Fe基非晶合金粉末的案例
【科普系列】Fe基非晶粉末應用簡介
非晶合金，又稱金屬玻璃（metallic glasses, MGs），因為具有高強度、高硬度和優(yōu)異的耐磨及耐腐蝕性能受到科學界的青睞，并成為材料學和凝固態(tài)物理領域的一個重要研究方向。但非晶合金的制備需要極快的冷卻速度（104~106 K/s），這導致了其制備尺寸受限；同時，由于非晶合金室溫塑性差，機械加工困難，也因此成為阻礙其推廣應用的主要瓶頸。而非晶粉末的成功制備，為塊體非晶合金應用難的問題提供了一條嶄新的途徑。其中，Fe基非晶粉末具有低的材料成本、優(yōu)異的性能等優(yōu)勢，受到了科研領域的廣泛關注，并在涂層制備、磁性材料、激光3D打印、廢水處理等領域得到了一定的研究與應用，同時在傳感、控制等功能性器件及薄膜等小尺寸、低維材料及柔性電子領域也展現(xiàn)出巨大的應用潛力。
Fe基非晶粉末的制備
目前，Fe基非晶合金粉末的制備方法主要有3種：（1）通過霧化法（主要為氣霧化和水霧化)制備非晶合金粉末，此種方法制備的非晶合金粉末成形粒度好, 粒子表面圓滑,可制備多種粒徑粉末，適用于 Fe基非晶合金涂層的制備、偶氮染料印染廢水降解等多個領域（見圖 1）；（2）采用高速轉(zhuǎn)輪法制備非晶薄帶，再通過機械粉碎將其制備成非晶粉末，但此種方法制備的粉末表面形狀不規(guī)則，多使用于偶氮染料印染廢水降解、非晶磁粉芯制備等領域；（3）運用化學合成方法制備非晶粉末，此種方法制備的非晶粉末多為納米級超微粉，不需要合金熔煉和冷卻設備，能耗較低，在非晶磁粉芯制備等領域具有一定的應用。
展開 華中科技大學柳林組JMCA: 新型熱噴涂3D打印技術制備大尺寸高韌性Fe基非晶合金及其復合材料
【引言】
塊體非晶合金由于沒有晶體缺陷（位錯、晶界等）而表現(xiàn)出傳統(tǒng)晶態(tài)金屬材料更為優(yōu)異的強度和彈性極限。在所有非晶體系中，Fe基非晶合金因其高強度（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、磁性器件等諸多領域具有廣泛的應用前景。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打印技術制備出了Fe基非晶合金。SLM技術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)生極大的熱應力，導致大量微裂紋的形成。因此，基于SLM技術（其他傳統(tǒng)3D打印技術情況類似）制備的Fe基非晶合金往往表現(xiàn)出極差的力學性能（如壓塑強度<300 MPa, 斷裂韌性為<1 MPa m1/2）。因此，開發(fā)新型3D打印技術, 對于制備大尺寸、力學性能優(yōu)異的Fe基非晶合金十分重要。
【成果簡介】
最近，華中科技大學材料科學與工程學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，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，該技術可極其方便地添加任意比例的第二相，制備力學性能更有優(yōu)異的非晶基復合材料。例如，將Fe基非晶合金與傳統(tǒng)316L不銹鋼粉末復合制備的Fe基非晶基復合材料，其強度達到1.8GPa，斷裂韌性超過20 MPa m1/2 （是鑄態(tài)Fe基非晶的4倍）。
展開 鎂基非晶合金的研究進展
非晶合金在微觀結(jié)構(gòu)上具有短程有序，長程無序的特點，這和玻璃結(jié)構(gòu)類似，非晶合金也因此被稱作“金屬玻璃”。這種無序結(jié)構(gòu)決定了非晶合金具有許多獨特的性能，例如高強度、高硬度、良好的耐磨性和高耐腐蝕性等。因此，非晶合金在電子產(chǎn)品、體育用品、軍工材料、磁性材料、醫(yī)療器械和航空航天等領域均具有廣泛的應用前景。
20世紀80年代后期，日本東北大學Inoue教授課題組首次開發(fā)出了成分為Mg50Ni30La20的Mg基非晶合金，這種合金體系有較寬的過冷液相區(qū)(約為50K)和高的非晶形成能力。自此以后，Mg基非晶合金的研究正式拉開了序幕。2010年，Gu等制備出可用于生物醫(yī)學的Mg-Zn-Ca體系Mg基非晶合金，成為Mg基非晶合金的新的應用方向。
目前，Mg基非晶合金的研究體系已經(jīng)從三元非晶合金發(fā)展到多元非晶合金，例如Mg-Cu-Ag-Ca，Mg-Cu-Ag-Y-Gd，Mg-Cu-Ag-Gd-Ni合金。現(xiàn)在的Ｍｇ基非晶合金的研究對象主要包括Mg-Zn-Ca和Mg-TM-RE(TM，過渡元素；RE，稀土元素)兩個典型體系。
（1）Mg基非晶合金的優(yōu)勢
①Mg基非晶合金與鎂合金
圖1總結(jié)了幾種典型非晶合金的彈性模量與抗拉強度、維氏硬度之間的關系，并給出了一些傳統(tǒng)晶體合金的數(shù)據(jù)用來作為對比。
圖1:非晶合金與晶態(tài)合金彈性模量、抗拉強度及維氏硬度的對比
由圖1可知，非晶合金的抗拉強度和維氏硬度均與其彈性模量大致呈線性關系，三者在傳統(tǒng)晶體合金中同樣表現(xiàn)出相同的趨勢。不同的是，非晶合金線性關系的斜率明顯大于傳統(tǒng)的晶體合金。這表明非晶合金與傳統(tǒng)晶體合金的基本力學性能有著顯著的差異。
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