选区激光熔化成形Fe基块体非晶合金性能与晶化机理研究

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非晶合金具有优异的力学、化学和物理性能,如高的强度和硬度、优异的软磁性、高的耐磨性和耐腐蚀性,具有广泛的应用前景。然而,采用传统的制备方法如铜模铸造、单辊刷带、电弧熔炼吸铸等方法很难制备大尺寸的块体非晶合金,并且非晶合金的脆性使其难以利用传统方法进行加工,这严重制约了块体非晶合金的发展和应用。选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)是增材制造技术的一种,通过对金属粉末进行激光熔化逐层叠加来制备零件,冷却速率高并且方便成形具有复杂结构的零件。因此,选区激光熔化技术为制备大尺寸复杂结构的块体非晶合金提供了一条新的路径。本文选用了Fe55Cr25Mo16B2C2非晶合金作为研究对象,采用选区激光熔化技术对该Fe基非晶合金粉末进行成形,成功制备了?45 mm×20 mm的块体非晶合金,并对成形样品的微观结构和力学性能进行了研究,同时使用有限元模拟和Johnson–Mehl–Avrami(JMA)方程进行机理分析,具体研究内容如下。研究了SLM激光功率和扫描速率对Fe基块体非晶合金成形质量和微观结构的影响,发现SLM技术能够制备出完全非晶态的试样。通过对成形工艺参数和成形件结构与性能数据的统计,绘制出了SLM打印Fe55Cr25Mo16B2C2非晶合金的工艺窗口。当打印参数为100 W-300 mm/s时成形样品的致密度达到了99.0%以上。采用SLM最佳成形工艺参数成功制备了?45 mm×20 mm完全非晶态的Fe基块体非晶合金,X射线衍射仪、差式扫描量热仪和透射电子显微镜的检测结果很好的证实了样品为完全非晶态。本文对成形样品的硬度和强度进行了检测,测得该大尺寸块体非晶合金的纳米硬度~14 GPa,微柱压缩强度~4500 MPa。并且采用SLM成功制备了一个36齿,齿顶圆直径为41.5 mm的块体非晶合金齿轮样件。SLM技术确实能够成形大尺寸复杂结构的块体非晶合金零件,该结论将有助于推动块体非晶合金在应用领域的发展。使用有限元模拟软件对SLM成形Fe基块体非晶合金过程进行建模,对成形过程的温度场进行了模拟,直观的呈现出SLM成形过程温度场的分布和变化特点,模拟得出熔池区和热影响区的冷却速率分别为~1.38?106 K/s和~3.64?105 K/s,熔池区高的冷却速率保证了非晶态的形成;热影响区温度虽然高于晶化温度(Crystallization Temperature,Tx)但热寿命时间~0.8 ms,少于形成晶化相理论上需要的时间(~1.87 ms),所以不会造成热影响区晶化;而未影响区温度低于玻璃转化温度(Glass Transition Temperature,Tg)不会造成形核从而导致晶化,因此有限元模拟结果也很好的证实了利用SLM技术能够制备出完全非晶态的块体非晶合金。本文还研究了Fe55Cr25Mo16B2C2非晶合金的晶化机制,探索了形核长大过程,使用经典的JMA理论对Fe基非晶合金的晶化动力学进行研究。同时,对过冷液相区非晶合金的热稳定性进行了等温热稳定性研究,发现该材料具有较好的热稳定性。研究发现低功率复扫策略有助于抑制缺陷的生成提高成形样品的质量。热等静压后处理对消除样品缺陷具有潜在价值。
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