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3D打印非晶合金的几何形状与晶化特性研究

来源:杰呈3D打印 发布时间:2025-10-31 13:55:21 浏览次数:0
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3D打印非晶合金的研究分析

3D打印非晶合金的熔池内往往能保持非晶结构,而热影响区内非晶会发生明显晶化,且热影响区极小,这暗示该3D打印样品可能具有较高的非晶含量。

不同几何形状微观形貌对比

对比不同几何形状的微观形貌,结果表明:孔洞结构和栅格结构的熔池明显比立方块样品的大。通过ImageJ软件对三种不同结构Zr非晶合金的熔池大小进行了统计,并作出累积概率分布,结果显示:Hollow结构的熔池大小 > Lattice结构 > 立方块体结构。这可能是3D打印过程中孔状结构表面处熔池约束少,使得熔池面积较大。

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光学显微及XRD、DSC测试结果

光学显微结果显示,3D打印Zr基非晶合金中热影响区内发生了明显的晶化。为揭示样品中晶化程度、晶化相组成以及晶化对非晶合金热稳定性的影响,进行了XRD测试和DSC测试。

从3D打印不同几何形状Zr基非晶合金的XRD图谱可以看出,3D打印Zr基非晶合金在32~45°之间有明显的漫散射峰,说明样品中保留有大量非晶。同时,漫散射峰上能找到一些尖锐的晶态峰,说明各种不同形状的3D打印Zr基非晶合金中都有部分晶化发生。据标定,主要的晶化相为Al₅Ni₃Zr₂。

不同几何形状样品模型建立及温度场计算

考虑到立方块状样品与孔洞结构样品的区别在于:打印过程中孔洞结构与未熔粉末接触表面更多,其热对流、热传导等有异于立方块样品,可能会导致温度场分布不同。因此,提出了两种不同的模型用于计算这个区别:

  • 3D打印立方块样品:非晶粉末平铺在已成形块体非晶合金上(记作固态区域),在激光扫过后粉末完全融化然后凝固成型。此过程中热量主要通过热传导经下层已成形非晶合金上耗散掉。
  • 3D打印孔洞状样品:除了固态区域外,其与粉末邻近的区域(记作表面区域,如图所示的S区域),在扫描过程中S区域旁侧的粉末并没有融化。在S区域,热量通过已成形固体和旁侧松散粉床进行耗散,其冷速要慢于固态区域的。

正是基于这两种不同模型,计算了不同结构的熔池和热影响区附近的温度场分布。对固态区域和S区域,重加热时间分别约为3 ms和5 ms。两者重加热时间十分短暂,但却足够激活非晶合金的晶化。

一般而言,晶化孕育时间与晶化温度符合阿伦尼乌斯方程。经计算,当非晶合金的温度接近熔点时,晶化孕育期将缩短到皮秒级别。此时,重加热时间已经大于此孕育时间但不足以造成完全晶化,故而热影响区域内会发生部分晶化,出现非晶相和纳米晶复合的现象。注意到S区域的重加热时间比固态区域处的稍长,这是因为S区域更慢的散热速率导致的。

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非晶含量差异原因分析

熔池内合金是完全非晶态的,而热影响区内是部分晶化的。然而,模拟显示孔洞样品HAZ较块体样品的发生了更严重的晶化,这与非晶含量变化规律并不一致。

考虑到孔洞结构和栅格结构的3D打印样品中的熔池大小比立方块体样品中的更大,合理的推测是非晶含量的区别可能是由于不同熔池大小导致的。从TEM结果和有限元分析上看,立方块和孔洞结构的热影响区大小区别不大,即便晶化程度略有区别,但孔洞结构的熔池大小要远大于立方块样品的,故其非晶含量最高。这种熔池大小的区别是因为边界处(S区域)缺少约束,熔池自由流动造成的。


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