一种非晶合金热挤压装置及方法与流程

本发明涉及非晶合金连接领域，尤其涉及一种非晶合金热挤压装置及方法。

背景技术：

非晶合金是20世纪材料领域的重大发现，材料内部原子排列呈长程无序短程有序结构，没有位错和晶界等缺陷。这种独特的结构使得非晶合金具有高强度、超塑性、高弹性、高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性能。在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。

然而非晶合金在应用中面临两个问题：一是制品尺寸的限制，非晶合金的成分设计一直没有成熟、定量的理论，满足工程需要的大尺寸非晶合金制品的制备非常困难。二是与结构和性能完全不同的非晶合金的结合使用。因此，非晶合金的连接研究尤为重要，成为制备大块非晶合金并扩大其工程应用范围的一个重要方法。

在众多非晶体系中，锆基非晶凭借其强大的玻璃形成能力(GFA)和宽的过冷液相区以及一系列优异的力学性能脱颖而出，成为研究和应用最为广泛的非晶合金。

现有技术中，关于非晶合金连接的技术主要有黏接和焊接方法。关于黏合方法，首先黏合剂的选择很受限制，再者黏接得到的连接接口强度并不理想，在环境光、热、湿气等因素下，黏合剂会产生老化断裂等现象。非晶合金的焊接主要采用两种方法：一是液相连接，如爆炸焊、电火花焊、电子束焊、激光焊等，这类连接方法依靠高能量密度的焊接方法，将非晶合金迅速加热至熔点以上，快速冷却形成接口。二是固相连接，如摩擦焊、冷轧焊、电阻焊和超声波焊等，现有非晶合金有采用电阻焊接方法，具体通过一种非晶合金与工件触接后，利用连接电极施加压力，并通过电流所产生的电阻热将所述非晶合金和所述焊接工件焊接在一起的连接方法。所述方法挤压力过小，且挤压温度难以控制。也有利用超声波焊接方法，还有一种将块体非晶合金棒坯封闭于包套中共同加热到过冷液相区，然后将工件转入液态挤压机模腔，挤压获得带有包套的块体非晶坯件的方法。

技术实现要素：

本发明第一目的是提供一种非晶合金热挤压装置，该装置可以有效降低成型力，有效校直成型工件，通过凹模拼块和夹紧装置的配合，实现拆卸方便的同时防止挤压飞边的产生，提高成型精度。

本发明的第二目的是提供一种扩大非晶合金应用尺寸的方法，该方法利用非晶合金在过冷液相区较低强度、粘度和硬度的内在秉性，以及异质合金如超强度铝/镁合金在高温变形时较低的变形抗力，将块体非晶合金和异质合金共同热挤压实现高强度连接，扩大非晶合金的应用尺寸，同时形成强韧性功能的选择性结合，满足某些情况下非晶合金由于室温脆性而产生的缺憾，可以有效扩展非晶合金的应用，有效提高了非晶合金的性能，利于降低挤压力。

为了达成上述目的，本发明提供的第一个技术方案：

一种非晶合金热挤压装置，包括：

凸模和带有挤压腔的凹模，在挤压腔内设置非晶合金与异质合金，凸模在外力作用下对挤压腔内的非晶合金与异质合金进行挤压，凹模内设置用于对非晶合金与异质合金进行加热的电热元件，非晶合金与异质合金受热后在凸模的挤压作用下进入到成型腔内成型，成型腔的体积小于挤压腔的体积，电热元件可以设于凹模内或者凹模外，本发明中非晶合金针对的主要是锆基非晶，挤压腔的底部逐渐收缩，成型腔的形状与工件的形状相同。

上述适用于非晶合金的热挤压装置，无需采用现有技术中的焊接方案，成型速度快，挤压温度通过电热元件实现控制，较为方便地对挤压温度进行控制，凸模与凹模在挤压腔内实现非晶合金和异质合金的连接，弥补非晶合金由于室温脆性而产生的缺憾，如对非晶合金不能进行攻丝的问题。此外，经过大塑性变形，可以使铝/镁合金得到细晶强化。同时，铝/镁合金致密度小，异质结合后，使得非晶制品更满足轻量化要求。

