科研进展丨《Progress in Materials Science》发表非晶合金制造成型长篇综述

2024-03-25
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高性能金属材料广泛应用于国民经济、社会发展、国防建设和人民生活的各个领域,成为保障经济建设、社会进步和国家安全的重要基石,是加快形成新质生产力的重要抓手,也是建设制造型强国和创新型国家的关键支撑。传统的金属材料往往基于一到两种主要元素,形成长程有序的晶格结构,因此,可归类为由化学有序和拓扑有序主控的有序合金。非晶合金又称金属玻璃(Metallic Glasses),它是一类突破了传统金属有序结构主导所得到的兼具金属和玻璃、固体和液体特性的新一代高性能金属材料,具有高强度、高硬度、优异的耐磨耐腐蚀性、独特的热塑性及微纳米加工性能等。由于这些特点,非晶合金在穿甲武器、航天器防护、机器人减速器、精密成型模具、5G通讯等能源、信息、国防和航空航天等高新技术具有重要的应用前景。

从上世纪60年代诞生至今,非晶合金的研究已走过近60年的历程,国内外学者针对非晶本征结构、形成能力、力学性能等开展了了大量研究,但其作为结构材料大规模工程应用却受到了限制。造成这一困境的核心问题是绝大部分非晶合金的材料尺寸及室温可加工性能非常有限,极大限制该类材料优异性能的发挥和应用。迄今为止,已探索的1000余种非晶合金成分体系中,大部分材料体系临界尺寸处于毫米量级,且大多表现为室温脆性,难以像传统金属材料进行加工成型,无法发挥非晶合金的优异性能,远不能满足该类材料的工程使用要求。因此,如何突破合金的材料尺寸及室温脆性是该领域长期面临的“卡脖子”难题。

为解决以上瓶颈问题,松山湖材料实验室汪卫华院士牵头,联合深圳大学、广东工业大学、华南理工大学和东莞理工学院等单位,共同获批了2019年度广东省首批基础与应用基础研究重大项目“新一代非晶合金的设计、制备与先进制造基础研究(2019B030302010)”。该项目聚焦非晶合金的形成能力这一最重要的科学问题进行攻关,旨在通过声、热、光及多能量场耦合等先进制造的理念和技术突破传统快速凝固的限制,提出“非晶合金的制造成型”这一全新的制备策略(如下图1所示),从而突破半世纪以来限制非晶合金规模应用的瓶颈问题,获得一系列高性能非晶合金新材料。

图1  快速凝固策略与先进制造策略的对比(快速凝固:液体到固体;先进制造策略:“以小制大”)

 

在该项目支持下,研究团队取得了一系列原创性突破,例如发展了非晶合金的热力耦合制造技术并获得了分米级的巨型非晶合金;提出了非晶合金的超声振动诱导塑性并开发了多种低温制备技术及装备;提出了非晶合金的原子制造概念,为获得奇异体系和性能的非晶合金新材料提供了关键支撑等。

基于以上研究成果,结合本领域最新研究进展,松山湖材料实验室汪卫华院士与深圳大学马将教授团队共同梳理撰写了非晶合金制造成型方向的长篇综述论文。论文全面调研了非晶合金和非晶合金构件制造技术的发展现状,其内容涵盖了增材、等材和减材制造非晶合金及其加工技术的一系列进展,尤其是系统阐述了超声制造加工这一新技术的成果及应用前景(如下图2所示)。同时,本论文还综合对比了以上多种加工技术的优势和缺陷,评估了其加工过程对非晶合金性能和结构的影响。本论文提出了非晶合金制造成型理念,深入探讨总结目前非晶合金制造成型过程中的一些关键科学和技术问题,为非晶合金领域的进一步发展提供新的想法和思考。

图2 非晶合金各种制造成型策略及加工技术

该综述以“Manufacturing of metallic glass components: Processes, structures and properties”为题在线发表于国际材料科学研究领域的顶级权威综述性学术期刊Progress in Materials Science 144, 101283 (2024)。该工作得到了广东省基础与应用基础研究重大项目“新一代非晶合金的设计、制备与先进制造基础研究(2019B030302010)”的重点支持。

 

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101283

 

 

撰稿:非晶材料团队