通过选择性激光熔化在铁基非晶合金表面形成超疏水结构的工艺探索

《Applied Surface Science》：Process exploration for superhydrophobic surface formation on Fe-based amorphous alloys via selective laser melting

通过优化选择性激光熔化（SLM）参数，成功实现了厘米级高密度Fe基非晶合金 bulk样品的制备，并突破其尺寸限制。研究创新性地将仿生超疏水表面构建与机械能收集系统整合，基于非晶合金/PTFE复合材料实现双模态能量转化。

　　

Zeling Yang|Aodu Zheng|Xiyu Li|Xiaotong Guan|Guiwei Li|Xuechao Li|Wenzheng Wu

吉林大学机械与航空航天工程学院，中国长春，吉林130025

摘要

系统地采用选择性激光熔化（SLM）技术制备了基于铁的金属玻璃（MGs）。研究重点在于如何优化激光功率以影响成形质量，同时还可以优化扫描速度来影响成形质量。此外，通过优化重熔策略也能影响成形质量。研究确定了一个稳定的加工窗口，能够制备出厘米级、完全非晶态的大块样品，这些样品具有高密度且不发生结晶。重熔过程被证明可以提高表面质量、机械性能和致密度，同时保持非晶结构。进一步地，可以在合金表面直接构建仿生多层次结构，这一过程无需化学改性，即可实现稳定的超疏水性。基于这种功能性表面，开发了一种双模式机械能收集系统，该系统利用基于铁的MGs/聚四氟乙烯（PTFE）复合结构，通过液滴冲击和滑动摩擦有效将环境机械能转化为电能。这一能力使其成为集成到响应各种机械刺激的自供电系统中的有前景的候选材料。这种方法突破了基于铁的MGs的尺寸限制，实现了结构与功能的集成制造，为航空航天、精密工程等相关领域提供了新的解决方案。

引言

金属玻璃（MGs），也称为非晶合金，是一类自20世纪90年代以来发展迅速的高性能金属材料[1]、[2]、[3]。其微观结构表现出长程无序和短程有序的特性，赋予了这些材料独特的强度、弹性和功能性能组合，这是结晶合金无法比拟的[4]。这种独特的原子排列使它们具有远超传统结晶合金的综合性能。一方面，MGs具有极高的强度和硬度，同时具有良好的韧性，其抗拉强度可超过3000 MPa，远超普通高强度钢[5]、[6]、[7]；另一方面，它们还表现出优异的软磁性能、出色的耐腐蚀性和耐磨性[8]、[9]、[10]。这些特性使得MGs成为航空航天、精密机械、电子信息和国防工业等关键领域的重要战略材料[11]、[12]、[13]。

非晶合金的成形性不仅受其玻璃形成能力（GFA）和散热条件的限制，还受冷却介质的散热速率的影响。因为只有当极高的冷却速率抑制了晶核形成和生长时，才会形成非晶结构[14]。因此，传统的铸造、机械合金化或气体雾化等工艺只能得到低维度的粉末、带材或线材[15]、[16]。粉末冶金工艺如热压、粉末轧制或火花等离子烧结可以将非晶粉末固化成大块形状。然而，这些合金本身具有较高的强度和室温下的脆性，因此传统的机械加工和塑性成形较为困难，难以制备大型或几何形状复杂的部件[17]、[18]。此外，MGs的制备和成形受到临界尺寸的限制，传统技术无法制造出结构复杂的部件。这一成形瓶颈极大地限制了非晶合金的广泛应用，因此成形技术的突破成为推动该领域发展的关键。

增材制造（AM）技术出现在20世纪，也称为3D打印，这种先进的逐层技术可以将三维数字模型转化为由粉末、线材或带材构成的实物部件[19]、[20]、[21]、[22]。与传统减材方法相比，AM具有更高的加工效率，并能缩短复杂几何形状产品的生产周期。因此，该技术在航空航天、生物医学和智能制造等领域发挥着重要作用[23]、[24]。AM工艺通常分为粉末床熔融、定向能量沉积、粘结剂喷射、材料挤出和片材层压等方式[25]。其中，粉末床熔融（PBF）和定向能量沉积涉及极高的加热和冷却速率，因此适合用于成形非晶合金。通过AM技术可以制备出具有复杂结构的高性能部件，而且可以直接快速实现[26]、[27]。

本文全面分析了通过选择性激光熔化（SLM）制备基于铁的MGs的过程。研究不仅旨在确定一个稳定的加工窗口，以制备厘米级的全非晶部件，还致力于推动其从结构形成向功能集成的转变。通过对关键参数的系统性探索，我们成功找到了一个既能实现高致密度又能完全抑制结晶的参数范围。研究的参数包括激光功率、扫描速度和重熔策略，重点考察了它们对成形质量、致密度和非晶相含量的影响。由此制备出了无缺陷的大块样品，尺寸可达Ф40毫米×10毫米。随后，实现了从“成形”到“功能化”的飞跃。受自然界启发的仿生多层次结构通过一步增材制造过程直接构建在制备好的基于铁的MGs表面，这一过程无需任何化学改性即可赋予其稳定的超疏水性。在此基础上，开发了一种基于基于铁的MGs/聚四氟乙烯（PTFE）复合结构的双模式机械能收集系统，该系统通过液滴冲击和滑动摩擦有效将环境机械能转化为电能。这种系统特别适用于响应多种机械刺激的自供电系统。这项工作突破了基于铁的MGs的尺寸限制，并通过工艺、结构和功能的协同设计，为高性能金属玻璃在航空航天、精密工程和微能量收集等领域的创新应用提供了新的范例。

部分内容摘要

基于铁的MGs材料

本研究使用了气体雾化的基于铁的MGs粉末（来自中国成都的中航宜达材料技术有限公司），其化学成分列于表1中。铁作为基体元素。类金属元素B（2.08 wt%）和C（2.44 wt%）促进了非晶化并稳定了玻璃态结构，从而增强了玻璃形成能力（GFA）。Cr（25.80 wt%）和Mo（16.80 wt%）作为主要合金元素，Si（0.35 wt%）的添加进一步优化了GFA。

扫描距离

扫描间距是指相邻熔池轨迹之间的距离。选择扫描间距需要综合考虑激光光斑直径、粉末导热性以及所需部件的性能。如图2(a)所示，如果扫描间距过小，相邻熔池会形成稳定的重叠区域。重叠区域的粉末会经历多次熔化-凝固循环，这虽然增强了结合强度，但会积累热应力并导致裂纹。

结论

本研究系统地研究了通过SLM制备的基于铁的非晶合金的形成机制，成功确定了关键工艺参数的优化窗口，实现了厘米级全非晶大块样品的高密度制造。此外，该研究突破了非晶合金的尺寸限制，实现了从结构形成到功能集成的飞跃，包括一步构建仿生超疏水表面的过程。

作者贡献声明

Zeling Yang：撰写原始稿件、数据可视化、软件开发、方法设计、实验研究、数据分析、数据整理。 Aodu Zheng：撰写原始稿件、数据可视化、软件开发、方法设计、实验研究、数据分析、数据整理。 Xiyu Li：数据验证、研究监督、方法设计、实验研究、数据整理。 Xiaotong Guan：数据验证、研究监督、软件开发、数据整理。 Guiwei Li：资源获取、项目管理、资金筹集、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52105342）和吉林省重点研发项目（20240302046GX）以及中国科学技术协会青年精英科学家资助计划（2023QNRC001）的支持。