通过LPBF（激光粉末烧结）工艺制备的锆基大块金属玻璃复合材料中，分子动力学模拟揭示了微观结构对力学性能的原子级影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Atomic insights from molecular dynamics simulations into microstructure-dependent mechanical properties in Zr-based bulk metallic glass composites fabricated by LPBF

Zr基BMGs通过多层层积激光粉末床熔融制备时，熔池区（MP）保持非晶态，而热影响区（HAZ）和再熔区（RZ）因复杂热历史出现晶态。分子动力学模拟揭示HAZ的非晶/晶态比例显著影响材料的应变硬化行为与剪切带（SBs）网络形成机制，导致从局部剪切到均匀塑性流动的变形模式转变，为增材制造中非晶合金的失效机制提供了原子尺度解释。

　　激光粉末床熔融（LPBF）技术为制造具有复杂几何结构的锆基块体金属玻璃（BMGs）提供了可能，然而，在多层沉积过程中，由于结构弛豫导致的热影响区（HAZ）内的结晶化仍然是一个关键挑战。本研究通过分子动力学（MD）模拟，揭示了在多层LPBF过程中不同纳米区域的动态微观结构演化。结果显示，熔池（MP）内部呈现出完全非晶态结构，而在HAZ和再熔区（RZ）则出现了结晶现象，这通过显著增加具有面心立方（FCC）结构特征的维罗诺伊多面体（VPs）比例得以证实。不同的非晶/结晶比例在微观结构中普遍影响着难以捉摸且复杂的变形行为和机制。进一步的MD模拟在拉伸载荷下进行，分析了具有不同MP和HAZ非晶/结晶比例的样品的微结构相关机械性能、剪切带（SBs）的演化以及失效机制。拉伸模拟表明，MP样品的高强度来源于其高比例的机械稳定“固态原子”VPs。相比之下，这些HAZ样品表现出显著的应变硬化和增强的塑性，这源于大量新SBs的成核以及多个SB网络的形成，这些网络分散了塑性变形，使变形行为从高度局部化的剪切转变为更加均匀的塑性流动。

金属玻璃（MG）作为一种没有长程原子有序排列的非晶合金，其独特的无序原子排列赋予了其一系列优异的物理、化学和机械性能，例如高强度、高硬度和高耐腐蚀性。这些特性使其成为工程应用的有前景材料，尤其是在增材制造（AM）技术的进一步发展下，这种技术扩大了复杂组件的制造潜力。值得注意的是，激光粉末床熔融（LPBF）作为一种新型技术，已被用于制造MG组件，因其能够实现较高的加热和冷却速率，从而达到大多数非晶合金所需的临界冷却速率。然而，由于缺乏晶界和位错等晶体缺陷，MG在室温下的脆性成为其应用的瓶颈。在拉伸载荷作用下，剪切带（SBs）可以在非晶基体中自由传播，使变形主要集中在主SBs上，从而引发高度局部化的塑性应变并导致灾难性失效。为了抑制SBs的传播，设计块体金属玻璃复合材料（BMGCs）已成为一种有效的策略。有趣的是，LPBF所具有的快速局部熔化和冷却循环可能直接促进此类复合结构的形成。重复的热积累会导致HAZ中的显著结构弛豫，从而引发严重的结晶化，这种现象难以消除。相反，在RZ中，通过降低再加热温度和提高冷却速率，结晶化被抑制，从而在LPBF过程中形成完全非晶态结构。

为了更深入地揭示LPBF过程中不同纳米区域的形成机制，本研究采用了MD模拟方法，对通过多层LPBF制造的Zr??Ti?Cu??Ni??Al?（Zr??）BMGCs的微观结构演化进行了原子尺度的分析。HAZ的特殊结构特征源于多层过程中的复杂热历史，这些特征在本研究中得到了详细探讨。此外，本研究还进一步分析了在拉伸载荷下熔池和HAZ内部原子尺度特性的动态演化，揭示了与微结构相关的变形行为和失效机制。通过这一系统的研究，我们希望为理解和优化LPBF过程中非晶合金的性能提供新的视角和理论依据。

