金属玻璃（MGs）兼具玻璃和金属的优点，自1960年被发现以来受到了广泛的关注和研究。高比强度、大弹性模量、优异的耐磨性和耐腐蚀性以及显著的热塑性使金属玻璃成为优异的结构和功能材料，在体育用品、生物医学、电子器件等领域有着极为广阔的应用前景。然而，与常见的玻璃态材料（如聚合物、硅酸盐或分子液体）相比，已知的玻璃态金属液体的结晶速率要高出几个数量级。因此，其玻璃形成能力（GFA）有限，难以制备大尺寸的非晶态块体金属，这也是制约金属玻璃潜在应用的瓶颈，如何突破成形尺寸极限一直是金属玻璃领域的核心研究问题之一。
近日，深圳大学与松山湖材料实验室、中科院物理所以及东南大学合作，设计了一种简便、灵活的热连接工艺，以带有特殊设计的互锁结构的金属玻璃板材为原料，通过对组装的板材进行热压塑性成形，可以制备出直径大于100 mm的巨型金属玻璃。相关成果”Interface Design Enabled Manufacture of Giant Metallic Glasses”发表于Science China Materials，并被选作封面论文。专职研究员李泓臻、博士后李真为论文共同第一作者，深圳大学马将研究员为通讯作者。
在常规的热塑成形过程中，过冷态金属流体均匀受载变形，金属玻璃外表面的氧化层难以破碎，且大量的氧化层碎片滞留在金属玻璃的连接界面之间，严重阻碍金属玻璃的原子扩散，无法形成致密、有效的冶金结合。为了解决此难题，研究人员通过在金属玻璃板材上设计独特的互锁结构，预先将多块板材按照特定的形状和间距进行过盈装配，形成金属玻璃预制体，再对其进行热压塑性成形。基于热压应力场及流体特性的仿真分析发现，加载过程中在金属玻璃预制体中心区域首先出现了应力集中，使氧化层在较低的压力下发生断裂、破碎，中心区域的”新鲜”金属玻璃发生接触、融合，同时，由于中心区域的材料体积远大于周边区域，随着进一步加载，金属玻璃流体由中心部位向周边流动，显著扩大了板材之间的冶金结合面积并将氧化层碎片推挤、排出连接界面区域，从而实现金属玻璃板材的有效连接。通过该方法制造出来巨型La基金属玻璃（>100 mm）性能几乎与铸态样品相同。另外，利用所提出的互锁装配结构与热塑成形工艺相结合，提高了过冷态金属流体的结构成形填充性能，可以制造出复杂、精细的金属玻璃三维零件，如图4所示的中国十二生肖。该方法克服了制备金属玻璃的GFA限制，为金属玻璃的大尺寸化及复杂成形应用提供了新的思路及途径。
图1 GMG制造工艺及仿真分析： (a) 热压塑性成形工艺示意图； (b) 直径和厚度为20mm的热压成形大块MGs与临界直径为5mm的铸态试样的对比，插图显示了不同的视角； (c) 热压成形大块MGs不同切割位置的横截面CT图像； (d) 不同初始结构的La-MG试样随着法向压力载荷的增加，金属基体发生变形和氧化层断裂，左图为所设计的互锁装配结构，右图为常规结构； (e) MGs过冷液相区金属键合机理示意图。
图2 MGs的制备尺寸随年代的发展： (a) 自20世纪60年代被发现以来，MGs的制备形态经历了从薄膜、条带到大块的发展，临界尺寸从纳米到数十毫米不等；插图显示了不同年份MGs最大尺寸的发展趋势；与现有的MGs相比，本研究制备了直径超过100 mm的La-MGs； (b)、(c) 本研究热压制造的GMG照片及其与铸态MGs的比较。
图3 本研究热压制造的GMG的力学性能： (a) 铸态样品和热压制造样品的密度； (b) 键合界面附近的高分辨率图像和衍射图样； (c) 热压制造样品中氧化层的裂纹； (d)-(g) O、La、Cu和Al的EDS； (h)和(i)为(c)中1-2和3-4行的EDS线扫描； (j) 铸态和热压制造样品的压缩应力-应变曲线； (k) 热压制造样品显微硬度的三维数据图及其投影。
图4金属玻璃的制造和成形一体化：通过对互锁装配结构进行热压塑性成形得到中国的传统十二生肖结构。
本文提出的方法为克服合金系统中长期存在的玻璃形成能力(GFA)限制的问题，制造大尺寸、复杂结构金属玻璃开辟了新的思路和途径。
相关结果最近发表于Science China Materials, 2020, 10.1007/s40843-020-1561-x。原文链接：Interface design enabled manufacture of giant metallic glasses | SpringerLink
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