孟玲 ,陳星,杜開平
(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京100160;2.北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心,北京 102206;3.特種涂層材料與技術(shù)北京市重點實驗室,北京 102206)
非晶合金因其長程無序、短程有序的原子排列方式,具有高強(qiáng)度、高硬度、軟磁性、耐腐蝕等優(yōu)異性能,可廣泛應(yīng)用于汽車、礦山、航空航天等領(lǐng)域[1,2]。但受工藝本身限制,傳統(tǒng)制備方法—銅模冷鑄法存在一個“大尺寸限制”,目前采用該技術(shù)制備的非晶合金的最大直徑為80mm[3]。尺寸問題嚴(yán)重制約了塊體非晶合金的工業(yè)化應(yīng)用。激光增材制造技術(shù)的出現(xiàn)有望突破尺寸限制,為制備非晶合金提供了新思路。
激光增材制造技術(shù)具有極高的升溫和冷卻速率,滿足了非晶合金的產(chǎn)生條件,該技術(shù)是一種自下而上的快速成形技術(shù),能夠直接制造具有復(fù)雜形狀的零部件[4]。按送粉方式的不同,激光增材制造技術(shù)可分為同步送粉的激光立體成形技術(shù)(LENS)和預(yù)置粉末法的選擇性激光熔融成型技術(shù)(SLM)。相比LENS,SLM 將送粉裝置及激光系統(tǒng)獨立設(shè)計,避免了因送粉效率不足而對激光掃描速率的限制,同時對粉層厚度控制更精確,成形精度更高,因此更適合制備非晶零部件。但激光增材制造技術(shù)具有復(fù)雜熱循環(huán)歷史,成形時熱影響區(qū)(HAZ)易發(fā)生晶化,導(dǎo)致合金整體性能下降[5]。
本研究采用SLM 技術(shù),選用不同激光功率制備Zr50Ti5Cu27Ni10Al8(以下簡稱為 Zr50)非晶合金,對非晶合金的組織形貌進(jìn)行分析,研究激光功率對SLM 制備非晶合金成形及晶化的影響。
選擇純鋯板作為試驗的基板。圖1(a)為非晶粉末SEM 圖像,粉末粒徑為15~53μm,大多呈球形,具有良好的流動性。圖1(b)為非晶粉末的XRD 圖譜,僅在2θ = 37°附近存在一個彌散的“饅頭峰”,無任何布拉格衍射峰,表明粉末基本為全非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
圖1 Zr50 非晶合金粉末:(a) SEM 圖像; (b) XRD 圖譜Fig. 1 Zr50 amorphous alloy powders. (a) SEM image; (b) XRD pattern
試驗前對基體進(jìn)行拋光打磨、除油凈化等預(yù)處理后,預(yù)熱200 ℃,采用含氧量低于100 ppm的氬氣對成形艙室進(jìn)行保護(hù)。試驗選用FS121M選擇性激光熔融設(shè)備,試驗選用參數(shù)為:激光功率為40~160W,掃描速率為1800 mm/s,光斑直徑為70 μm,熔道搭接率為30 %,層間掃描角度為0°,粉層厚度為0.03 mm,沉積40 層。試驗后,獲得了15 mm×15 mm×1.2 mm 的長方體試樣。
采用ZEISS Observer Z1M 金相顯微鏡和JSM-7001F 熱場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察樣品金相組織和微觀組織結(jié)構(gòu),采用D8 Advance X 射線衍射儀(XRD)分析了樣品的相態(tài)。
不同功率下非晶合金的金相組織如圖2所示。可以看出,隨著激光功率的增加,樣品成形質(zhì)量呈逐步改善的趨勢。40W 功率制備的樣品中存在大尺寸未熔合缺陷,成形質(zhì)量差;激光功率上升至80W 時,樣品中未熔合缺陷的數(shù)量和尺寸降低,但出現(xiàn)了長100~150μm 的微裂紋;激光功率上升至120W 時,成形質(zhì)量明顯改善,未觀察到明顯的未熔合缺陷和裂紋,僅存在少量直徑10 μm 以下的孔洞;激光功率上升至160W 時,成形質(zhì)量無明顯變化。
圖2 不同激光功率下樣品的金相組織圖:(a) 40W; (b) 80W; (c) 120W; (d) 160WFig. 2 Metallographic images of samples prepared under different laser power conditions:(a) 40W; (b) 80W; (c) 120W; (d) 160W
低激光功率成形過程示意圖如圖3 所示,由于熔池微小且激光能量集中,SLM 成形時熔池存在時間短,粉末空隙間的氣體來不及溢出,隨熔體在熔池內(nèi)劇烈運動,并在熔池冷卻后形成孔洞。低激光功率條件下,由于單位長度能量密度不足,粉末無法充分熔化,導(dǎo)致未熔合缺陷產(chǎn)生,并在大溫度梯度形成的高熱應(yīng)力作用下,形成沿缺陷邊緣開裂的微裂紋。
圖3 低激光功率下非晶合金成形過程Fig. 3 Forming process of amorphous alloy under low laser power
