华中滚球体育 大学柳林组JMCA: 新型热喷涂3D打印技术制备大尺寸高韧性Fe基非晶合金及其复合材料

【引言】

块体非晶合金由于没有晶体缺陷（位错、晶界等）而表现出传统晶态金属材料更为优异的强度和弹性极限。在所有非晶体系中，Fe基非晶合金因其高强度（3-4 GPa）、优异的耐腐蚀性能以及相对低廉的原料成本，在表面涂层、磁性器件等诸多领域具有广泛的应用前景。然而，目前有两大因素限制了Fe基非晶合金的工业应用，其一为非晶尺寸限制；其二为低塑性与低断裂韧性。

2013年，研究人员首次尝试用选区激光熔化（SLM）3D打印技术制备出了Fe基非晶合金。SLM技术的基本原理为采用高能激光束完全熔化非晶粉末，然后逐层叠加成形。尽管激光扫描能够获得足够高的冷却速率，保证足够的非晶结构的形成，但激光扫描引起的高温度梯度会在样品中产生极大的热应力，导致大量微裂纹的形成。因此，基于SLM技术（其他传统3D打印技术情况类似）制备的Fe基非晶合金往往表现出极差的力学性能（如压塑强度<300 MPa, 断裂韧性为<1 MPa m^1/2）。因此，开发新型3D打印技术, 对于制备大尺寸、力学性能优异的Fe基非晶合金十分重要。

【成果简介】

最近，华中滚球体育 大学材料科学与工程学院柳林教授课题组的张诚等人，开发出一种新型超音速热喷涂3D打印(简称TS3DP)技术，利用粉末表面熔化以及超音速沉积作用，克服了激光3D打印技术引起的高温度梯度以及热影响区等限制，在大气环境下成功制备出超大尺寸，高致密度（99.7%），近乎100%非晶相，且具有良好断裂韧性的Fe基非晶合金。更为重要的是，该技术可极其方便地添加任意比例的第二相，制备力学性能更有优异的非晶基复合材料。例如，将Fe基非晶合金与传统316L不锈钢粉末复合制备的Fe基非晶基复合材料，其强度达到1.8GPa，断裂韧性超过20 MPa m^1/2（是铸态Fe基非晶的4倍）。研究发现，该非晶合金及复合材料具有优异断裂韧性主要归因于热喷涂产生的扁平状层间结构，阻碍裂纹贯穿性扩展，从而提高材料的断裂韧性。在此基础上，辅以预制模板，就可以打印出形状较为复杂的三维非晶零件。相比于传统激光3D打印技术，TS3DP技术具有更高的3D打印效率（是激光3D打印的4-10倍）。本研究成果不仅提供了一种制备大尺寸、高韧性非晶合金及复合材料的新方法，也为促进高性能非晶合金及复合材料的工业应用奠定基础。

【图文导读】

图1. 热喷涂3D打印技术原理示意图以及大尺寸Fe基非晶合金及复合材料样件

图2. 热喷涂3D打印成形非晶合金及复合材料的显微结构表征（SEM、TEM）

图3. 热喷涂3D打印非晶合金及复合材料的压缩性能与断裂韧性

图4. 热喷涂3D打印非晶合金及复合材料的断裂与增韧机理分析

图5. 采用模板辅助热喷涂3D打印技术制备的形状复杂的非晶合金及复合材料构件

【小结】

在这个工作中，研究人员开发出一种新型热喷涂3D打印技术，成功制备出大尺寸Fe基非晶合金及其复合材料，该材料具有高强度（>1.8 GPa）及良好的断裂韧性（13-21 MPa 1/2）。

在此基础上，辅以预制模板，打印出形状较为复杂的三维非晶零件。本研究成果不仅提供了一种制备大尺寸、高韧性非晶合金及复合材料的新方法，也为促进高性能非晶合金及复合材料的工业应用奠定基础。该研究得到了国家自然科学基金项目（51531003；51471074）以及滚球体育 部973项目（2015C856801）等资助。

文献链接：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.

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