CN114836639A - 一种非晶合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属选区激光熔化技术领域，尤其涉及一种非晶合金的制备方法。本发明创造性地提出在工艺参数与温度关系的基础上得出热影响区的关键位置点以及工艺参数与关键位置点的冷却速率关系图的方法，最终通过成型效率、工艺参数与关键位置点的冷却速率关系图两方面优化出工艺参数范围，解决了SLM技术制备非晶合金过程中难以获得理想的成型工艺的问题，同时通过优化工艺参数范围大幅缩小了实际生产过程中的工艺参数范围，显著缩短了工艺周期。

Description

一种非晶合金的制备方法

技术领域

本发明涉及金属选区激光熔化技术领域，尤其涉及一种非晶合金的制备方法。

背景技术

非晶合金由于其独特的结构，且不存在位错、晶界、相界等晶体缺陷，使其具有优异的物理、化学和力学性能，在军事、航空及医疗等多领域得到了广泛应用，镁基非晶合金由于密度低、比强度高，在众多非晶合金体系中脱颖而出。传统工艺无法制备大尺寸、结构复杂的镁基非晶合金，成型复杂构件是限制其应用的主要瓶颈。

选区激光熔化成型(SLM)技术突破了传统工艺制备镁基非晶合金的限制。一方面，由于激光光斑直径较小，每点的熔覆沉积区域也较小，以致熔池的冷却速率极高，对于大多数镁基非晶合金来说，可以避免熔池凝固时发生晶化；另一方面，逐层成型的方式使SLM技术可以有效地解决传统工艺无法制备复杂结构件的问题。然而，SLM技术制备镁基非晶合金过程中具有复杂的温度场分布，会因热量的积累与结构弛豫现象的出现致使晶化现象的产生，导致工艺实验难度大难以获得理想的成型工艺，并且存在生产周期长的问题，严重制约了SLM技术制备镁基非晶合金的发展进程。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种非晶合金的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种非晶合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、通过温度场模拟构建SLM成型非晶合金的工艺参数与温度的第一关系图；

步骤二、通过所述第一关系图构建所述工艺参数与冷却速率的第二关系图，通过所述第二关系图得到热影响区关键位置点，然后构建所述工艺参数与所述热影响区关键位置点的冷却速率的第三关系图，再通过成型效率和所述第三关系图得到工艺参数范围，在所述工艺参数范围下制备得到所述非晶合金。

相对于现有技术，本发明提供的一种非晶合金的制备方法，具有以下优势：

通过SLM技术制备非晶合金过程中可以在单一熔覆道保持非晶态，但在热源往复作用下，成型过程中区域温度会介于熔点温度与非晶合金玻璃转变温度之间，使热影响区会因热量的积累与结构弛豫现象的出现导致已成型的非晶态部分产生晶化。

常规晶态合金的温度场数值模拟无法准确处理非晶合金的成型工艺问题，并不适用于SLM技术制备非晶合金过程中温度场的数值模拟，而本发明创造性地提出在工艺参数与温度关系的基础上得出热影响区的关键位置点以及工艺参数与关键位置点的冷却速率关系图的方法，最终通过成型效率、工艺参数与关键位置点的冷却速率关系图两方面优化出工艺参数范围，解决了SLM技术制备非晶合金过程中难以获得理想的成型工艺的问题，同时通过优化工艺参数范围大幅缩小了实际生产过程中的工艺参数范围，显著缩短了工艺周期。

优选地，所述制备方法还包括在所述工艺参数范围下进行非晶合金的正交实验，选择最佳工艺参数，在所述工艺参数条件下制备得到所述非晶合金。进行正交试验时，可将SLM成型件的力学性能和非晶含量作为评判指标。通过上述步骤得到的非晶合金的抗压性能和非晶含量最佳。

优选地，步骤一中，所述温度场模拟构建的具体操作为：采用ANSYS软件进行建模、添加热物性参数以及设定生死单元，再通过APDL命令流加载热源和设定扫描路径，模拟SLM成型非晶合金的不同工艺参数下的熔池温度变化，得到工艺参数与温度的关系图。