非晶微區(qū)的成形過程為,激光輻照Zr50 非晶合金粉末在玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg=673 K)附近由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變成過冷液相,在晶化起始溫度(Tx)附近開始轉(zhuǎn)變成晶態(tài),升溫到熔點溫度(Tm=1107 K)時,晶態(tài)相轉(zhuǎn)變成液相[6]。但是非晶的晶化是一個動力學(xué)過程,Tx會隨著升溫速率的增加而升高,足夠高的升溫速率可以避免晶化,直接由過冷液相成為液相。冷卻過程中,熔融態(tài)的非晶合金冷卻到Tm以下成為過冷液相,當(dāng)達(dá)到一定的過冷度時開始晶化,若冷卻速率足夠高,過冷液相則可以避免晶化而轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)[7]。
SLM 成形非晶合金的升溫和冷卻速率非常高(>105K/s),遠(yuǎn)高于Zr50 非晶合金的臨界升溫速率Rh= 2926 K/s 和臨界冷卻速率Rc= 45 K/s[8]。因此,僅考慮升溫和冷卻速率,足以制備全非晶態(tài)合金。但SLM 成形過程實質(zhì)上是多熔道的疊加,熔道間的HAZ 疊加區(qū)會經(jīng)歷多次Tg以上Tm以下的快速升降溫,累積結(jié)構(gòu)弛豫和晶胚,導(dǎo)致晶化,因此SLM 成形非晶合金的晶化主要發(fā)生在該區(qū)域[9]。
為了研究SLM 成形非晶合金過程中的晶化行為,采用SEM 對不同激光功率下樣品晶化區(qū)域進(jìn)行表征,如圖4 所示。熔池內(nèi)無明顯組織形貌,符合非晶合金的結(jié)構(gòu)特征,圍繞熔池底部形成深色的晶化區(qū),距熔池越近,晶化顆粒越多。激光功率與晶化行為密切相關(guān),隨著激光功率的增加,晶化區(qū)面積增加,晶化顆粒增多。160W 功率下樣品晶化區(qū)面積最大,呈連續(xù)的山峰狀,區(qū)域內(nèi)密布黑色晶化顆粒。功率降至120W 時,晶化區(qū)面積明顯減小。功率降至80W 時,晶化區(qū)內(nèi)黑色晶化顆粒減少。功率降至40W 時,晶化區(qū)縮減為線狀。因此,不考慮缺陷因素時,低功率意味著小的晶化區(qū)和少的晶化顆粒。
圖4 不同激光功率下晶化區(qū)域的SEM 圖像:(a) 40W; (b) 80W; (c) 120W; (d) 160WFig. 4 SEM images of crystallization region under different laser power conditions: (a) 40W; (b) 80W; (c) 120W; (d) 160W
圖5 為不同激光功率下制備的非晶合金樣品的XRD 圖譜,圖中可知,樣品的XRD 圖譜均在2θ 角度30°~45°的區(qū)域中存在一個寬大散漫的衍射峰,為典型非晶相的“饅頭”峰,表明樣品主要為非晶結(jié)構(gòu),存在一些布拉格衍射峰,表明樣品在制備過程中發(fā)生了晶化。激光功率為40W 時,經(jīng)標(biāo)定,樣品的晶化相為Al2O3、ZrO2和TiO2。功率提高至80W 時,標(biāo)定為ZrO2和TiO2的衍射峰強(qiáng)度降低,Al2O3的衍射峰強(qiáng)度提高,并生成新相Al5Cu7Zr。功率為120W 時,Al2O3和Al5Cu7Zr的衍射峰消失,僅存在ZrO2和TiO2的衍射峰。功率提高至160W 時,Al2O3衍射峰出現(xiàn),并生成新相NiZr2。同時,120W 功率下的樣品的非晶“饅頭”峰強(qiáng)度最高,表明該樣品非晶率最高。結(jié)合圖2、圖3 和圖4,雖然低功率下樣品擁有更小的晶化區(qū)面積和更少的晶化顆粒,在微區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出更高的非晶率,但過低的熱輸入會導(dǎo)致部分非晶粉末無法充分熔化并形成未熔合缺陷,未熔合缺陷由于經(jīng)歷了與HAZ 疊加區(qū)類似的熱循環(huán)發(fā)生嚴(yán)重晶化。因此,激光功率過低時,所產(chǎn)生的未熔合缺陷易發(fā)生晶化,導(dǎo)致樣品整體非晶率降低。
圖5 不同激光功率下樣品的XRD 圖譜Fig. 5 XRD patterns of samples prepared under different laser power conditions
綜合而言,SLM 成形非晶合金過程中具有高升溫冷卻速率,足以避免大多數(shù)熔池和HAZ 發(fā)生晶化,形成非晶態(tài)。而HAZ 疊加區(qū)和未熔合缺陷由于結(jié)構(gòu)弛豫和晶胚的多次累積,易發(fā)生晶化,且距離熔池越近,晶化顆粒越多。激光功率的大小直接影響晶化區(qū)域的面積、晶化顆粒數(shù)量以及未熔合缺陷的尺寸和數(shù)量,從而影響非晶合金的成形質(zhì)量和晶化行為。隨著激光功率的增加,非晶合金的晶化率呈先降低后增加的趨勢。
采用SLM 技術(shù),在不同激光功率下制備了Zr50 非晶合金,研究了激光功率對Zr50 非晶合金的成形以及晶化的影響。所得結(jié)論如下:
(1) 激光功率對非晶合金成形有重要影響。低激光功率條件下的樣品更容易產(chǎn)生未熔合缺陷和裂紋,成形質(zhì)量差,導(dǎo)致樣品整體性能降低。隨著激光功率的增加,未熔合缺陷和裂紋消失,存在少量因粉末間隙的氣體導(dǎo)致的孔洞。
(2) 晶化主要發(fā)生在HAZ 疊加區(qū)和未熔合缺陷,距離熔池越近,晶化顆粒越密布,晶化區(qū)域的面積和晶化顆粒數(shù)量會隨著激光功率的降低而降低。但激光功率過低時,易形成未熔合缺陷,降低樣品非晶率。
(3) 采用120W 功率制備的樣品質(zhì)量最好,僅存在少量直徑10 μm 以下的孔洞,XRD 結(jié)果顯示非晶率最高。