激光重熔对块体非晶合金表层微观结构及力学性能的影响

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翻新时间：2023-04-05

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激光重熔对块体非晶合金表层微观结构及力学性能的影响

摘要：本文选取Zr基Cu46Zr46Al8非晶合金采用YAG型激光仪对非晶合金表面进行重熔的预处理方法。通过单轴压缩实验机对两种体系的非晶合金进行压缩，表征其塑性提升能力。实验结果表明：通过激光处理Cu46Zr46Al8非晶合金使其表面产生熔凝层，诱导生成表面纳米级晶体，形成表面晶体、心部非晶的夹心结构。变形过程中，晶体通过位错滑移变形，而心部剪切带在表面晶体阻碍下不再延单一方向扩展，在两种变形协同作用下，塑性得以提升。同时调整激光各项工艺参数，可以有效控制非晶合金表面熔凝层中晶体的大小、范围及数量。

关键词：非晶合金；激光熔凝；晶化；剪切带；塑性

1引言

通过激光表层重熔处理，改变块体非晶合金近表层微观结构，来提高块体非晶合金的塑性变形能力。研究表明，非晶合金在上述激光表层处理后，其图1.1所示重熔层地微观结构可能发生以下变化：

图1.1 激光重熔处理后非晶试样微观结构空间分布示意图

在压缩变形过程中，心部非晶体系由于表层晶体阻碍剪切带增长，从而得以使非晶剪切带各向扩散，从而提高塑性。

2.试样制备和实验方法

制备Cu46Zr46Al8块体非晶合金的铸锭是在钛吸附氩气气氛保护下，采用纯度为99.9%的Zr、纯度为99.99%的Ti、 Cu、Ni及Al高纯金属，然后利用真空电弧炉进行混合熔炼。再通过铜模吸铸法制备出直径为4mm的Cu46Zr46Al8非晶合金柱状试样，为后续激光熔凝处理使用。

采用YAG激光器脉冲式的高能激光束在Cu46Zr46Al8非晶块体表面进行熔凝处理。激光处理方法为沿非晶合金棒轴线方向逐道扫描。将处理好的非晶合金试样通过XRD分析其物质组成含量，分析激光处理对非晶合金表面成分的改变。再通过SEM电子扫描显微镜分析其微观形貌。

3 实验结果分析

3.1 XRD分析

图3.1 Cu46Zr46Al8铸态非晶合金及激光处理后试样XRD图谱

3.2.微观组织分析

图3.2 激光处理后 Cu46Zr46Al8熔凝层金相图

3.3 力学性能

同一非晶合金在不同加工处理后组织结构改变，导致其力学性能有所变化。图3.3为Cu46Zr46Al8铸态非合金和激光处理功率1.0kw、扫描速率10mm/s、频率15Hz、搭接率30%、离焦量5.5mm的参数条件下样品压缩应力应变曲线，铸态Cu46Zr46Al8非晶合金在压缩实验中明显表现为脆性断裂，而激光处理后的Cu46Zr46Al8非晶合金由于晶体的引入，表现出良好的塑性。

图3.3 Cu46Zr46Al8铸态非晶合金及激光处理后压缩实验应力应变曲线图

4 结论

（1）在其他工艺参数额定的状态下，在不同激光功率和激光扫描速率的条件下制备Cu46Zr46Al8非晶合金熔凝层，并分析功率和速率的影响程度。最终在功率1.0kw、扫描速率10mm/s、频率15Hz、搭接率30%、离焦量5.5mm的参数设定条件下，激光处理Cu46Zr46Al8非晶合金能得到最佳熔凝层。

（2）通过电子显微镜（SEM）对熔凝层分析可知，Cu46Zr46Al8非晶合金在适当激光熔凝处理后，会生成ZrCu、Zr2Cu相，且熔凝层中以ZrCu相为主，伴随生成有少量Zr2Cu相。随着激光功率增大，ZrCu相含量显著增长，Zr2Cu相则适量增多。且由于形核质点位缺乏而无法形成支状晶。