诞生于 20 世纪 60 年代的非晶合金在材料领域引发了一场新的革命。与传统的晶体金属不同,非晶合金具有像玻璃一样的无序原子结构,所以非晶合金又被称为“金属玻璃”。这种特殊的无序原子结构使得非晶合金综合了许多优异性能于一身,如较高的强度、较高的硬度、良好的耐磨性以及极佳的软磁性能等。20 世纪 90 年代之后,非晶合金在成分设计方面取得了突破性的进展,一系列具有较好玻璃形成能力的非晶合金体系相继问世,例如 Fe、Ti、Cu、Zr、Ni、 Ce、La、Nd、Mg 基等。在这些体系中,Fe基非晶合金格外受大家关注,因为低廉的成本使 Fe 基非晶合金能很好地适应社会低碳节能的发展,优异的综合性能使 Fe 基非晶合金成为最具工业应用前景的非晶合金体系。然而,目前实验室和工业领域所能制备的Fe 基非晶合金尺寸仍然较小,因为目前制备 Fe 基非晶合金通常使用铜模铸造法,该方法所能实现的熔体冷却速率有限。迄今为止,采用铜模铸造法所能成型的 Fe基块体非晶合金最大尺寸也只有 10 几 mm,这严重制约了 Fe 基非晶合金作为结构材料在工业领域的实际应用 。因此,亟需采用新的制备技术成型大尺寸 Fe 基非晶合金以突破其尺寸限制。
激光 3D 打印技术的出现为解决上述问题提供了难得的契机。激光 3D 打印技术将金属粉末直接送入激光束作用区,在激光束作用下基材发生熔化形成熔池,然后金属粉末在熔池内熔化与基材结合。由于这种以激光为热源的 3D 打印所形成熔池的冷却速率可以达到 103~104K/s,远大于大部分非晶合金形成非晶态的临界冷却速率。因此,理论上激光 3D 打印技术可以实现无尺寸限制的制备非晶合金 。目前,已经有很多国内外的学者尝试采用该技术打印成型 Fe 基非晶合金,但是,从目前国内外的研究报道中可以明显看出,利用激光 3D 打印技术制备 Fe 基非晶合金存在较为严重的裂纹。这主要是因为在激光 3D 打印过程中,熔池区域的急冷急热会导致十分严重的热应力,塑性较差的Fe 基非晶合金样品在打印过程中会发生开裂,所以利用激光 3D 打印技术制备大尺寸的非晶合金样品十分困难。
在 Fe 基非晶合金中引入塑性较好的第二相来吸收热应力,是防止 Fe 基非晶合金发生开裂、制备大尺寸Fe 基非晶合金材料的可行途径之一。基于此,本文以工业领域已经应用的一种Fe37.5Cr27.5C12B13Mo10 非晶合金为研究对象,尝试向该合金中引入第二相 Cu,利用激光 3D 打印技术制备大尺寸的 Fe 基非晶合金复合材料。在打印过程中引入较软的、塑性较好的第二相 Cu,通过第二相 Cu 自身的塑性来吸收打印过程中不断产生的热应力,进而抑制裂纹的萌生。首先,通过单道多层打印试验,初步筛选出激光 3D 打印 Fe 基非晶合金复合材料较好成型工艺参数和 Cu 添加量的范围;然后,在上述工艺参数范围内,打印大尺寸的 Fe 基非晶合金复合材料,最终确定最佳工艺参数组合,并分析该工艺参数下打印的复合材料的微观组织和裂纹情况。
1 试验
激光 3D 打印非晶合金试验采用以 IPG–YLS–6000光纤激光器为热源的激光 3D 打印机,试验系统如图 1所示。激光 3D 打印试验在氧含量 <10×10–6 的氩气氛围中完成,使用 Fe37.5Cr27.5C12B13Mo10 非晶合金粉末和纯Cu 粉末为原料,在厚度为 5mm 的 45 号钢基板上进行打印。合金粉末的微观形貌如图 1 所示,合金粉末粒度范围大约在 30~100μm 之间,粉末粒度圆整度、均匀性较好,保证在激光 3D 打印过程中粉末被均匀地输送到激光所形成的熔池内。送粉器的送粉方式为双筒送粉,可以很好地解决混粉过程中因密度差而存在的分层现象。即将两种粉末分别放入两个送粉筒中,按照一定的质量比向 Fe 基非晶合金粉末复合铜粉,通过数控调节气流量的大小和送粉器转速,改变两个筒单位时间内所送粉末的质量比,从而实现成分的调控。打印过程中,每打印完成一层激光头垂直上移 0.5mm,同时保证足够高的冷却速率,避免已打印成型的样品热量不断累积。
