3D打印非晶合金的研究分析

3D打印非晶合金的熔池內(nèi)往往能保持非晶結(jié)構(gòu)，而熱影響區(qū)內(nèi)非晶會(huì)發(fā)生明顯晶化，且熱影響區(qū)極小，這暗示該3D打印樣品可能具有較高的非晶含量。

不同幾何形狀微觀形貌對(duì)比

對(duì)比不同幾何形狀的微觀形貌，結(jié)果表明：孔洞結(jié)構(gòu)和柵格結(jié)構(gòu)的熔池明顯比立方塊樣品的大。通過(guò)ImageJ軟件對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)Zr非晶合金的熔池大小進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并作出累積概率分布，結(jié)果顯示：Hollow結(jié)構(gòu)的熔池大小 > Lattice結(jié)構(gòu) > 立方塊體結(jié)構(gòu)。這可能是3D打印過(guò)程中孔狀結(jié)構(gòu)表面處熔池約束少，使得熔池面積較大。

光學(xué)顯微及XRD、DSC測(cè)試結(jié)果

光學(xué)顯微結(jié)果顯示，3D打印Zr基非晶合金中熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生了明顯的晶化。為揭示樣品中晶化程度、晶化相組成以及晶化對(duì)非晶合金熱穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行了XRD測(cè)試和DSC測(cè)試。

從3D打印不同幾何形狀Zr基非晶合金的XRD圖譜可以看出，3D打印Zr基非晶合金在32~45°之間有明顯的漫散射峰，說(shuō)明樣品中保留有大量非晶。同時(shí)，漫散射峰上能找到一些尖銳的晶態(tài)峰，說(shuō)明各種不同形狀的3D打印Zr基非晶合金中都有部分晶化發(fā)生。據(jù)標(biāo)定，主要的晶化相為Al?Ni?Zr?。

不同幾何形狀樣品模型建立及溫度場(chǎng)計(jì)算

考慮到立方塊狀樣品與孔洞結(jié)構(gòu)樣品的區(qū)別在于：打印過(guò)程中孔洞結(jié)構(gòu)與未熔粉末接觸表面更多，其熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)等有異于立方塊樣品，可能會(huì)導(dǎo)致溫度場(chǎng)分布不同。因此，提出了兩種不同的模型用于計(jì)算這個(gè)區(qū)別：

• 3D打印立方塊樣品：非晶粉末平鋪在已成形塊體非晶合金上（記作固態(tài)區(qū)域），在激光掃過(guò)后粉末完全融化然后凝固成型。此過(guò)程中熱量主要通過(guò)熱傳導(dǎo)經(jīng)下層已成形非晶合金上耗散掉。
• 3D打印孔洞狀樣品：除了固態(tài)區(qū)域外，其與粉末鄰近的區(qū)域（記作表面區(qū)域，如圖所示的S區(qū)域），在掃描過(guò)程中S區(qū)域旁側(cè)的粉末并沒(méi)有融化。在S區(qū)域，熱量通過(guò)已成形固體和旁側(cè)松散粉床進(jìn)行耗散，其冷速要慢于固態(tài)區(qū)域的。

正是基于這兩種不同模型，計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)的熔池和熱影響區(qū)附近的溫度場(chǎng)分布。對(duì)固態(tài)區(qū)域和S區(qū)域，重加熱時(shí)間分別約為3 ms和5 ms。兩者重加熱時(shí)間十分短暫，但卻足夠激活非晶合金的晶化。

一般而言，晶化孕育時(shí)間與晶化溫度符合阿倫尼烏斯方程。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)非晶合金的溫度接近熔點(diǎn)時(shí)，晶化孕育期將縮短到皮秒級(jí)別。此時(shí)，重加熱時(shí)間已經(jīng)大于此孕育時(shí)間但不足以造成完全晶化，故而熱影響區(qū)域內(nèi)會(huì)發(fā)生部分晶化，出現(xiàn)非晶相和納米晶復(fù)合的現(xiàn)象。注意到S區(qū)域的重加熱時(shí)間比固態(tài)區(qū)域處的稍長(zhǎng)，這是因?yàn)镾區(qū)域更慢的散熱速率導(dǎo)致的。

非晶含量差異原因分析

熔池內(nèi)合金是完全非晶態(tài)的，而熱影響區(qū)內(nèi)是部分晶化的。然而，模擬顯示孔洞樣品HAZ較塊體樣品的發(fā)生了更嚴(yán)重的晶化，這與非晶含量變化規(guī)律并不一致。

考慮到孔洞結(jié)構(gòu)和柵格結(jié)構(gòu)的3D打印樣品中的熔池大小比立方塊體樣品中的更大，合理的推測(cè)是非晶含量的區(qū)別可能是由于不同熔池大小導(dǎo)致的。從TEM結(jié)果和有限元分析上看，立方塊和孔洞結(jié)構(gòu)的熱影響區(qū)大小區(qū)別不大，即便晶化程度略有區(qū)別，但孔洞結(jié)構(gòu)的熔池大小要遠(yuǎn)大于立方塊樣品的，故其非晶含量最高。這種熔池大小的區(qū)別是因?yàn)檫吔缣帲⊿區(qū)域）缺少約束，熔池自由流動(dòng)造成的。

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