Imprinting di lega amorfa sfusa a temperatura ambiente

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 16540 (2015) Citare questo articolo

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Presentiamo indagini sul comportamento alla deformazione plastica di una lega amorfa sfusa fragile mediante semplice carico di compressione uniassiale a temperatura ambiente. Una modellazione è possibile mediante la formatura plastica a freddo della lega amorfa sfusa a base di Hf, tipicamente fragile, attraverso il controllo del flusso omogeneo senza la necessità di energia termica o la modellatura a temperature elevate. L’evidenza sperimentale suggerisce che esiste un’incoerenza tra plasticità macroscopica e deformabilità di una lega amorfa. Inoltre, l'impressione di caratteristiche geometriche specifiche su fogli di Cu e vetro metallico a base di Zr è rappresentata utilizzando la lega amorfa sfusa modellata come matrice. Questi risultati dimostrano la capacità delle leghe amorfe o dei vetri metallici di replicare con precisione le caratteristiche del modello sia sui metalli convenzionali che sulle altre leghe amorfe. Il nostro lavoro presenta una strada per evitare l’infragilimento delle leghe amorfe associato alla formatura termoplastica e fornisce nuove informazioni sull’applicazione della formatura di leghe amorfe sfuse a temperatura ambiente senza l’utilizzo del trattamento termico.

I trattamenti termomeccanici di formatura e sagomatura sono processi metallurgici ben noti che vengono impiegati su leghe metalliche cristalline convenzionali come acciai, ottone, ecc. per sfruttarne l'uso per applicazioni ingegneristiche1,2,3. Tuttavia, i materiali metallici cristallini non sono ideali per pezzi di alta precisione a causa della limitazione della ruvidità superficiale dovuta ai loro grani. Le leghe amorfe, in particolare i vetri metallici (MG), sono molto attraenti per materiali da stampa o modellatura su scala fine grazie alle loro eccezionali proprietà meccaniche combinate con il fatto che sono intrinsecamente privi di bordi di grano3,4,5,6,7. I processi di formatura termoplastica (TPF) di vetri metallici nella regione del liquido superraffreddato (tra la temperatura di transizione vetrosa, Tg e la temperatura di cristallizzazione, Tx) tramite flusso omogeneo sono stati il ​​metodo più comunemente sfruttato per formare metalli vetrosi. Ad esempio, Saotome et al. ha sviluppato un metodo per la configurazione di strutture tridimensionali mediante microformatura di vetro metallico a base di Pt8,9. Kumar et al. hanno ottenuto la levigatezza superficiale atomistica attraverso TPF di vetro metallico a base di Pt, Hasan et al. ha dimostrato la modellazione del vetro metallico a base di Pt mediante TPF per applicazioni funzionali e Chu et al. hanno mostrato rispettivamente la nanoimprinting di reticoli su vetro metallico a base di Pd mediante processo TPF10,11. Inoltre, Schroers et al.12,13 hanno riportato velocità di deformazione e forme significative ottenibili attraverso il soffiaggio termoplastico di vetri metallici a base di Zr e vetro metallico a base di Pt per la fabbricazione di risonatori a guscio emisferico. Inoltre, Chiu et al. effetto esplorato dei parametri di lavorazione sul metodo di estrusione termoplastica per creare oggetti di vetro metallico a base di Zr14.

Il flusso plastico della lega amorfa sfusa a temperatura ambiente (RT), tuttavia, si verifica tipicamente in modo disomogeneo ed è localizzato in strette bande di taglio con conseguenti guasti catastrofici4,5,6,7,15. Di conseguenza, le leghe amorfe sfuse mostrano fragilità macroscopica o plasticità limitata rispetto alle leghe cristalline a temperatura ambiente. Al fine di aumentare l'affidabilità delle leghe amorfe sfuse, il miglioramento della plasticità è una questione cruciale per il loro utilizzo nelle applicazioni ingegneristiche. È ampiamente accettato che il modo più comune per ottenere una sostanziale deformabilità della lega amorfa sfusa come richiesto nelle applicazioni di modellatura è quello di: 1) Aggiungere una seconda fase duttile (ad esempio, particelle cristalline)16,17, 2) confinare la geometria della deformazione in modo che le bande di taglio non possono propagarsi attraverso il campione e causare guasti3,18 o 3) aumentare la temperatura di lavorazione all'interno o in prossimità della regione del liquido superraffreddato, utilizzando così il comportamento del flusso viscoso (deformazione omogenea) a temperature elevate, ovvero TPF2,3. Le limitazioni principali degli approcci 1 e 2 sono che si basano sulla generazione abbondante di bande di taglio, che sono dannose per la superficie nelle applicazioni di formatura2. L'approccio 3 può prevenire la formazione di bande di taglio, tuttavia, quando una lega amorfa viene riscaldata al di sopra o vicino alla sua temperatura di transizione vetrosa, Tg, si rilasserà nel liquido sottoraffreddato metastabile e alla fine cristallizzerà. In particolare, l'infragilimento causato sia dalla ricottura sub-Tg (rilassamento strutturale) che dalla ricottura sopra-Tg. L'infragilimento causato dalla ricottura sub-Tg può essere ripristinato o evitato durante il TPF mediante una breve ricottura superiore alla Tg, tuttavia, questi processi termici possono essere difficili da controllare19. Invece, la cristallizzazione per ricottura eccessiva è stata identificata come la fonte dell'infragilimento superiore alla Tg e anche le prime fasi del processo di cristallizzazione spesso portano a un infragilimento significativo19,20,21.