非晶合金具有亚稳态的性质，在热源往复的作用下，热影响区可能会因热量的积累产生晶化，因此，温度是非晶合金成型过程中极为重要的因素，但温度的变化很难通过传统方式获取，本发明采用ANSYS软件对SLM技术制备镁基非晶合金过程中温度场进行分析，能够模拟得出工艺参数与温度场的关系图。

优选地，步骤一中，所述工艺参数包括激光功率和扫描速度中的至少一种。

热影响区的冷却速率随着温度的变化而变化，当扫描速度一定时，温度随着激光功率的增加而增大，当激光功率一定时，温度随着扫描速度的增加而减小，因此，冷却速率与激光功率、扫描速度之间是通过温度相关联的，本发明采用温度场模拟得出温度与上述工艺参数的关系，进而建立上述工艺参数与关键位置点热影响区冷却速率之间的关系。

优选地，步骤一中，在SLM成型过程中，激光束以光斑形式照射在金属粉末上，在模拟时采用平面高斯热源作为热源模型，该热源的特点为热流在垂直于激光束的表面上呈高斯分布，其表达式如公式(1)所示：

式中:A为热效率；P为激光功率；r为光斑半径；(x²+y²)为光斑中心到金属粉末任意一点的距离的平方。

优选地，步骤二中，所述热影响区关键位置点为熔覆道搭接处。

热影响区变化的产生原因是由于熔覆道受到下一道热源的影响所产生的温度变化，故关键位置点的选区至关重要，本发明选取熔覆道搭接处当作关键位置点进行数值模拟，能够避免选取熔覆道中心作为位置点进行模拟所产生的模拟情况低于实际情况的结果，进而保证SLM技术制备非晶合金的成型效果。

优选地，制备非晶合金时还包括设定层间旋转角、光斑直径和风机循环频率。

附图说明

图1为本发明实施例1中数值模拟所采用模型示意图；

图2为本发明实施例1中数值模拟高斯热源模型加载示意图；

图3为本发明实施例1中数值模拟激光扫描路径示意图；

图4a为图3数值模拟SLM技术制备镁基非晶合金过程中熔池温度云图(A1为熔池区，A2为热影响区)；

图4b为图3数值模拟SLM技术制备镁基非晶合金过程中A1，A2两位置温度随时间变化曲线；

图5为本发明实施例1中提供的工艺参数与熔池温度关系的三维柱状图(第一关系图)；

图6是熔覆道搭接处与熔覆道中心处冷却速率对比图(第二关系图)；

图7为本发明实施例1中提供的工艺参数与热影响区关键位置点的冷却速率关系的模型图(第三关系图)；

图8是本发明实施例1中制得的成型件照片；

图9是本发明实施例1中提供的SEM照片；

图10是本发明实施例1中提供的XRD照片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前传统工艺无法制备大尺寸、结构复杂的非晶合金，现有的SLM先进技术的引进在制备非晶合金过程中会因热量的积累以及出现结构弛豫现象产生晶化现象，导致难以获得理想的非晶合金的成型工艺，同时SLM技术的生产周期长，对于此，发明人进行了大量的试验研究，以克服现有技术存在的不足，下面以镁基非晶合金Mg₆₅Cu₂₀Zn₅Y₁₀为例，通过以下实施例进行说明。

以下实施例所用SLM成型设备的型号为雷尼绍AM250。

实施例1：

本实施例提供了镁基非晶合金Mg₆₅Cu₂₀Zn₅Y₁₀的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、通过利用ANSYS软件设定SLM成型镁基非晶合金的基板尺寸为1.6mm×1mm×0.8mm，沉积层尺寸为1mm×0.4mm×0.2mm，粉末层厚为50μm，划分网格为SOLID70单元(即“生死单元”)；再通过APDL命令流实现激光定义为高斯热源模型，激光扫描方式为每道同向扫描，模拟激光共扫描5道，扫描间距为0.060mm，每道宽0.075mm，每道40步。通过模拟不同激光功率和扫描速度下的熔池温度变化，最终得到激光功率、扫描速度与温度关系的三维柱状图(即第一关系图)；

