1引言
非晶合金短程有序、长程无序的原子排列方式和微观组织结构，使其具有优于传统晶态合金的力学、磁学和耐蚀性能[1,2]，越来越多的科研团队相继投入到非晶合金材料的研究工作中。目前制备非晶态金属材料的方法主要有铜模铸造法、喷射吸铸法、甩带法、水淬法等[3]，但是这些方法的冷却速度有限，难以突破临界尺寸限制，制备的非晶材料无法满足更大尺寸的制件的使用要求。激光3D打印技术是一种自下而上的快速成形技术，能够直接制造具有复杂形状的金属零部件，同时有着极高的升温-冷却速率。该技术为突破制备非晶合金的临界尺寸和复杂形状的制约提供了契机，可用于制备块体非晶材料[4,5]。
本文采用激光3D打印技术领域中的选区激光熔化技术（SLM）制备非晶合金材料，期望通过工艺参数的设计优化获得成形质量良好的非晶制件，并对成形工艺对成形质量的影响进行分析研究。
2 试验材料及工艺
2.1试验材料
选择尺寸为90 mm×90 mm×7 mm的纯Zr板作为激光3D打印制备Zr基非晶合金试验的基板材料，表面用砂纸打磨平整并用无水乙醇清洗备用。雾化法制得的粒径为15 ~ 53 μm的Zr50Ti5Cu27Ni10Al8（Zr50）合金粉末作为试验原材料，粉末形态如图1所示。
图1 Zr50非晶合金粉末（a）粉末形态和（b）XRD图谱
2.2试验设备及工艺
试验采用FS121M金属激光增材设备进行非晶合金的SLM成型，设备如图2所示。试验前调节激光头与基板间的距离以调节激光作用光斑直径为70 μm；对成型舱室抽真空处理，用含氧量低于100 ppm的氩气对成型舱室进行保护；打开铺粉系统，将非晶粉末均匀平铺在基板上，铺粉层厚0.06 mm。激光3D打印工艺为：激光功率40 W ~ 180 W，扫描速度1200 mm/s ~ 2000 mm/s，搭接率40 %，层间扫描角度0°。每打印完一层，激光停止工作15 s，以确保纯Zr基体和已熔化沉积的非晶合金充分冷却，降低成形过程中的热累积效应。
图2 FS121M金属激光烧结设备
将成形试样采用15 mL H2O+15 mL HNO3+1.5 mL HF混合液进行腐蚀，利用Leica DM2700M金相显微镜和Hitachi S-4800扫描电子显微镜(SEM)观察微观组织，利用D/MAX-2500型X射线衍射仪(XRD)对非晶合金样品进行物相检测分析。
3工艺参数对Zr50非晶合金宏观成形的影响
图3 不同工艺参数成形的Zr50非晶合金样品的宏观形貌
d）激光功率100 W、下层扫描速率1400-1850 mm/s、上层扫描速率2500-2800 mm/s；
（e-h）激光功率40-180 W；（i-l）扫描速率1250-1700 mm/s
图3是不同工艺参数成形的Zr50非晶合金样品的宏观形貌。在相同的激光功率（P=100W）下，如图3a-c，试样的上层沉积层发生脱落，只有d试样的上下沉积层保持有效结合。随着扫描速率的增大，沉积层的结合性越来越差。图3i-l为不同扫描速率下制备的Zr50样品的宏观形貌，激光扫描速率对样品表面质量有重要影响，激光功率不变时，激光扫描速率越高，样品表面越亮，非晶率越高，扫描速率为1700 mm/s时，样品表明呈亮银色。而层间扫描角度对样品表面质量无明显影响。
4工艺参数对Zr50非晶合金微观组织的影响
图4不同激光功率下制备的Zr50非晶合金样品的组织形貌
（a）40 W；（b）60 W；（c）100 W；（d）180 W
选定扫描速率为1400mm/s，层间扫描角度为0°，分别采用40 W、60 W、100 W和180 W的激光功率制备Zr50非晶合金样品，其微观组织形貌如图4所示。可以看出，采用100 W功率制备的样品的晶化程度最低，结构较为致密，表面无裂纹，仅有少量直径50 μm以下的孔洞和缺陷存在，样品没有明显的形貌和结构特征，这符合非晶合金的结构特征。当功率降低至60 W时，样品出现许多深色细长结构，说明该区域发生了晶化，孔洞和缺陷的数量及尺寸都有所增加。功率继续降低至40 W时，细长结构的明显数量增多，缺陷和孔洞的数量和尺寸也明显增加。而采用180 W的功率时，样品致密度最高，未发现明显的孔洞和缺陷，样品底层没有明显形貌和结构特征，但在样品中上层出现明显熔池形状和连续的山峰状热影响区，说明发生了较为严重的晶化。
选定激光功率为180 W，层间扫描角度为0°，分别采用1700 mm/s、1500 mm/s、1400 mm/s以及1250 mm/s的扫描速率制备Zr50非晶合金。图5为不同激光扫描速率下制备的Zr50非晶合金的组织形貌，可以看出，各个扫描速率下的非晶合金均出现明显的熔池形状，扫描速率为1700 mm/s时，熔池内部没有明显的形貌和结构特征，随着扫描速率的降低，热影响区明显增宽，晶化程度迅速加深，当扫描速率为1250 mm/s时，熔池内也出现晶化。但在激光功率较低时，扫描速率的提升对非晶合金的组织结构的影响并不明显，甚至会因过高的扫描速率而产生缺陷。
图5 180 W下不同激光扫描速率下制备的Zr50非晶合金样品的组织形貌
4结论
激光选区熔化技术制备Zr基非晶合金过程中，激光功率的增加和扫描速率的降低都会使单位体积内材料获得的能量提高，增加熔池尺寸，加大道间的搭接面积，从而提高样品的致密度，提升宏观成形质量。
激光功率对非晶合金样品的组织结构有重要影响。激光功率过低，输入的热量不足以使粉末充分熔化，沉积层厚度降低，熔覆道间的间隙增加，多次沉积时激光无法熔透粉层，最终产生未熔合的缺陷。激光功率过高时，熔池和热影响区变宽，在熔覆道间和沉积层间产生更宽的热影响区叠加区域，加深晶化程度。
扫描速率对非晶合金样品的组织结构的影响与激光功率相关。在较高激光功率下，扫描速率降低，会增加热影响区宽度，加大热影响区叠加区域的面积，加深晶化程度。在较低激光功率下，扫描速率提升，会降低成形质量，增加缺陷的数量和尺寸。
参考文献：
[1] 汪卫华. 非晶态物质的本质和特性[J]. 物理学进展, 2013, 33(5):177-351.
[2] Sun B A, Wang W H. The fracture of bulk metallic glasses[J]. Progress in Materials Science, 2015, 74:211-307.
[3] 欧阳迪. 激光选区熔化3D打印非晶合金的制备、结构与性能研究[D].武汉：华中科技大学, 2019.
[4] 章媛洁, 张金良, 张磊等. 3D打印非晶合金材料工艺及性能的研究进展[J]. 材料工程, 2018, 46(7):12-18.
[5] Zhang C, Li X M, Liu S Q, et al. 3D printing of Zr-based bulk metallic glasses and components for potential biomedical applications[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 790:963-973.
通讯作者：葛亚琼，女，副教授，主要从事先进材料连接及增材制造。