其中，所述凹模包括至少两个拼块，拼块以模具中轴线进行拼合，拼块拼装形成所述的挤压腔，通过拼装挤压腔的设置，便于成型冷却后，拆开凹模取出成型件，避免损坏成型件，为了确保挤压成型效果，在所述凹模的外部套有用于环向挤压凹模的夹紧套，夹紧套对拼装的凹模起到一个挤压作用，夹紧套采用和凹模相同的材料，优选地，凹模和夹紧套采用热作模具钢H13。

优选地，挤压腔为圆柱形状，挤压腔的底部呈锥形形状，成型腔内部的形状与预计成型件的形状相匹配，如可以是长条状。

所述凹模为倒圆台形状，这样凹模的外壁与夹紧套内壁采用锥形面方式进行结合，保证贴合效果，二者贴合面切线与所述模具中轴线具有3°-5°的夹角；

所述夹紧套内部与所述凹模紧密贴合。

所述的热挤压装置还包括设于所述凹模上部的用于从上方挤压凹模的紧固压板，紧固压板中部开有用于凸模穿过的通孔，通孔直径小于所述凹模上表面直径，以保证紧固压板的下压作用；

进一步地，所述夹紧套与所述的紧固压板之间设有连接件，连接件为螺栓，在夹紧套上设置盲孔作为螺栓的插入孔，在凹模的各拼块上均开有一盲孔。

所述凹模上表面高于所述夹紧套的上表面，凹模下表面稍高于夹紧套的下表面，因为装配好的凹模拼块随着紧固压板和夹紧套之间螺栓拧紧，凹模相对于夹紧套会向下有微小的移动，正是这个移动使得凹模拼块之间的间隙减小，这也正是夹紧套和紧固压板的作用，同时，夹紧套与紧固压板的设置，有效避免挤压过程成型件在拼块结合面处产生飞边。

所述成型腔设于凹模内，所述成型腔的一侧设置导向套，导向套设于凹模的外侧，所述导向套通过紧固件与所述凹模固定，导向套内具有与成型腔在一条直线的导向通道以对长直形状的成型件进行较直。

所述导向套通过紧固件与所述凹模固定，紧固件为螺栓，螺栓的位置不影响到挤压腔的位置，所述导向套内导向通道的尺寸略大于所述成型腔的尺寸，在成型腔出口处由大直径圆弧过渡形成，以减小成型件在导向通道向下运动时的摩擦。

在所述凹模内设置温度测量元件，温度测量元件与温度控制器连接，温度控制器与所述电热元件连接，温度测量元件测量温度反馈到温度控制器，温度控制器控制电热元件的加热速率和加热温度。

所述凸模与直线驱动机构连接，直线驱动机构带动凸模以设定速率进入到凹模内的挤压腔中，直线驱动机构可以为压力机，实现压力机以设定压力压持凸模，凹模内的挤压腔深度为凹模厚度的四分之三或者是五分之四或者在二者之间，保证凸模的竖直挤压。

本发明提供的第二方案是：

一种扩大非晶合金应用尺寸的方法，利用非晶合金与异质合金进行结合，进一步采用所述的一种非晶合金热挤压装置。

上述方法具体步骤如下：

1)对块体的非晶合金、异质合金清洗、干燥后备用；在清洗之前要进行切割、打磨和抛光；

2)电热元件加热到设定温度后保温设定时间；该设定温度为挤压温度，挤压温度位于非晶合金过冷液相区(玻璃化温度Tg和晶化温度Tx之间)和异质铝/镁合金的常规热挤压温度范围内，达到设定挤压温度后再放入合金材料，减少非晶合金的热状态时间，防止发生晶化；

3)将设定高度比的非晶合金、异质合金放入挤压腔内；非晶合金与铝/镁合金的高度比优选为1:1—1：3，在比例下，保证凸模在挤压模腔内的长度，保证凸模竖直挤压，同时通过限定挤压坯料总高度来限定挤压时间，防止非晶保温时间过长发生晶化，非晶合金与铝/镁合金的总高度＜(挤压速度x 10min)，以保证非晶合金不发生晶化。

