金属玻璃线基弹簧

《Materials & Design》：Metallic glass wire-based springs

　　

金属玻璃线基弹簧：弹簧是通过金属玻璃线的热塑性成形制造的。金属玻璃弹簧的性能超越了最先进的弹簧材料。当制造过程中仅使用弹性变形时，可获得优越性能。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
弹簧作为机械系统中广泛应用的组件，其性能优化长期聚焦于几何设计与结构创新，但材料创新进展缓慢。传统弹簧以晶体金属（如弹簧钢、不锈钢）为主，较少使用钛合金或镍基超合金，其螺旋弹簧效率已停滞。块体金属玻璃（BMGs）因兼具高弹性应变极限（约2%）和高屈服应力，表现出高回弹能力，被认为是高性能弹簧的理想候选材料。然而，BMGs的非晶态为亚稳态，需快速冷却以避免结晶，导致其加工困难，传统金属加工方法不适用。热塑性成形（TPF）方法应运而生，可于超冷液相区在可操作时间尺度内对BMGs进行成形，且不影响力学性能。但此前，完全成形的BMG螺旋弹簧仍未实现，主要障碍在于：a）需要线材作为原料；b）需多步TPF处理以避免结晶。近期，多步TPF处理窗口及基于TPF的连续拉丝方法被开发，研究人员利用这些进展，通过弹性应力释放的多步TPF制造了螺旋弹簧。

**研究内容与结论**
本研究展示了金属玻璃（MG）螺旋弹簧的制造、表征与性能验证，采用两种TPF路线：仅涉及弹性变形（弹性TPF）与同时涉及塑性变形（塑性TPF）的应力释放。研究人员将MG弹簧与相同几何形状的不锈钢、弹簧钢弹簧进行对比，评估弹簧常数（K-常数）、品质因数（Q-因子）、最大弹性力与最大弹性位移。结果表明，MG弹簧更软（K-常数更低）、能量耗散更少（Q-因子更高），且弹性工作范围显著更大。当制造过程中避免剪切带形成时，性能较含剪切带的MG弹簧更优。该研究证明，通过可扩展、精确、多功能且快速的TPF工艺制造的MG弹簧，在弹性位移极限上达到弹簧钢的2倍，有望推动BMG弹簧的广泛应用。论文发表在《Materials》。

**主要关键技术方法**
1. **热塑性成形（TPF）**：利用时间-温度-转变（TTT）图，将非晶原料加热至超冷液相区（355°C，45–90秒），在避免结晶的时间尺度内释放弹性应力，冻结形状。
2. **多步TPF工艺**：弹性TPF采用两步法，先绕大半径（9.75 mm）铝杆进行弹性形变，经TPF应力释放后，再绕小半径（5 mm）铝杆进行第二次弹性形变与TPF；塑性TPF采用一步法，直接绕小半径（5 mm）铝杆进行塑性形变（伴随剪切带形成），再进行TPF应力释放。
3. **熔盐浴加热**：设计熔盐浴以实现均匀快速加热至加工温度（355°C）。
4. **连续线材拉丝**：基于TPF的连续拉丝方法制备MG线材原料（Ni₄₅Pd₃₅P₁₇B₃）。

**研究结果**
**热塑性成形（Thermoplastic forming of BMGs）**
通过TTT图确定加工窗口：Ni₄₅Pd₃₅P₁₇B₃ MG在355°C下等温保持约12分钟开始结晶，而弹性应力释放时间约10秒，因此选择45秒与90秒加工时间可避免结晶。

**弹簧制造（Spring Making）**
利用线径约250 μm的MG线材，根据弹性应变极限（2%）计算临界半径（R_C = t/0.04），设计弹性TPF（两步法，每步形变在弹性范围内）与塑性TPF（一步法，形变超过弹性极限，产生剪切带）。弹性TPF最终弹簧无剪切带，塑性TPF弹簧表面分布高密度剪切带。

**产品（Product）**
通过调整铝杆直径与螺距，可制造不同长度、直径的弹簧。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，弹性TPF弹簧表面光滑，塑性TPF弹簧表面存在大量剪切带。

**弹簧表征（Spring Characterization）**
- **Q-因子**：弹性MG弹簧最高，其次为塑性MG弹簧、弹簧钢、不锈钢。MG弹簧能量耗散更低，弹性TPF工艺因无剪切带，Q-因子更高。
- **K-常数**：弹性与塑性MG弹簧K-常数相近，均低于不锈钢与弹簧钢，源于MG较低的杨氏模量（77.5 GPa）。
- **最大弹性力与位移**：弹性MG弹簧最大弹性力略高于塑性MG弹簧与弹簧钢，不锈钢最低。弹性MG弹簧平均最大弹性位移约21 cm（约初始长度的740%），为弹簧钢（约10.5 cm）的2倍，不锈钢（约3 cm）的7倍。

**弹性与塑性弹簧对比（Elastic vs Plastic Springs）**
弹性TPF弹簧因无剪切带，避免了应力集中与更高虚温导致的内部耗散增加，从而具有更高的Q-因子。塑性TPF弹簧中剪切带的存在降低了不可逆势垒跨越的活化能，增加能量耗散。

**总结讨论与结论**
弹性TPF弹簧在品质因数与弹性工作范围上显著优于塑性TPF弹簧及传统弹簧材料。研究表明，制造过程中避免剪切带形成是获得优异性能的关键。结论原文翻译如下：
我们展示了MG螺旋弹簧的制造、演示与表征。引入了两种不同的制造工艺。第一种工艺是单步过程，在室温下将MG线材弹性与塑性变形为螺旋弹簧形状，导致大量剪切带形成，随后通过加热释放弹性应力永久定型。第二种工艺是两步过程，仅在室温下对MG线材进行弹性变形，需要两次加热冷却循环实现全部所需变形，此类弹簧无剪切带。两种工艺产生不同性能的弹簧，可归因于剪切带特征。将制造的弹簧（相同几何形状）与最先进的弹簧材料比较，我们发现弹性MG弹簧的品质因数优于最先进的弹簧钢弹簧。最显著的是弹性MG弹簧在最大弹性位移极限上的优越性能，达到弹簧钢的2倍。所引入的工艺具有高度可扩展性、精确性、多功能性与快速性，结合优越性能，表明BMG弹簧有望广泛应用。