区熔化增材制造铁基块体非晶成形一直存在较大困难,经研究发现其主要取决于其体能量密度。当体能量密度低于35.1J/mm~3时,能够获得较好成形的块体非晶,但是致密度随着体能量密度的减小而降低,在获得较好成形的前提条件下可以获得致密度95%以上的非晶块体样品。扫描策略对于裂纹以及微观的组织形貌有较大的影响,经对比研究发现,采用非岛状斜转90°的长线扫描可以有效减少裂纹数量,除此以外,长线扫描还有利于减小激光停留时间,从而一定程度上减小热影响区域的尺寸,减少结晶。结晶区域经过腐蚀后为多孔结构,整体呈富Fe区域,经过不同重熔的结晶区呈现结构的差异性。通过XRD和DSC对不同参数样品的非晶率进行分析。发现非晶率也主要与体能量密度相关,随着体能量密度的增加而减小。当体能量密度不高于35.1J/mm~3时,样品能够维持较高的非晶率,最高非晶率达到了95.47%。进一步的热分析发现,该成分非晶的结晶主要分为3个阶段,这三个阶段的结晶产物分别为α-Fe相、M23(CB)6相、其他碳化物及未知的复杂相。而在激光选区熔化过程中,前两个阶段为主要的结晶过程,即α-Fe相和M23(CB)6相为主要的结晶产物。Tem结果表明存在的少量Fe3B相为M23(CB)6的过渡结构。其中,α-Fe相为初生的结晶相,而M23(CB)6相因为α-Fe相析出导致元素的偏析(C、B元素的聚集)而产生的次生相。在激光选区熔化快速冷却条件下难以形成其他的稳定碳化物和复杂相。最后,完成了非晶样品的力学性能分析和非晶结构降解性能的初步探索研究。显微硬度和样品的致密度和非晶率都有一定的关系,最高显微硬度达到了1530HV。纳米压痕试验表明在较低的加载速率下打印样品有着典型的非晶合金锯齿流变现象,纳米压痕硬度有着明显区域性分布的特征,软化区域主要出现在热影响区。为了拓展铁基非晶合金作为功能材料的应用,本文利用激光选区熔化制备了具有较大表面积的复杂结构铁基非晶样品,并对其进行脱合金化后的降解性能测试,初步结果表明对偶氮染料有很好的降解作用。
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