3D打印非晶合金的研究分析

3D打印非晶合金的熔池內往往能保持非晶結構，而熱影響區內非晶會發生明顯晶化，且熱影響區極小，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比

對比不同幾何形狀的微觀形貌，結果表明：孔洞結構和柵格結構的熔池明顯比立方塊樣品的大。通過ImageJ軟件對三種不同結構Zr非晶合金的熔池大小進行了統計，并作出累積概率分布，結果顯示：Hollow結構的熔池大小 > Lattice結構 > 立方塊體結構。這可能是3D打印過程中孔狀結構表面處熔池約束少，使得熔池面積較大。

光學顯微及XRD、DSC測試結果

光學顯微結果顯示，3D打印Zr基非晶合金中熱影響區內發生了明顯的晶化。為揭示樣品中晶化程度、晶化相組成以及晶化對非晶合金熱穩定性的影響，進行了XRD測試和DSC測試。

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，說明樣品中保留有大量非晶。同時，漫散射峰上能找到一些尖銳的晶態峰，說明各種不同形狀的3D打印Zr基非晶合金中都有部分晶化發生。據標定，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計算

考慮到立方塊狀樣品與孔洞結構樣品的區別在于：打印過程中孔洞結構與未熔粉末接觸表面更多，其熱對流、熱傳導等有異于立方塊樣品，可能會導致溫度場分布不同。因此，提出了兩種不同的模型用于計算這個區別：

• 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（記作固態區域），在激光掃過后粉末完全融化然后凝固成型。此過程中熱量主要通過熱傳導經下層已成形非晶合金上耗散掉。
• 3D打印孔洞狀樣品：除了固態區域外，其與粉末鄰近的區域（記作表面區域，如圖所示的S區域），在掃描過程中S區域旁側的粉末并沒有融化。在S區域，熱量通過已成形固體和旁側松散粉床進行耗散，其冷速要慢于固態區域的。

正是基于這兩種不同模型，計算了不同結構的熔池和熱影響區附近的溫度場分布。對固態區域和S區域，重加熱時間分別約為3 ms和5 ms。兩者重加熱時間十分短暫，但卻足夠激活非晶合金的晶化。

一般而言，晶化孕育時間與晶化溫度符合阿倫尼烏斯方程。經計算，當非晶合金的溫度接近熔點時，晶化孕育期將縮短到皮秒級別。此時，重加熱時間已經大于此孕育時間但不足以造成完全晶化，故而熱影響區域內會發生部分晶化，出現非晶相和納米晶復合的現象。注意到S區域的重加熱時間比固態區域處的稍長，這是因為S區域更慢的散熱速率導致的。

非晶含量差異原因分析

熔池內合金是完全非晶態的，而熱影響區內是部分晶化的。然而，模擬顯示孔洞樣品HAZ較塊體樣品的發生了更嚴重的晶化，這與非晶含量變化規律并不一致。

考慮到孔洞結構和柵格結構的3D打印樣品中的熔池大小比立方塊體樣品中的更大，合理的推測是非晶含量的區別可能是由于不同熔池大小導致的。從TEM結果和有限元分析上看，立方塊和孔洞結構的熱影響區大小區別不大，即便晶化程度略有區別，但孔洞結構的熔池大小要遠大于立方塊樣品的，故其非晶含量最高。這種熔池大小的區別是因為邊界處（S區域）缺少約束，熔池自由流動造成的。

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