華中科技大學柳林組JMCA: 新型熱噴涂3D打印技術制備大尺寸高韌性Fe基非晶合金及其復合材料

【引言】

塊體非晶合金由于沒有晶體缺陷（位錯、晶界等）而表現出傳統晶態金屬材料更為優異的強度和彈性極限。在所有非晶體系中，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，在表面涂層、磁性器件等諸多領域具有廣泛的應用前景。然而，目前有兩大因素限制了Fe基非晶合金的工業應用，其一為非晶尺寸限制；其二為低塑性與低斷裂韌性。

2013年，研究人員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技術的基本原理為采用高能激光束完全熔化非晶粉末，然后逐層疊加成形。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產生極大的熱應力，導致大量微裂紋的形成。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, 斷裂韌性為<1 MPa m^1/2）。因此，開發新型3D打印技術, 對于制備大尺寸、力學性能優異的Fe基非晶合金十分重要。

【成果簡介】

最近，華中科技大學材料科學與工程學院柳林教授課題組的張誠等人，開發出一種新型超音速熱噴涂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，在大氣環境下成功制備出超大尺寸，高致密度（99.7%），近乎100%非晶相，且具有良好斷裂韌性的Fe基非晶合金。更為重要的是，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復合材料。例如，將Fe基非晶合金與傳統316L不銹鋼粉末復合制備的Fe基非晶基復合材料，其強度達到1.8GPa，斷裂韌性超過20 MPa m^1/2 （是鑄態Fe基非晶的4倍）。研究發現，該非晶合金及復合材料具有優異斷裂韌性主要歸因于熱噴涂產生的扁平狀層間結構，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，輔以預制模板，就可以打印出形狀較為復雜的三維非晶零件。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種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復合材料的新方法，也為促進高性能非晶合金及復合材料的工業應用奠定基礎。

【圖文導讀】

圖1. 熱噴涂3D打印技術原理示意圖以及大尺寸Fe基非晶合金及復合材料樣件

圖2. 熱噴涂3D打印成形非晶合金及復合材料的顯微結構表征（SEM、TEM）

圖3. 熱噴涂3D打印非晶合金及復合材料的壓縮性能與斷裂韌性

圖4. 熱噴涂3D打印非晶合金及復合材料的斷裂與增韌機理分析

圖5. 采用模板輔助熱噴涂3D打印技術制備的形狀復雜的非晶合金及復合材料構件

【小結】

在這個工作中，研究人員開發出一種新型熱噴涂3D打印技術，成功制備出大尺寸Fe基非晶合金及其復合材料，該材料具有高強度（>1.8 GPa）及良好的斷裂韌性（13-21 MPa 1/2）。

在此基礎上，輔以預制模板，打印出形狀較為復雜的三維非晶零件。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復合材料的新方法，也為促進高性能非晶合金及復合材料的工業應用奠定基礎。該研究得到了國家自然科學基金項目（51531003；51471074）以及科技部973項目（2015C856801）等資助。

文獻鏈接：Cheng Zhang, Wei Wang, Yi-Cheng Li, Yan-Ge Yang, Yue Wu, Lin Liu. 3D printing of Fe-based bulk metallic glasses and composites with large dimensions and enhanced toughness by thermal spraying. Journal of Materials Chemistry A, 2018, DOI: 10. 1039/C8TA00405F.

本文由華中科技大學柳林組提供，特此感謝！

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