块体非晶合金是一种原子结构处于非平衡态的金属合金，不具有传统晶体材料中的位错、孪晶等承载塑性变形的基本结构，独特的原子排列赋予了块体非晶合金优异的力学性能。然而，块体非晶合金剪切带的萌生较为困难，较差的塑性变形能力和不稳定的裂纹扩展阻碍能力成为块体非晶合金在航空装备领域推广的瓶颈。改善块体非晶合金的弯曲力学性能，同时考虑航空结构材料选材的经济性，研究激光表面处理工艺对工业级Zr49.7Ti2Cu37.8Al10Er0.5块体非晶合金弯曲变形和缺口韧性的影响规律，因此找到最优的工艺参数，提高其在弯曲条件下的力学性能，促进其作为结构材料在航空装备领域的应用成为迫切需求。
基于此，来自中国航天科技创新研究院的王鹏飞等研究人员采用激光表面处理的方法，在工业级Zr49.7Ti2Cu37.8Al10Er0.5 块体非晶合金试样表面引起的成分变化和引入的残余应力状态对其弯曲力学行为和缺口韧性的影响，与试样的受力情况紧密相关。残余应力与外载应力的正向耦合能够放大外载应力的作用效果，表面和心部的成分差异也有可能作为应力集中点出现，导致裂纹源的形成，降低试样的断裂强度。相关研究成果于2023年5月在《装备环境工程》上发表。
研究人员采用名为Zr49.7Ti2Cu37.8Al10Er0.5的工业级块体非晶合金，使用海绵锆和海绵钛作为原材料。利用电弧熔炼炉制备试样，采用脉冲Nd:YAG激光器对试样进行表面处理，100、150、250mm/min三种参数标注于试样上，利用BrukerAXSD8型X射线衍射仪确定激光表面熔化处理前后试样为非晶态结构，通过扫描电镜（SEM）对力学加载后试样的表面形貌进行观察，然后利用SANS5504电子万能试验机对试样进行三点弯曲力学性能测试，利用Abaqus有限元软件模拟计算激光处理在非晶合金中产生的温度场，然后利用温度场结果进一步计算相应的残余应力场，发现激光表面处理对试样弯曲力学性能的影响与其受力状态有关（图1）。外载与激光表面处理引入的残余应力负向耦合，能够有效降低试样中的应力水平，进而显著提高试样的弯曲断裂强度（图2）。在激光处理表面的残余拉应力位于弯曲试样的受压侧时，试样的弯曲断裂强度从2150MPa提高到2550MPa。外载与残余应力正向耦合时，则会提高试样中的应力水平，导致试样提前失效。激光处理表面的残余拉应力位于弯曲试样的受拉侧时，试样的弯曲断裂强度从2150MPa降低到1800MPa；对于激光处理试样的缺口韧性，当激光处理试样表层和心部两相界面与受载试样的侧表面平行时，由于两相界面在受载时变形不均匀，会产生应力集中，这导致激光处理试样的缺口韧性比铸态试样低50%（图3）。当激光处理试样表层和心部两相界面位于受载试样的上表面时，由于激光处理试样表层的残余应力水平远小于缺口根部的应力集中，并不影响缺口根部的裂纹扩展，因此激光处理试样的缺口韧性与铸态试样相比没有明显变化（图4），该项研究为日后更多航空装备领域非晶材料的研究推广提供了一定借鉴意义。
该项研究得到国家自然科学基金（12202006,52274399）项目的支持。
