激光增材制造锆基块体非晶合金的成形机制与组织性能研究

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块体非晶合金具有比相同成分的晶态合金更加优异的物理、化学及力学性能,这使得非晶合金材料广泛应用在航空航天、汽车工业、光学元件、生物医学等领域。目前采用传统技术制备块体非晶合金时,由于存在临界冷却速度和尺寸的限制,从而会制约其作为结构材料和功能材料的广泛应用。激光增材制造技术结合了激光快速加热、快速冷却的特点和增材制造设计自由、材料利用率高及制备复杂结构能力的特点,为突破块体非晶合金尺寸受限提供了一种潜在的途径。本文采用激光增材制造技术,基于点-线-面-体成形模型,研究了块体非晶合金一体化成形机理,并在此基础上探索了大尺寸块体非晶合金的力学性能。论文基于点-线-面-体成形模型,利用ABAQUS数值模拟方法,研究了激光增材制造块体非晶合金的成形过程中不同微区(熔池区、重熔区和热影响区)的热历史发展。发现由于不同微区在不同的熔池累加重叠方式下,受到的热历史不同,导致冷却速度和晶化趋势不同;在数值模拟脉冲激光和连续激光增材制造块体非晶合金成形过程中,不同微区的冷却速度都远远超过非晶合金成形需要的临界冷却速度,因此采用激光增材制造技术理论上可以实现不受尺寸限制的块体非晶的成形。采用了递进式块体非晶合金成形研究方法,分别研究了非晶微区的原位成形,温度干涉区的非晶合金成形,块体非晶合金的成形。发现单熔池的非晶成形是块体非晶合金成形最重要的因素;温度干涉区包括重熔区和热影响区,由于受到重熔效应和结构弛豫的影响,会出现不同程度的晶化现象;制备的块体非晶合金厚度为1.6 mm,非晶率随着沉积层数的增加而增加,并且块体非晶合金呈现优异的耐腐蚀性能与微纳力学性能。利用激光增材制造技术制备了非晶率达82.5%的锆基块体非晶合金,结合ABAQUS数值模拟研究,发现采用基材为纯锆板,原材料为非晶态粉末时,制备的块体非晶合金熔池区可以形成完全非晶状态;重熔区受到重熔效应的影响,出现了少量的晶化,组织由非晶基体与少量纳米晶Al5Ni3Zr2复合组成;热影响区在成形过程中经历了至少四次有效热循环,出现了严重的晶化现象,组织由非晶基体、树枝晶Cu Zr和大量的纳米晶Al5Ni3Zr2组成。明晰了激光加工工艺与激光扫描策略对块体非晶合金成形的影响规律。在不同激光工艺参数和激光扫描策略条件下,制备的块体非晶合金接近完全非晶状态;当激光能量较低(40 W/60 W)时,沉积层的致密度较低;优化后的激光加工参数是激光能量为100 W,激光扫描速度为2500 mm/s,层间旋转角度为67°,块体非晶合金致密度最大,组织最均匀,而且表现出优异的微纳力学性能。实现了接近完全非晶状态、尺寸为15 mm×15 mm×10 mm的Zr50Ti5Cu27Ni10Al8大块非晶合金的激光增材制造。不同制造方向的室温拉伸测试结果表明,水平方向非晶合金的平均抗拉强度仅为467 MPa,这可能是由于材料中存在少量的成形缺陷导致的,其拉伸断裂方式为正应力断裂,无塑性变形,拉伸断口形貌包括河流状花样和解理台阶。不同制造方向的室温压缩测试结果表明,两个方向的平均抗压强度可以达到1465 MPa,其压缩断裂方式为剪切断裂,呈现少量的塑性变形,压缩断口形貌包括脉状花样、韧窝花样和解理台阶。
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