在具体研究中，我们首先对Zr??Ti?Cu??Ni??Al? MGs粉末的LPBF过程进行了MD模拟，使用了由Zhou等人开发的嵌入原子法（EAM）势能模型，并结合了大规模原子/分子并行模拟器（LAMMPS）进行计算。EAM势能模型的准确性和可靠性已经经过严格验证。模拟系统由多个球形非晶合金粉末组成，其半径根据实际加工条件设定。通过模拟，我们能够追踪原子的运动轨迹，从而实时观察动态微结构演化，克服了传统实验方法在实时观察上的局限性。在模拟过程中，我们特别关注了熔池、HAZ和RZ这三种不同纳米区域的形成机制和结构演化。结果显示，熔池内部的原子排列高度无序，呈现出完全非晶态结构，而HAZ和RZ则表现出不同程度的结晶化趋势。

在HAZ中，由于多层沉积过程中的热积累，结构弛豫现象显著，导致局部原子排列趋向于形成有序的晶体结构。通过分析不同类型的维罗诺伊多面体（VPs），我们发现FCC结构的VPs比例显著增加，这表明HAZ中存在一定程度的结晶化。相比之下，RZ中的冷却速率较高，导致结晶化被有效抑制，从而形成完全非晶态的结构。这些不同的微结构特征在拉伸载荷作用下表现出显著的机械性能差异。在拉伸模拟中，我们观察到MP样品的高强度主要来源于其高比例的机械稳定“固态原子”VPs，这些VPs能够有效抵抗外部应力，从而提高材料的承载能力。而在HAZ样品中，由于存在大量新SBs的成核以及多个SB网络的形成，材料表现出更高的塑性和应变硬化能力。这些SB网络能够分散塑性变形，使变形行为从高度局部化的剪切转变为更加均匀的塑性流动，从而提高材料的延展性和韧性。

此外，我们还对表面形貌的演化进行了研究，发现表面粗糙度控制是LPBF制造过程中的一项关键挑战。通过分析逐层沉积过程中表面形貌的动态变化，我们观察到激光熔化表面的局部平均原子高度显著变化。这些变化不仅反映了熔池和HAZ的结构演化，还揭示了表面形貌与微结构之间的密切关系。表面粗糙度的控制对于提高材料的机械性能和表面质量至关重要，因此，理解其形成机制对于优化LPBF工艺具有重要意义。

本研究的结果表明，不同纳米区域的微结构特征对材料的机械性能具有显著影响。在MP中，由于高温熔化和快速冷却，形成了高度稳定的非晶态结构，从而赋予材料较高的强度。而在HAZ中，由于热积累和结构弛豫，导致局部结晶化，这在一定程度上降低了材料的强度，但提高了其塑性和延展性。这种差异使得不同区域的材料在承受外力时表现出不同的变形行为和失效机制。例如，在MP样品中，剪切带的形成和传播较为集中，导致材料在较低应变下发生断裂。而在HAZ样品中，由于SB网络的形成，剪切带的传播被分散，从而提高了材料的延展性，使其能够在更高的应变下发生塑性变形。

为了进一步揭示这些微结构特征对材料性能的影响，我们还对不同区域的样品进行了拉伸模拟。模拟结果表明，MP样品的高强度主要来源于其高比例的机械稳定VPs，这些VPs在原子尺度上表现出较强的抗变形能力。而在HAZ样品中，由于结晶化程度较高，材料的塑性变形能力增强，表现为更高的应变硬化和塑性流动。这些发现为理解LPBF过程中非晶合金的性能演化提供了新的视角，并为优化制造工艺提供了理论依据。

此外，本研究还对不同Ni含量的Fe??Cu????Ni?（x = 0, 5, 10, 15, 20, 30）非晶合金的结晶动力学进行了模拟。结果显示，Ni含量的增加会抑制结晶相的成核和生长，从而提高非晶相的比例。这一发现进一步支持了HAZ中结晶化程度与Ni含量之间的关系，表明通过调整合金成分可以有效控制HAZ中的结晶行为。同时，Wang等人通过模拟研究了SLM参数对Cu??Zr??非晶合金性能的影响，发现提高激光功率或降低扫描速度可以增加熔池温度，从而提高金属熔体的流动性，延长熔池存在时间，减少粉末间隙，降低孔隙率，提高材料的致密化程度，最终改善其机械性能。

综上所述，本研究通过MD模拟方法，系统地分析了多层LPBF过程中不同纳米区域的形成机制和结构演化，揭示了微结构对材料性能的影响。这些发现不仅加深了我们对LPBF过程中非晶合金性能演化的理解，还为优化制造工艺、提高材料性能提供了重要的理论支持。通过深入研究这些微结构特征，我们有望开发出更高效的制造方法，以满足不同工程应用对材料性能的需求。