【引言】

塊體非晶合金由于沒有晶體缺陷（位錯(cuò)、晶界等）而表現(xiàn)出傳統(tǒng)晶態(tài)金屬材料更為優(yōu)異的強(qiáng)度和彈性極限。在所有非晶體系中，F(xiàn)e基非晶合金因其高強(qiáng)度（3-4 GPa）、優(yōu)異的耐腐蝕性能以及相對低廉的原料成本，在表面涂層、磁性器件等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，目前有兩大因素限制了Fe基非晶合金的工業(yè)應(yīng)用，其一為非晶尺寸限制；其二為低塑性與低斷裂韌性。

2013年，研究人員首次嘗試用選區(qū)激光熔化（SLM）3D打印技術(shù)制備出了Fe基非晶合金。SLM技術(shù)的基本原理為采用高能激光束完全熔化非晶粉末，然后逐層疊加成形。盡管激光掃描能夠獲得足夠高的冷卻速率，保證足夠的非晶結(jié)構(gòu)的形成，但激光掃描引起的高溫度梯度會在樣品中產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致大量微裂紋的形成。因此，基于SLM技術(shù)（其他傳統(tǒng)3D打印技術(shù)情況類似）制備的Fe基非晶合金往往表現(xiàn)出極差的力學(xué)性能（如壓塑強(qiáng)度<300 MPa, 斷裂韌性為<1 MPa m^1/2）。因此，開發(fā)新型3D打印技術(shù), 對于制備大尺寸、力學(xué)性能優(yōu)異的Fe基非晶合金十分重要。

【成果簡介】

最近，華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院柳林教授課題組的張誠等人，開發(fā)出一種新型超音速熱噴涂3D打印(簡稱TS3DP)技術(shù)，利用粉末表面熔化以及超音速沉積作用，克服了激光3D打印技術(shù)引起的高溫度梯度以及熱影響區(qū)等限制，在大氣環(huán)境下成功制備出超大尺寸，高致密度（99.7%），近乎100%非晶相，且具有良好斷裂韌性的Fe基非晶合金。更為重要的是，該技術(shù)可極其方便地添加任意比例的第二相，制備力學(xué)性能更有優(yōu)異的非晶基復(fù)合材料。例如，將Fe基非晶合金與傳統(tǒng)316L不銹鋼粉末復(fù)合制備的Fe基非晶基復(fù)合材料，其強(qiáng)度達(dá)到1.8GPa，斷裂韌性超過20 MPa m^1/2 （是鑄態(tài)Fe基非晶的4倍）。研究發(fā)現(xiàn)，該非晶合金及復(fù)合材料具有優(yōu)異斷裂韌性主要?dú)w因于熱噴涂產(chǎn)生的扁平狀層間結(jié)構(gòu)，阻礙裂紋貫穿性擴(kuò)展，從而提高材料的斷裂韌性。在此基礎(chǔ)上，輔以預(yù)制模板，就可以打印出形狀較為復(fù)雜的三維非晶零件。相比于傳統(tǒng)激光3D打印技術(shù)，TS3DP技術(shù)具有更高的3D打印效率（是激光3D打印的4-10倍）。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復(fù)合材料的新方法，也為促進(jìn)高性能非晶合金及復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 熱噴涂3D打印技術(shù)原理示意圖以及大尺寸Fe基非晶合金及復(fù)合材料樣件

圖2. 熱噴涂3D打印成形非晶合金及復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)表征（SEM、TEM）

圖3. 熱噴涂3D打印非晶合金及復(fù)合材料的壓縮性能與斷裂韌性

圖4. 熱噴涂3D打印非晶合金及復(fù)合材料的斷裂與增韌機(jī)理分析

圖5. 采用模板輔助熱噴涂3D打印技術(shù)制備的形狀復(fù)雜的非晶合金及復(fù)合材料構(gòu)件

【小結(jié)】

在這個(gè)工作中，研究人員開發(fā)出一種新型熱噴涂3D打印技術(shù)，成功制備出大尺寸Fe基非晶合金及其復(fù)合材料，該材料具有高強(qiáng)度（>1.8 GPa）及良好的斷裂韌性（13-21 MPa 1/2）。

在此基礎(chǔ)上，輔以預(yù)制模板，打印出形狀較為復(fù)雜的三維非晶零件。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復(fù)合材料的新方法，也為促進(jìn)高性能非晶合金及復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51531003；51471074）以及科技部973項(xiàng)目（2015C856801）等資助。

文獻(xiàn)鏈接：Cheng Zhang, Wei Wang, Yi-Cheng Li, Yan-Ge Yang, Yue Wu, Lin Liu. 3D printing of Fe-based bulk metallic glasses and composites with large dimensions and enhanced toughness by thermal spraying. Journal of Materials Chemistry A, 2018, DOI: 10. 1039/C8TA00405F.