ZrCuNiAl大块金属玻璃在吹塑过程中的变形行为及结构演变

《Journal of Non-Crystalline Solids》：The deformation behaviors and structural evolution of a ZrCuNiAl bulk metallic glass during the blow molding

Zr基非晶合金吹塑成型中变形温度与结构演化的关联性研究。通过系统分析不同温度下变形行为与结构演化发现：提高温度可增强成形性并引发显著结晶，但导致应变分布不均。顶部区域结晶度最高达32.5%，热软化与结晶应变硬化共同作用形成椭圆形截面。研究为BMG工艺优化提供了理论支撑。

　　

张希顺|吕阳|赵天旭|梁宇峰|阿曼·伊克巴利|宁志良|孙建飞|黄永江

摘要

本研究探讨了Zr₄₄Ti₁₁Cu₁₀Ni₁₀Be₂₅（原子百分比）大块金属玻璃（BMGs）在不同变形温度下的变形行为和结构演变，实验采用吹塑工艺进行。随着变形温度的升高，该BMG的成形性能得到提升，同时伴随着明显的应变不均匀性。较高的变形温度促进了BMG的结晶过程。变形样品不同区域的结晶程度各不相同，其中顶部区域的结晶比例最高，这可归因于应变诱导的结晶作用。热软化与结晶诱导的应变硬化共同作用，导致了样品呈现椭圆形的形状。这些发现可能为优化BMG的吹塑工艺提供理论指导，从而促进其工业应用。

引言

大块金属玻璃（BMGs）由于其独特的原子结构（具有短程有序性和长程无序性），通常展现出优异的性能，如高强度、高硬度和良好的耐腐蚀性[1,2]，因此吸引了广泛的研究兴趣[3, [4], [5], [6], [7]]。然而，它们在室温下的内在脆性严重限制了其成形性能。幸运的是，在过冷液相区域（SLR）内，BMGs可以在结晶前通过低压力发生粘性变形[8, [9], [10], [11]，从而实现超塑性成形（SPF）。

BMGs的超塑性成形（SPF）受其在SLR内的粘性流动行为控制，这种流动行为可分为牛顿流、非牛顿流和非均匀流三种类型[12, [13], [14]]。李等人[15]和陶等人[16]的研究表明，牛顿流能够增强基于Zr的BMGs的SPF能力。卢等人[17]报告称，BMGs在较低应变率下表现出均匀变形，但在较高应变率下会发生脆性剪切断裂。变形温度的升高促进了从非均匀剪切断裂向均匀变形的转变。张等人[18]指出，随着应变率的增加或变形温度的降低，流动行为会从牛顿流转变为非牛顿流。这些结果表明，变形温度和应变率对于确定BMGs的SPF行为至关重要。此外，流动应力可能在高温成形过程中加速BMGs的结晶过程。

在各种成形技术中，吹塑被广泛用于制造复杂且接近净形的BMG部件。Schroers等人[19,20]成功利用SLR内的吹塑工艺，从Zr₄₄Ti₁₁Cu₁₀Ni₁₀Be₂₅（原子百分比）材料中制备了半球形零件，实现了较小的气体压力下的显著变形，这归功于自由成形过程中没有外部摩擦。尽管之前的研究已经探讨了温度和应变率对BMG变形的单独影响，但这些参数对吹塑过程中变形行为和结构演变的耦合效应仍不明确。

本研究选择了Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3（原子百分比）BMG进行吹塑，因其具有优异的玻璃形成能力[21]。系统地研究了在不同温度下变形样品的高度变化和应变分布，以表征其变形行为。此外，还对变形样品的结晶程度进行了结构分析和定量评估，以阐明吹塑过程中的结构演变。

章节片段

基于Zr的BMGs的制备

使用纯度≥99.9 wt.%的Zr、Ni、Cu和Al元素，通过水冷铜炉的弧熔炉制备了尺寸为40 mm × 50 mm × 3.0 mm的Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3合金锭。为确保成分均匀性，每个锭子在氩气气氛下至少重新熔炼了五次，并进行电磁搅拌。随后通过线切割电火花加工从铸锭中制备了尺寸为30 mm × 35 mm × 0.7 mm的样品。

样品的吹塑

BMG

结果

图2显示了铸造态Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3 BMG样品的典型XRD图谱和HRTEM图像。XRD图谱在2θ = 37°处显示出一个宽的漫射峰，没有明显的布拉格峰（图2(a)）。HRTEM观察到的无序原子排列以及SAED图谱中的特征“晕圈”特征证实了样品的非晶态（图2(b)）。

使用DSC评估了所研究BMGs的热性能，以确定合适的变形温度

讨论

本研究探讨了Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3 BMG在SLR内吹塑过程中的变形行为和结构演变。样品不同区域的结晶倾向和应变存在差异。接下来，我们将讨论这些现象。

多项研究证实，BMGs在SLR内表现出优异的超塑性成形性能[14]。在本研究中，分别在463 °C、470 °C、478 °C和485 °C下吹塑的BMG样品的高度...

结论

系统研究了基于Zr的BMG在不同变形温度下的变形行为和结构演变。主要结论如下：

1.

通过吹塑成功制备了基于Zr的BMG部件。随着变形温度的升高，整体成形性能得到改善，这体现在样品高度和应变的显著增加上。较高的温度也导致了更不均匀的应变分布。

2.

数据声明

支持本研究结果的数据可向相应作者索取。

作者贡献声明

张希顺：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，实验研究，数据管理，概念构思。吕阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，实验研究，数据管理，概念构思。赵天旭：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，资源提供，实验研究，数据管理，概念构思。梁宇峰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，实验研究，数据管理，概念构思。阿曼·伊克巴利：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金在项目编号52171154和52371106下的财政支持。