【摘 要】
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块体非晶合金是一种性能优异的新型金属材料,但受限于其临界尺寸,非晶合金在制备大尺寸及复杂形状零件方面一直存在瓶颈。近年来激光选区熔化（SLM）3D打印技术成为突破该限制的重要手段。其中Zr基非晶合金因其成形性好受到了研究者的广泛关注。然而,目前SLM成形Zr基非晶合金普遍存在着塑性和韧性差的问题。本研究的主要目的是提升SLM成形Zr基非晶合金的塑性和韧性,并探讨其增塑增韧机理。本论文遴选了四种典型
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目“激光选区熔化（SLM）3D打印非晶合金及其结构演变与性能调控”（编号:51531003）；
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块体非晶合金是一种性能优异的新型金属材料,但受限于其临界尺寸,非晶合金在制备大尺寸及复杂形状零件方面一直存在瓶颈。近年来激光选区熔化（SLM）3D打印技术成为突破该限制的重要手段。其中Zr基非晶合金因其成形性好受到了研究者的广泛关注。然而,目前SLM成形Zr基非晶合金普遍存在着塑性和韧性差的问题。本研究的主要目的是提升SLM成形Zr基非晶合金的塑性和韧性,并探讨其增塑增韧机理。本论文遴选了四种典型的Zr基非晶体系进行SLM成形,并系统研究其微观结构和力学性能。首先,以Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金为对象,研究了SLM成形过程中工艺参数对微观结构和力学性能的影响。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纳米晶化相的强化效应,实现高强度、高韧性的良好结合。研究发现,当晶化分数较低（＜5%）,且孔隙率较高时（＞2.8%）,SLM成形样品具有较高的压缩塑性;当晶化分数和孔隙率兼处在中等水平时,样品的断裂韧性得到提升。随后,以可原位析出韧性Ta颗粒的Zr57.4Cu16.4Ni8.2Al10Ta8非晶复合材料体系为对象,研究了SLM成形样品的微观结构和力学性能。SLM成形样品的断裂强度达1932 MPa,塑性应变为2.15%,断裂韧性值为60.8 MPa m1/2。SLM成形样品优异的力学性能归因于Ta颗粒对剪切带扩展的阻碍作用。SLM成形非晶合金时,热影响区中不可避免的脆性晶化相会降低其力学性能。为解决此问题,以Zr50Cu50体系为对象,通过SLM制备了热影响区中析出B2-Zr Cu韧性相强化的非晶复合材料,B2相在变形过程中会发生马氏体相变,起到增强增韧的作用。研究发现,该非晶复合材料在变形过程中表现出明显的加工硬化行为,断裂强度达1841 MPa,塑性应变达3.17%。为了提高非晶相和B2相的稳定性,在Zr50Cu50体系中添加了非晶相和B2相稳定化元素Al和Co,设计出Zr47.5Cu45.5Al5Co2非晶复合材料体系,并通过SLM技术制备得到含单一B2相的非晶复合材料。该体系在变形过程中同样呈现明显的加工硬化行为,且断裂强度达1851 MPa,塑性应变为4.65%,断裂韧性值为53.9 MPa m1/2。分析表明,压缩塑性的提升是由热影响区中B2相的“相变诱导塑性”效应和热影响区对剪切带扩展的阻碍作用共同导致的。断裂韧性的提升取决于缺口处的B2相在力的作用下发生马氏体相变吸收能量,从而抑制裂纹的萌生。综上所述,通过选择合适的成分和SLM工艺参数,可以有效调控样品的孔隙率、晶化分数和热影响区中晶化相的种类,实现SLM成形非晶合金及其复合材料性能的优化。这一研究对SLM成形非晶合金的发展具有指导作用。
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