在单道打印之间停留 10s,使样品中的热量能够有足够的时间传递出去,确保在每次打印过程中整个样品维持在较低的温度。激光 3D 打印合金试样微观组织的观察采用德国 Zeiss SUPRA 55 场发射扫描电子显微镜。
2 结果与讨论
为优化激光打印工艺参数,确保合金的良好成型,选择共打印 30 层的单道多层方案进行打印。首先,按照 1꞉1 的质量比向 Fe 基非晶合金粉末中添加铜粉,测试采用的打印工艺参数如表 1 所示。
图 2 给出了利用激光 3D 打印技术成型的多层单道非晶合金样品的宏观形貌。可以看到,随着激光功率的不断增加,打印的非晶合金样品的成型性逐渐提高,也就是,成型样品的宏观形貌与预先设计的模型逐渐接近,但当功率高于 2400W 之后,打印的样品成型性又开始变差。当激光功率大于 1600W 小于 2000W 时,成型的样品宏观形貌凹凸不平,这主要因为激光功率太低,粉末不能完全均匀熔化,上下层之间粘合较差,因而不能得到所需的高度。当激光功率为 2200W 和 2400W时,可以发现样品厚度均匀,宏观形貌良好且达到希望的高度,这是由于随着激光功率的增加,产生了高的热量使粉末充分地融化,并促进了层与层之间良好的冶金结合,每层逐渐累积,样品的高度也随之增加。当激光功率继续增加到 2600W 时,成型的非晶合金样品宏观形貌出现坍塌,具有更大的横向厚度尺寸更低的高度,这是由于激光功率过高使累积的热量难以快速通过基板扩散出去,使已成型的样品熔化,不能承受其自身的重力而塌陷,成型性很差。因此,激光功率 2200W 和2400W、扫描速度 600mm/min 被选择作为较为合适的工艺参数组合进行深入研究。
初步确定激光功率对激光 3D 打印 Fe 基非晶合金成型性的影响之后,接下来摸索 Cu 的添加量对激光 3D 打印 Fe 基非晶合金成型性的影响。同样,按照一定质量比向 Fe37.5Cr27.5C12B13Mo10 非晶合金粉末中复合 30%~50%的铜粉,尝试采用的打印工艺参数如表 2 所示。
图 3 给出了打印成型后样品宏观形貌,图 3(a)~(f)分别对应工艺参数序号 a、b、c、d、e、f。可以发现,当功率保持不变时,样品的成型性会随着铜含量的增加而逐渐得到改善,特别是当铜含量增加到 50% 时,成型的样品宏观形貌均匀平整。当 Cu 的含量保持不变时,利用激光功率 2400W 成型样品的宏观形貌要好于 2200W时成型样品的宏观形貌。这主要是因为短时间内热输入量较高,使粉末原料熔化比较充分,并且热量可以迅速通过已成型的样品和基板扩散掉,可以获得较好的宏观形貌。通过对上述工艺参数优化的摸索,利用激光3D 打印技术制备 Fe 基非晶合金复合材料的较好工艺参数组合如表 3 所示
表2 不同铜粉加入量的单道多层打印工艺参数组合
Table 2 Combinations of single-channel multi-layer printing process parameters with different amounts of copper powder