步骤二、通过上述三维柱状图构建扫描速度与冷却速率的二维曲线图(即第二关系图)，再通过第二关系图得到热影响区关键位置点(即熔覆道搭接处)，然后构建激光功率与熔覆道搭接处的冷却速率关系以及扫描速度与熔覆道搭接处的冷却速率关系的二维曲线图(即第三关系图)，通过成型效率与第三关系图的热影响区作用面积，得到激光功率为80～110W，扫描速度为900～1200mm/s；

步骤三、在激光功率为80～110W(每10W一个跨度)，扫描速度为900～1200mm/s(每100mm/s一个跨度)，层间旋转角为67°，光斑直径为70μm，风机循环频率为30Hz的条件下进行正交实验，优化得到最佳工艺参数为激光功率为100W，扫描速度为1000mm/s，在此工艺参数下制备镁基非晶合金Mg₆₅Cu₂₀Zn₅Y₁₀。

以下对上述制备方法中各步骤进行详细说明：

在步骤一的温度场模拟构建过程中，由于模型过大，增加计算时间，为了减小计算量，同时保证计算精度，本实施例对整个模型进行缩小，分为AZ91D基板和镁基非晶合金沉积层两部分。基板尺寸为1.6mm×1mm×0.8mm，沉积层尺寸为1mm×0.4mm×0.2mm，沉积层共分为4层，每层厚度为50μm。划分网格时，考虑到数值模拟目的是研究熔池及热影响区的温度变化，采用较为细密的网格划分沉积层，较为宽松的网格来划分基板，基板与沉积层都采用SOLID70六面体单元，沉积层单元尺寸为12.5μm×12.5μm×12.5μm，基板采用自由网格划分，单元大小为0.1mm×0.1mm×0.1mm，既保证了计算精度的同时又减轻了工作量。模型及网格划分参阅图1。

步骤一中在模拟时采用平面高斯热源作为热源模型，该热源的特点为热流在垂直于激光束的表面上呈高斯分布，其表达式如公式(1)所示：

式中:A为热效率；P为激光功率；r为光斑半径；(x²+y²)为光斑中心到金属粉末任意一点的距离的平方；

在数值模拟过程中，将均匀分布的高斯体热源以生热率的形式施加到模型中，高斯热源简化及加载示意图参阅图2，假设热源在水平面上近似的作用在6×6的单元上，即所作用区域宽为0.075mm，与实际激光光斑直径保持相同，在最中心的4个单元上施加的热流密度为最大值，在APDL命令流中通过循环语句，以一定比例，分别向中心之外的4×4单元及外围的6×6单元施加热流密度；模拟激光共扫描5道，扫描间距为0.060mm，每道宽0.075mm，每道40步，采用每道同向扫描的方式进行扫描，其扫描路径示意参阅图3。

步骤一采用Workbench平台进行建模、热物性参数添加以及“生死单元”的设定，并且通过APDL命令流实现热源的加载与扫描路径的设定，模拟不同工艺参数下熔池的温度变化。其中，不同位置点熔池温度云图参阅图4a，温度随时间变换曲线参阅图4b，工艺参数对熔池温度关系的三维柱状图参阅图5。

在步骤二中，图6为扫描速度800～1200mm/s的情况下，熔覆道搭接位置与熔覆道中心位置处热影响区变化冷却速率对比图，由图6可知，熔覆道中心处温度均会超过玻璃转化温度Tg，并且热影响区变化冷却速率都在10.2×10⁴K/s以上表明热影响区作用范围较广，作用时间相对较长，并且趋势迅速增长，不易分辨出各参数的优略，以此作为位置参考点所得结果会低于实际情况，反观熔池边缘处热影响区变化冷却速率都在7.17×10⁴K/s以下，低于1100mm/s时，可观察到此点不再存在热影响区变化，故熔覆道搭接位置作为关键位置点具有参考价值。

