激光增材制備Zr-Al-Ni-Cu非晶材料組織與性能的研究.pdf

1、非晶合金材料因其優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，成為國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，是一種極具潛力和前景的新型功能材料。但由于傳統(tǒng)工藝制備的非晶材料臨界尺寸受到限制，導(dǎo)致非晶材料的發(fā)展遇到瓶頸，無(wú)法實(shí)現(xiàn)其更為廣闊的實(shí)際應(yīng)用。
　　本論文依據(jù)非晶合金形成機(jī)理，利用激光增材制造技術(shù)“點(diǎn)-線(xiàn)-面-體”的成型優(yōu)勢(shì)，理論上控制非晶材料的“點(diǎn)”狀成型，即可增材制備“線(xiàn)”、“面”、“體”的非晶材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大塊非晶材料的制備。選用非晶形成能力較強(qiáng)的

2、Zr65Al7.5Ni10Cu17.5合金粉末，激光增材制造Zr-Al-Ni-Cu非晶材料，探索研究了激光溫度場(chǎng)、激光增材制造工藝、非晶材料的組織結(jié)構(gòu)和性能。
　　利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)激光增材制備Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶材料時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射為激光增材制備非晶材料過(guò)程中的三種主要能量傳遞方式;模擬得到了激光熱源快熱快冷、溫度梯度陡峭的溫度場(chǎng)分布特點(diǎn);分析了所制得非晶材料的表

3、面形貌、熔池?cái)嚢枳饔?明確了單層單道“點(diǎn)”狀熔池的形狀，從理論角度出發(fā)為試驗(yàn)探尋了依據(jù)。
　　在使用5kW橫流CO2激光器增材制備Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶材料的試驗(yàn)過(guò)程中，討論分析了激光工藝參數(shù)對(duì)非晶材料形貌和組織的影響。優(yōu)化工藝參數(shù)后，使用最佳工藝參數(shù)激光功率為3300W，掃描速度為180mm/min制備了一層(1mm厚)、兩層(1.2mm厚)、三層(1.4mm厚)和五層(1.7mm厚)的Zr65Al7.5Ni

4、10Cu17.5非晶材料。激光增材制備的非晶材料內(nèi)部由非晶和晶體組織共同組成，靠近基材一側(cè)由于受到基材的稀釋作用，結(jié)晶嚴(yán)重。隨著增材厚度的增加，遠(yuǎn)離基材，非晶化程度增加。
　　對(duì)Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶材料內(nèi)部的不同區(qū)域進(jìn)行物相和成分的對(duì)比分析，XRD衍射圖譜在2θ=38°處均出現(xiàn)了表征非晶存在的寬化漫散峰，漫散峰上疊加了尖銳的晶峰。通過(guò)面積擬合估算出五層非晶材料的底部、中部和頂部的非晶體體積分?jǐn)?shù)約為49％、64

5、％和77％。在非晶材料的中上部，化學(xué)成分相對(duì)分布均勻，接近設(shè)計(jì)的理想組分，存在少量Zr或Al元素的富集區(qū)，在靠近基材的底部，存在寬度為520μm的稀釋區(qū)域，稀釋作用引入雜質(zhì)元素制約非晶的形成。
　　對(duì)Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶材料進(jìn)行了熱穩(wěn)定性測(cè)試，隨著升溫速率由10℃/min提高到30℃/min，非晶材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg由639℃升高到653℃、初始晶化溫度Tx由721℃減小到692℃，過(guò)冷液相區(qū)△T由82℃減

6、小到39℃，非晶材料的熱穩(wěn)定性隨升溫速率增加而減小。
　　顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，激光制備的不同厚度的非晶材料均呈現(xiàn)相似的硬度分布特征，即從表面到底部，硬度先升高再降低，五層厚度的非晶材料呈現(xiàn)出了最大硬度1033HV。
　　在電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)中，不同厚度的非晶材料均存在鈍化現(xiàn)象，自腐蝕電位相當(dāng)，均高于基材。腐蝕電流差異明顯:基材7.974×10-5A/cm2，一層5.944×10-5 A/cm2，三層2.252×10-6 A/c