塊體非晶合金是一種原子結(jié)構(gòu)處于非平衡態(tài)的金屬合金，不具有傳統(tǒng)晶體材料中的位錯(cuò)、孿晶等承載塑性變形的基本結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的原子排列賦予了塊體非晶合金優(yōu)異的力學(xué)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(wěn)定的裂紋擴(kuò)展阻礙能力成為塊體非晶合金在航空裝備領(lǐng)域推廣的瓶頸。改善塊體非晶合金的彎曲力學(xué)性能，同時(shí)考慮航空結(jié)構(gòu)材料選材的經(jīng)濟(jì)性，研究激光表面處理工藝對(duì)工業(yè)級(jí)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(guī)律，因此找到最優(yōu)的工藝參數(shù)，提高其在彎曲條件下的力學(xué)性能，促進(jìn)其作為結(jié)構(gòu)材料在航空裝備領(lǐng)域的應(yīng)用成為迫切需求。

基于此，來(lái)自中國(guó)航天科技創(chuàng)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(yè)級(jí)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(yīng)力狀態(tài)對(duì)其彎曲力學(xué)行為和缺口韌性的影響，與試樣的受力情況緊密相關(guān)。殘余應(yīng)力與外載應(yīng)力的正向耦合能夠放大外載應(yīng)力的作用效果，表面和心部的成分差異也有可能作為應(yīng)力集中點(diǎn)出現(xiàn)，導(dǎo)致裂紋源的形成，降低試樣的斷裂強(qiáng)度。相關(guān)研究成果于2023年5月在《裝備環(huán)境工程》上發(fā)表。

研究人員采用名為Zr_49.7Ti₂Cu_37.8Al₁₀Er_0.5的工業(yè)級(jí)塊體非晶合金，使用海綿鋯和海綿鈦?zhàn)鳛樵牧稀＠秒娀∪蹮挔t制備試樣，采用脈沖Nd:YAG激光器對(duì)試樣進(jìn)行表面處理，100、150、250mm/min三種參數(shù)標(biāo)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(tài)結(jié)構(gòu)，通過(guò)掃描電鏡（SEM）對(duì)力學(xué)加載后試樣的表面形貌進(jìn)行觀察，然后利用SANS5504電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試，利用Abaqus有限元軟件模擬計(jì)算激光處理在非晶合金中產(chǎn)生的溫度場(chǎng)，然后利用溫度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算相應(yīng)的殘余應(yīng)力場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)激光表面處理對(duì)試樣彎曲力學(xué)性能的影響與其受力狀態(tài)有關(guān)（圖1）。外載與激光表面處理引入的殘余應(yīng)力負(fù)向耦合，能夠有效降低試樣中的應(yīng)力水平，進(jìn)而顯著提高試樣的彎曲斷裂強(qiáng)度（圖2）。在激光處理表面的殘余拉應(yīng)力位于彎曲試樣的受壓側(cè)時(shí)，試樣的彎曲斷裂強(qiáng)度從2150MPa提高到2550MPa。外載與殘余應(yīng)力正向耦合時(shí)，則會(huì)提高試樣中的應(yīng)力水平，導(dǎo)致試樣提前失效。激光處理表面的殘余拉應(yīng)力位于彎曲試樣的受拉側(cè)時(shí)，試樣的彎曲斷裂強(qiáng)度從2150MPa降低到1800MPa；對(duì)于激光處理試樣的缺口韌性，當(dāng)激光處理試樣表層和心部?jī)上嘟缑媾c受載試樣的側(cè)表面平行時(shí)，由于兩相界面在受載時(shí)變形不均勻，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，這導(dǎo)致激光處理試樣的缺口韌性比鑄態(tài)試樣低50%（圖3）。當(dāng)激光處理試樣表層和心部?jī)上嘟缑嫖挥谑茌d試樣的上表面時(shí)，由于激光處理試樣表層的殘余應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于缺口根部的應(yīng)力集中，并不影響缺口根部的裂紋擴(kuò)展，因此激光處理試樣的缺口韌性與鑄態(tài)試樣相比沒(méi)有明顯變化（圖4），該項(xiàng)研究為日后更多航空裝備領(lǐng)域非晶材料的研究推廣提供了一定借鑒意義。

該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（12202006,52274399）項(xiàng)目的支持。