因此，步骤二在激光功率80～120W，每10W一个间隔，扫描速度800～1200mm/s，每100mm/s一个间隔的范围内绘制工艺参数与熔覆道搭接位置的冷却速率的关系曲线图。在激光功率P＝120W的情况下，热影响区作用范围较广，作用时间相对较长；在扫描速度V＝800mm/s的情况下，扫描速度过低，致使单位时间内粉末材料表面受到的能量过大，扩大了热影响区的作用范围。综上所述，通过熔点温度筛选得出的工艺参数再结合冷却速率的条件，最后得到的工艺参数范围为：激光功率P＝80～110W，扫描速度V＝900～1200mm/s，详细关系模型参阅图7。

在步骤三中，利用SLM型设备，在优化出的工艺参数窗口下进行镁基非晶合金正交实验，以成型件的力学性能和非晶含量为评判指标，得到优化的工艺参数，在所得工艺参数下的成型件照片参阅图8。对上述图8所示的成型件进行XRD检测，发现在激光功率为100W，扫描速度为1000mm/s时，成型件近乎全非晶状态。在图9中可以看到明显的弥散峰存在，说明成型件中存在非晶相。成型件在弥散峰的基础上叠加着晶化峰，通过峰位的对比，析出相主要为Mg₂Cu和Y₂O₃，还有部分未知相，无法在XRD卡片上找到对应的峰位。

同时，对上述成型件进行SEM检测，发现在激光功率为100W，扫描速度为1000mm/s时，成型件近乎全非晶状态。从图中10可看出，存在明显的熔池区和热影响区。其中熔池区图像颜色较浅，内部均匀，成分单一，符合非晶合金的结构特点，而热影响区颜色较深，内部结构复杂。热影响区呈现出这种结果是因为在热影响区内部分布着一定的晶化相，这些晶化相镶嵌在非晶基底中，并且距离熔池越近，晶化颗粒数量越多、颗粒尺寸也越大，从而在SEM图上展现出复杂的结构。

最后，对上述成型件进行力学性能检测，发现在激光功率为100W，扫描速度为1000mm/s时，成型件抗压强度高达500MPa。

上述抗压强度的检测方法为：

GB/T 7314-2005《金属材料室温压缩试验方法》，SLM成型尺寸为2mm×2mm×4mm的长方体试样，在压缩试验机下测量材料抗压强度，向压缩机配套软件中输入试样长宽尺寸，机器根据试样所能承受的最大压缩力自动计算其抗压强度。

由此表明，本发明的制备方法能够有效解决传统工艺无法制备大尺寸、结构复杂的镁基非晶合金，以及SLM技术制备镁基非晶合金单纯工艺实验难度大、周期长难以获得理想的成型工艺的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非晶合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、通过温度场模拟构建SLM成型非晶合金的工艺参数与温度的第一关系图；

步骤二、通过所述第一关系图构建所述工艺参数与冷却速率的第二关系图，再通过所述第二关系图得到热影响区关键位置点，然后构建所述工艺参数与所述热影响区关键位置点的冷却速率的第三关系图，再通过成型效率和所述第三关系图得到工艺参数范围，在所述工艺参数范围下制备得到所述非晶合金。

2.如权利要求1所述的非晶合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在所述工艺参数范围下进行非晶合金的正交实验，选择最佳工艺参数，在所述工艺参数条件下制备得到所述非晶合金。

3.如权利要求1所述的非晶合金的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述温度场模拟构建的具体操作为：采用ANSYS软件进行建模、添加热物性参数以及设定生死单元，再通过APDL命令流加载热源和设定扫描路径，模拟SLM成型非晶合金的不同工艺参数下的熔池温度变化，得到工艺参数与温度的关系图。

4.如权利要求1所述的非晶合金的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述工艺参数包括激光功率和扫描速度中的至少一种。

5.如权利要求1所述的非晶合金的制备方法，其特征在于，步骤一中，在SLM成型过程中，激光束以光斑形式照射在金属粉末上，在模拟时采用平面高斯热源作为热源模型，其表达式如公式(1)所示：

式中:A为热效率；P为激光功率；r为光斑半径；(x²+y²)为光斑中心到金属粉末任意一点的距离的平方。

6.如权利要求1所述的非晶合金的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述关键位置点热影响区为熔覆道搭接处。

7.如权利要求1所述的非晶合金的制备方法，其特征在于，制备非晶合金时还包括设定层间旋转角、光斑直径和风机循环频率。

Images