顶刊：潜力巨大！增材制造块状金属玻璃取得重要进展

选区激光熔化(L-PBF或SLM) 得益于其凝固前沿极高的冷却速率和近净成形能力，已经被用于制造块状金属玻璃(BMG)部件。然而，用传统的实验试错法来确定针对特定材料和特定机器的工艺参数既耗时又昂贵。

近日，来自德国埃尔朗根-纽伦堡大学金属材料研究所的杨泽荣等人开发了一种可以预测BMG在L-PBF加工过程中晶化行为的模型，并且该模型得到了实验结果的成功验证。最后，该模型在该研究所自主开发的SAMPLE2D（Simulation of Additive Manufacturing on the Powder scale using a Laser or Electron beam in 2D）软件中得以代码实现。扩展后的SAMPLE2D软件在辅助BMG的L-PBF工艺开发方面存在巨大潜力。相关结果以题为“Predictive simulation of bulk metallic glass crystallization during laser powder bed fusion”的文章发表在增材制造领域顶刊Additive Manufacturing。

论文开放获取链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103121

本文在详尽讨论众多晶化模型的基础上，选定Nakamura晶化模型用以研究BMG在L-PBF加工过程中的晶化行为。本研究以一种工业级锆基BMG - Zr59.3Cu28.8Al10.4Nb1.5 (AMZ4，德国Heraeus (贺利氏) 公司提供）为例展开。基于对AMZ4的等温结晶动力学研究，推导并得到了Nakamura晶化模型所需的参数。初步的验证实验是在AMZ4非晶板材上进行的。通过用激光反复单轨迹扫描非晶基板，观察到晶化区（或热影响区，HAZ）出现在熔池周围，并且随着激光扫过次数的增加，晶化区逐渐扩大。图 1展示了模拟预测的结晶度和纳米压痕实验确定的微观力学性能（硬度和杨氏模量）的对比。图 1(c)显示模拟确定的熔池/HAZ边界、晶化区厚度都与实验值基本匹配。图 2展示了不同重熔次数下模拟预测和实验测量的HAZ尺寸的比较，模拟结果得到了进一步的验证。

图 1模拟预测的结晶度与纳米压痕测定的微观力学性能比较

图 2不同重熔次数下模拟预测和实验测量的热影响区尺寸的比较

图 3 通过对不同位置温度历史的研究，探讨了不同位置拥有不同结晶度的原因。

图 3不同位置的热历史和结晶度演变

图4展示了模拟预测的不同激光功率和激光速度下L-PBF制造的AMZ4零件的结晶度。基于图4的模拟结果，图 5展示了如何通过仿真模拟来确定L-PBF加工AMZ4的工艺窗口。

图 4模拟预测的不同激光功率和激光速度下L-PBF 制造的 AMZ4零件的结晶度

图 5模拟预测AMZ4的L-PBF工艺窗口

该研究以一种锆基块状金属玻璃AMZ4为例，将Nakamura晶化模型与L-PBF的过程模拟结合，全面地探讨了AMZ4在L-PBF过程中的非等温结晶行为。本文给出了Nakamura模型参数的确定方法和数值实现方法。该模型已在我们自主开发的模拟框架软件SAMPLE2D中实现。基于SAMPLE2D的模拟结果，我们探索了 AMZ4 的 L-PBF 工艺窗口，进而证明了该模拟仿真工具的工业化应用前景。

尽管本文基于AMZ4，但本文开发的模拟工具和方法对于其他块状金属玻璃材料也具有普适性。此外，该模拟软件也可以在加工过程中协助控制任意位置的结晶度，从而为晶相和非晶相共存的块状金属玻璃复合材料定制微观结构。

作者简介：

第一作者兼通讯作者： 杨泽荣 研究员，德国埃尔朗根-纽伦堡大学金属材料研究所(https://www.wtm.tf.fau.eu/lehrstuhl/team/yang-zerong/)。 在研项目：CRC814-增材制造协同研究中心子项目T2、C5 （德国科学基金会资助，https://www.crc814.research.fau.eu/）；SAPHIR项目（Simulation methods for Additive Processing of High-temperature alloys: microstructure, In-service properties and Repair，德国联邦经济事务和气候行动部资助）。邮箱：zerong.yang@fau.de

*感谢论文作者团队本文的大力支持。

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