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SLM技术下Zr基非晶合金几何形状对性能的作用研究

来源：杰呈3D打印发布时间：2025-10-31 10:31:37 浏览次数：0次

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SLM技术制备Zr基非晶合金的工艺与性能研究

在选择性激光熔化（SLM）成形过程中，工艺参数对打印件的性能影响显著。激光功率、扫描速率、扫描间距、扫描层厚以及扫描策略等参数，会极大地改变打印件的非晶含量、孔隙率和晶化相分布。例如，激光功率过高会导致严重的晶化现象，而过低则会使粉末熔化不完全，造成打印件结构松散、孔隙率增大，过高或过低的激光功率还可能在成型样品上引发微裂纹。

目前，关于复杂几何形状非晶合金通过SLM制备成形的文献较少。何种非晶合金体系能成功成型复杂几何形状、不同几何形状对打印件微观结构的影响，以及何种几何形状的非晶合金对催化反应更有效等问题，均未得到充分研究。然而，这些问题的解决对于制备高活性3D立体多孔非晶合金催化剂至关重要。

基于此，本研究选择玻璃形成能力较强、成分范围适合作脱合金化前驱体的Zr55Cu30Ni5Al10非晶体系，利用SLM技术制备不同几何形状的样件，系统探究打印件几何形状对微观结构的影响，并通过有限元模拟揭示其内在原因。

SLM用粉末制备与特性

实验采用Zr基非晶合金粉末，名义成分为Zr55Cu30Ni5Al10(at.%)，通过氩气气雾化法制备。先根据合金名义成分称取特定质量的高纯度金属（>99.9%）原材料，经电弧熔炼得到母合金。再将母合金放入雾化设备，破碎后放入石墨坩埚，置于气体雾化设备的感应线圈中，抽真空至预设值后充入氩气保护。启动电源，通过感应加热使合金融化成液体，同时向坩埚内和喷嘴处通入高压氩气，金属熔体高速喷出并被冲散为细小液滴，快速凝固形成细小的非晶态球形粉末。筛分后，选用粒径小于33μm的粉末用于SLM成型。扫描电子显微镜表征显示，粉末表面光滑呈球形，流动性良好，适合3D打印；XRD图谱无尖锐晶体衍射峰，表明合金为完全非晶态，适合SLM成型不同结构的Zr基非晶合金。实验前，将粉末置于100℃烘箱内烘烤5h，以除去表面吸附的水气，提高粉体流动性。同时，选用Ti6Al4V平板作为打印基板，实验前用磨床将基板上下表面磨平，保证粉层厚度均匀。

实验设备及参数设定

本实验采用哈尔滨福沃德多维智能装备有限公司研制的金属3D打印设备FORWEDO LM-120，配备Nd:YAG光纤激光器，激光波长1060nm，光束直径80μm，最大输出功率500W。打印时，先将非晶合金粉末倒入粉缸，安装钛合金基板并调节水平，关上工作腔室，抽真空至10-2Pa后充入氩气，使腔室内氧气含量始终低于100ppm。因该体系SLM成型工艺已有研究，故采用此前报道的最佳工艺：激光功率240W，扫描速率1200mm/s，铺粉厚度60μm，扫描间距100μm，扫描策略为正交扫描，以降低热应力避免开裂。

几何形状设计与研究方法

为研究几何形状对催化性能的影响，使用商业软件Solidworks设计了块体状、孔洞状和栅格状三种不同结构。通过对比3D打印过程中复杂几何形状与块体非晶合金的微观结构，探究其影响。

样品处理与分析手段

利用线切割将样品从钛合金基板上切割下来，进行表面打磨、抛光。相结构分析采用Philips χ’Pert Pro型XRD（Cu Kα）；热分析使用TA Q2000型差示扫描量热仪（DSC），升温速率20K/min，通Ar气保护；微观结构观察先用Leica DFC 450型光学显微镜，样品经特制腐蚀液（15ml H2O、15ml浓硝酸和1.5ml浓HF混合溶液）腐蚀后观察熔池和热影响区；热影响区和熔池内的微观结构进一步通过透射电子显微镜（TEM）观察，透射电镜样品采用聚焦离子束（FIB）方式制备，在立方块和孔洞结构样品的熔池和热影响区边界垂直于界面切割约8μm * 2μm大小的区域进行观察。