華中(zhōng)科技大(dà)學柳林組JMCA: 新型熱噴塗3D打印技術制備大(dà)尺寸高韌性Fe基非晶合金及其複合材料

【引言】


塊體(tǐ)非晶合金由于沒有晶體(tǐ)缺陷（位錯、晶界等）而表現出傳統晶态金屬材料更爲優異的強度和彈性極限。在所有非晶體(tǐ)系中(zhōng)，Fe基非晶合金因其高強度（3-4 GPa）、優異的耐腐蝕性能以及相對低廉的原料成本，在表面塗層、磁性器件等諸多領域具有廣泛的應用前景。然而，目前有兩大(dà)因素限制了Fe基非晶合金的工(gōng)業應用，其一(yī)爲非晶尺寸限制；其二爲低塑性與低斷裂韌性。


2013年，研究人員(yuán)首次嘗試用選區激光熔化（SLM）3D打印技術制備出了Fe基非晶合金。SLM技術的基本原理爲采用高能激光束完全熔化非晶粉末，然後逐層疊加成形。盡管激光掃描能夠獲得足夠高的冷卻速率，保證足夠的非晶結構的形成，但激光掃描引起的高溫度梯度會在樣品中(zhōng)産生(shēng)極大(dà)的熱應力，導緻大(dà)量微裂紋的形成。因此，基于SLM技術（其他傳統3D打印技術情況類似）制備的Fe基非晶合金往往表現出極差的力學性能（如壓塑強度<300 MPa, 斷裂韌性爲<1 MPa m1/2）。因此，開(kāi)發新型3D打印技術, 對于制備大(dà)尺寸、力學性能優異的Fe基非晶合金十分(fēn)重要。


【成果簡介】

最近，華中(zhōng)科技大(dà)學材料科學與工(gōng)程學院柳林教授課題組的張誠等人，開(kāi)發出一(yī)種新型超音速熱噴塗3D打印(簡稱TS3DP)技術，利用粉末表面熔化以及超音速沉積作用，克服了激光3D打印技術引起的高溫度梯度以及熱影響區等限制，在大(dà)氣環境下(xià)成功制備出超大(dà)尺寸，高緻密度（99.7%），近乎100%非晶相，且具有良好斷裂韌性的Fe基非晶合金。更爲重要的是，該技術可極其方便地添加任意比例的第二相，制備力學性能更有優異的非晶基複合材料。例如，将Fe基非晶合金與傳統316L不鏽鋼粉末複合制備的Fe基非晶基複合材料，其強度達到1.8GPa，斷裂韌性超過20 MPa m1/2 （是鑄态Fe基非晶的4倍）。研究發現，該非晶合金及複合材料具有優異斷裂韌性主要歸因于熱噴塗産生(shēng)的扁平狀層間結構，阻礙裂紋貫穿性擴展，從而提高材料的斷裂韌性。在此基礎上，輔以預制模闆，就可以打印出形狀較爲複雜(zá)的三維非晶零件。相比于傳統激光3D打印技術，TS3DP技術具有更高的3D打印效率（是激光3D打印的4-10倍）。本研究成果不僅提供了一(yī)種制備大(dà)尺寸、高韌性非晶合金及複合材料的新方法，也爲促進高性能非晶合金及複合材料的工(gōng)業應用奠定基礎。

轉載微信公衆号:材料人