《裝備環境工程》王鵬飛等工作：激光表面處理對工業級鋯基塊體非晶合金彎曲

塊體非晶合金是一種原子結構處于非平衡態的金屬合金，不具有傳統晶體材料中的位錯、孿晶等承載塑性變形的基本結構，獨特的原子排列賦予了塊體非晶合金優異的力學性能。然而，塊體非晶合金剪切帶的萌生較為困難，較差的塑性變形能力和不穩定的裂紋擴展阻礙能力成為塊體非晶合金在航空裝備領域推廣的瓶頸。改善塊體非晶合金的彎曲力學性能，同時考慮航空結構材料選材的經濟性，研究激光表面處理工藝對工業級Zr_49.7Ti₂Cu_37.8Al₁₀Er_0.5塊體非晶合金彎曲變形和缺口韌性的影響規律，因此找到最優的工藝參數，提高其在彎曲條件下的力學性能，促進其作為結構材料在航空裝備領域的應用成為迫切需求。

基于此，來自中國航天科技創新研究院的王鵬飛等研究人員采用激光表面處理的方法，在工業級Zr_49.7Ti₂Cu_37.8Al₁₀Er_0.5 塊體非晶合金試樣表面引起的成分變化和引入的殘余應力狀態對其彎曲力學行為和缺口韌性的影響，與試樣的受力情況緊密相關。殘余應力與外載應力的正向耦合能夠放大外載應力的作用效果，表面和心部的成分差異也有可能作為應力集中點出現，導致裂紋源的形成，降低試樣的斷裂強度。相關研究成果于2023年5月在《裝備環境工程》上發表。

研究人員采用名為Zr_49.7Ti₂Cu_37.8Al₁₀Er_0.5的工業級塊體非晶合金，使用海綿鋯和海綿鈦作為原材料。利用電弧熔煉爐制備試樣，采用脈沖Nd:YAG激光器對試樣進行表面處理，100、150、250mm/min三種參數標注于試樣上，利用BrukerAXSD8型X射線衍射儀確定激光表面熔化處理前后試樣為非晶態結構，通過掃描電鏡（SEM）對力學加載后試樣的表面形貌進行觀察，然后利用SANS5504電子萬能試驗機對試樣進行三點彎曲力學性能測試，利用Abaqus有限元軟件模擬計算激光處理在非晶合金中產生的溫度場，然后利用溫度場結果進一步計算相應的殘余應力場，發現激光表面處理對試樣彎曲力學性能的影響與其受力狀態有關（圖1）。外載與激光表面處理引入的殘余應力負向耦合，能夠有效降低試樣中的應力水平，進而顯著提高試樣的彎曲斷裂強度（圖2）。在激光處理表面的殘余拉應力位于彎曲試樣的受壓側時，試樣的彎曲斷裂強度從2150MPa提高到2550MPa。外載與殘余應力正向耦合時，則會提高試樣中的應力水平，導致試樣提前失效。激光處理表面的殘余拉應力位于彎曲試樣的受拉側時，試樣的彎曲斷裂強度從2150MPa降低到1800MPa；對于激光處理試樣的缺口韌性，當激光處理試樣表層和心部兩相界面與受載試樣的側表面平行時，由于兩相界面在受載時變形不均勻，會產生應力集中，這導致激光處理試樣的缺口韌性比鑄態試樣低50%（圖3）。當激光處理試樣表層和心部兩相界面位于受載試樣的上表面時，由于激光處理試樣表層的殘余應力水平遠小于缺口根部的應力集中，并不影響缺口根部的裂紋擴展，因此激光處理試樣的缺口韌性與鑄態試樣相比沒有明顯變化（圖4），該項研究為日后更多航空裝備領域非晶材料的研究推廣提供了一定借鑒意義。

該項研究得到國家自然科學基金（12202006,52274399）項目的支持。