成功实现了对数百克重、尺寸为100毫米的复杂结构Vit1金属玻璃部件的铸造成型

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Realizing casting formation of 100 mm complex structure Vit1 metallic glass component over hundreds of grams

本研究通过优化反重力铸造工艺参数，成功制备了直径100mm、重462g的Vit1非晶合金支架，解决了大尺寸复杂构件成型难题。实验表明铜模具需配合水冷以实现临界冷却速率，确保完全玻璃化转变，为工程应用奠定基础。

　　

张伦勇|陈希元|李修章|康红岩|王宪星|米景龙|张超军|高瑞帅|金志帅|曹冠宇|沈宏贤|易军|霍俊涛|马敏珍|曹富阳|孙建飞

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，中国哈尔滨 150001

摘要

尽管大块金属玻璃（BMGs）在过去几十年中具有巨大潜力，但它们尚未在工程领域得到应用。BMG组件的尺寸和结构限制仍然是一个瓶颈，这一直是一个重大挑战。本研究通过利用反重力铸造技术的优势，优化铸造工艺，成功制造出了一个外径为100毫米、重量为462克的Vit1 BMG支架组件。结果表明，铜模具不适合实现高于玻璃转变所需临界冷却率的冷却速度。需要对模具进行额外的水冷处理以达到足够的冷却速度。基于此，我们仔细调整了熔体浇注温度、模具预热温度和加压速度，以确保模具型腔的完全填充和熔体填充过程中的稳定性。这项工作证明了通过铸造生产大型复杂BMG组件的可行性，为BMG在各个领域的广泛应用铺平了道路。

引言

大块金属玻璃（BMGs）在过去几十年中因作为替代传统金属材料的结构材料的巨大潜力而受到科学界的广泛关注[1,2]。然而，这一潜力尚未得到充分实现，因为BMGs由于其有限的玻璃形成能力，从未通过铸造方法制成大型、完全玻璃化的复杂结构组件。迄今为止，仅制备了线材、棒材、板材和/或微小的复杂结构样品[2]。这些样品的几何形状通常较为简单，整体尺寸也受到限制，通常小于100毫米。迫切需要突破这一瓶颈，以进一步发展BMGs并使其在工程中得到应用。

通过铸造制造大块金属玻璃（BMGs）的尝试已经进行了近三十年[1,3]。目前最常用的方法是真空吸铸和压铸，利用这些方法已经生产出了球轴承[4]、手表框架[4]、钥匙[5]、高尔夫球杆[6]、手机框架[7]、应变波齿轮[8]等制品，尽管某些样品中仍含有少量纳米晶相。这些BMG铸造组件的结构特性简化了熔体流动和温度场，导致对铸造工艺设计的重视程度较低。因此，BMGs的流动和凝固/固化行为仍然是一个未解之谜，而这对于成功铸造大型复杂BMG组件至关重要。由于熔体需要具备足够的型腔填充能力才能成功形成组件，因此需要较低的冷却速度以确保在完全凝固前有足够的填充时间；另一方面，为了实现完全玻璃化，则需要较高的冷却速度。因此，在铸造大型复杂BMG组件所需的冷却条件中存在矛盾。必须在铸造过程中找到平衡。

最近，一些研究从铸造技术的角度关注了这一问题。马等人首次评估了Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5（Vit1）熔体在铜螺旋模具中的流动性和填充能力，并探讨了流动性与浇注速度/温度之间的相关性[9]。此外，还建立了一个预测真空吸铸中Zr基BMG熔体流动长度的模型，该模型表明流动长度随温度、压力和流道直径的增加而增加[10]。BMG熔体的流动长度主要受模具冷却能力的影响[11]。必须满足适当的条件以避免铸造缺陷[10]。研究表明，在传统的重力浇注过程中，提高熔体过热温度可以显著提高Vit1 BMG熔体的流动性，但会降低其玻璃化程度[12]。

另一方面，最近的研究发现，Zr基BMGs的凝固发生在狭窄的过渡层中，其凝固模式类似于结晶金属在狭窄结晶温度范围内的“逐层”凝固过程。这意味着BMG熔体的凝固不是同时发生的[13]。这一理解对于设计铸造工艺以避免BMG组件中的缺陷至关重要。还研究了模具材料对BMG凝固过程的影响。研究发现，耐火钢、纯石墨和铜模具分别产生45、52和64 K/s的瞬时冷却速率，这些速率会影响样品的微观结构[11]。适当提高模具温度可以延长凝固时间，而不会影响非晶熔体的玻璃化程度，从而有助于改善内部温度梯度，降低组件变形或开裂的风险，同时不会显著降低玻璃化程度[14]。

这些研究表明，BMG熔体的凝固过程在一定程度上可以通过工程手段进行调节，为使用优化工艺铸造大型复杂BMG组件提供了可能性。在本研究中，利用真空反重力铸造技术和优化的工艺条件，成功制造出了一个尺寸约为100毫米、重量超过400克的完全玻璃化的Vit1 BMG支架，证明了铸造大型复杂BMG组件的可行性，并推动了BMG在工程中的应用。

实验部分

实验

图1a显示了支架组件的几何形状，其最大直径为Φ 100毫米，通常由钢制成，用作某些机器的部件，例如支撑底座。为此，在ProCAST 2022平台上使用数值模型构建了支架的三维模型，用于进一步进行型腔填充流场和凝固温度场模拟，如图1b所示，该模型包含一个外尺寸为…的铜模具型腔

结果与讨论

我们首先研究了铜模具尺寸对组件铸造过程的影响。图2展示了熔体浇注和凝固过程中的温度场变化。结果显示，对于所有模具（图2的左侧列），熔体在填充2.32秒后到达支架四个肋板的中间部分。观察到的主要差异在于温度分布。

结论

总结来说，我们通过基于精细优化的铸造工艺，利用反重力精密铸造技术成功铸造出了具有复杂结构和少量孔隙的大型支架组件，确保了完整的结构形成和全体积玻璃化。我们的结果表明，水冷对于增强铜模具的冷却效果以及达到玻璃转变所需的临界冷却速率至关重要。

数据声明

本研究的数据可应请求向相应作者获取。

作者贡献声明

张伦勇：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、项目管理、资金获取、数据分析、概念构思。陈希元：撰写 – 原稿、验证、软件使用、实验研究、数据分析。李修章：资源提供、实验研究。康红岩：资源提供、实验研究。王宪星：软件使用、实验研究。米景龙：软件使用、实验研究。张超军：资源提供、实验研究。