Fe基非晶合金-金属复合材料的激光3D打印

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非晶合金是上世纪中叶发展起来的一种新型金属材料,因其具有长程无序的原子结构而拥有一系列优异性能,被认为是21世纪最重要的工程材料之一。然而,非晶合金在室温下难以成形加工是制约这类材料工程应用的瓶颈。发展新的成形技术是非晶合金未来发展与应用的关键。近年来发展起来的激光选区熔化(SLM)3D打印技术有望解决非晶合金的成形难题。由于非晶合金具有与晶态材料完全不同的原子结构,激光3D打印中的缺陷产生与抑制、组织结构演变及力学性能等诸多科学问题尚不清晰。基于上述背景,本研究选择高强度、但本征脆性的Fe43.7Co7.3Cr14.7Mo12.6C15.5B4.3Y1.9(at.%,断裂韧性2.2MPa m1/2)非晶合金作为研究对象,系统开展了以下研究:  首先,对Fe43.7Co7.3Cr14.7Mo12.6C15.5B4.3Y1.9非晶合金进行了不同工艺参数下的激光3D打印。结果发现,样品中存在大量微裂纹且难以采用工艺调控的方式消除。为了探索这种微裂纹产生的微观机制并提出有效的抑制办法。本研究采用了有限元模拟的方法,发现在SLM成形过程中,缺陷(如孔洞)周围的应力集中高达4.1GPa,高于Fe基非晶合金的断裂强度,从而诱发了微裂纹。为了抑制微裂纹的产生,我们选择了Cu及CuNi合金作为第二相。扫描电子显微镜(SEM)分析表明,混合20%质量分数的Cu的打印样品出现微裂纹,但在混合50%质量分数的Cu和CuNi粉末后裂纹完全消除。DTA结果表明SLM成形的合金仍然具有高的非晶含量。为了进一步探索第二相抑制微裂纹的机理,本研究采用透射电子显微镜(TEM)对非晶基体与Cu的界面结合处进行了分析,结果发现在第二相Cu的晶粒中存在高密度位错,这表明在激光3D打印中,Cu通过塑性变形释放了大量热应力,避免了微裂纹的产生。随后对所制备的样品进行了力学测试,发现其断裂韧性高达47MPa m1/2,相比纯Fe基非晶合金提高了近20倍。  Fe基非晶合金的高强度(?3GPa),亦可用于软基金属材料的强化。基于20世纪90年代大块非晶合金的开发的情况下提出的高熵合金,具有一些传统合金所无法比拟的优异性能,如高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性、高热阻、高电阻等,从而在材料科学和凝聚态物理领域中成为继大块非晶之后一个新的研究热点。其中具有面心立方结构的高熵合金Fe20Co20Cr20Ni20Mn20具有大的拉伸塑性,但其强度较低(屈服强度约350MPa)。若将Fe基非晶作为增强相混入高熵合金中,采用激光3D打印技术将可能制备出具有高强高韧性的高熵-非晶合金复合材料。但在激光作用下,非晶合金与高熵合金之间究竟如何作用,打印出的复合材料性能如何,尚缺乏系统研究。本研究对Fe43.7Co7.3Cr14.7Mo12.6C15.5B4.3Y1.9非晶合金与Fe20Co20Cr20Ni20Mn20高熵合金的复合粉末进行了SLM成形,TEM结果发现,非晶相呈条带状分布在高熵基体中,高熵-非晶相界面清晰,两相间并没有发生反应。准静态压缩结果表明,添加Fe基非晶合金后,复合材料的强度升高,塑性降低。且当Fe基非晶合金的质量分数为5%~10%时,高熵-非晶合金复合材料的断裂强度高于1GPa,断裂韧性高于100MPa m1/2,表现出极好的工程应用前景。  本文以Fe43.7Co7.3Cr14.7Mo12.6C15.5B4.3Y1.9为研究对象,揭示了3D打印Fe基非晶的缺陷产生机理,通过复合第二相的方式有效的抑制了打印中微裂纹的产生,并通过改变第二相种类及含量的方式对打印件的力学性能进行了调控。同时,将Fe基非晶作为增强相增强Fe20Co20Cr20Ni20Mn20高熵合金,制备出了高强高韧的高熵-非晶合金复合材料。本结果不仅突破了大尺寸、形状复杂非晶合金-金属复合材料的成形制造瓶颈,且揭示了其中涉及的诸多科学问题。这对促进非晶合金及高熵合金的工程应用具有重要意义。
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