4)在挤压腔内凸模以设定的速度对非晶合金、异质合金进行挤压；通过导向套对工件进行较直，非晶合金在高速下挤压容易导致挤压力过大，使非晶合金发生晶化，因此，优选方案是，锆基非晶与铝/镁合金共同挤压的速度设置为2--5mm/min。

5)挤压结束后，卸载凸模的挤压力，停止加热，对模具进行降温；

6)拆除凸模，收集成型的工件。

成型件的取样过程为：先拆卸导向套，然后拆卸紧固压板，将凹模拼块及工件一起从夹紧套中取出，分离凹模拼块，得到工件；导向套和凹模都是拼块，都是为了取样方便。

钛合金、镁合金和铝合金是目前最常用的三种轻量化合金材料，但每种材料的热挤压适合温度不同，铝/镁合金常规热挤压温度分别为250-550℃和300-450℃，和锆基非晶的过冷液相区(350℃-500℃)有相当区间长度的重合，钛合金的热挤压温度一般为700-900℃，和锆基非晶的过冷液相区不重合。因此，在本发明中仅选用镁/铝合金作为异质合金。

同时，对于非晶合金，常温下其硬度高、强度大但是具室温脆性，无法在常温状态下进行挤压。本申请选择的挤压温度在350-500℃之间，此时铝/镁合金由于温度高，流动应力降低，可以降低挤压力。

此外，本发明挤压工艺坯料放置顺序先放置非晶合金，后放置铝/镁合金。坯料在挤压过程中摩擦力较大，挤压完成后剩余坯料容易粘在模腔内壁，由于非晶合金具有高的耐腐蚀性，不易清洗，而铝合金和镁合金可以分别用NaOH溶液和HCl溶液进行腐蚀清洗。因此本发明挤压工艺坯料放置顺序为先放置非晶合金，后放置铝/镁合金，使得非晶合金先行挤出，剩余坯料为铝/镁合金。挤压工序完成后可以通过NaOH溶液和HCl(硫脲和十二烷基苯磺酸钠做缓蚀剂)溶液分别对挤压腔内铝合金和镁合金残留坯料进行腐蚀清洗，有助于保护模具。

上述非晶合金的热挤压连接工艺，无需采用现有技术中的焊接和黏结方案，结合界面缺陷少、强度高。可充分利用非晶合金在其过冷液相区内较低强度、粘度和硬度的内在秉性，以及异质合金如超强度铝/镁合金在高温变形时较低的变形抗力，通过大变形和高温软化实现锆基非晶合金及铝/镁合金的共同变形及连接。挤压过程操作简单，无需大能量密度热源、无污染、安全经济。非晶合金和异质合金的连接件，扩大了非晶合金的应用尺寸，实现了强韧性功能的选择性结合，弥补了某些情况下非晶合金由于室温脆性而无法加工的缺憾，例如非晶合金由于室温脆性无法进行攻丝加工时，可在连接件的异质合金部位进行攻丝。同时，铝/镁合金密度小，异质结合后，使得非晶制品更满足轻量化要求。此外，经过大塑性变形的铝/镁合金也因为细晶强化而提高了强度。

本发明的有益效果：

(1)实现了非晶合金和异质铝/镁合金的纵向连接，扩大了非晶合金应用尺寸范围，可以在空间上实现铝/镁合金的塑韧性和非晶合金高硬度高耐磨耐蚀性的择优结合，解决非晶难以加工的困难，同时使得非晶更满足轻量化要求。

(2)挤压温度位于非晶合金过冷液相区和异质铝/镁合金的常规热挤压温度范围内，非晶合金与异质合金都处于低应力超塑性状态，利于降低挤压力，促进界面结合。

(3)热挤压过程中两种合金材料在模腔内受三向压应力状态，变形率大，促进异质材料在接触面的元素扩散，并可能在结合面形成微结构强化连接结构，促进界面结合，同时，大塑性变形会使铝/镁合金得到细晶强化。

(4)在热挤压过程中由于挤压温度和挤压速度的准确实时控制，使得制备出的结合工件在非晶部位保持良好的非晶状态，结合部位不产生金属间化合物，各结合部位保持原有功能。

(5)本发明挤压装置，凹模与夹紧套通过锥形面可实现紧密结合，紧固压板和夹紧套的螺栓固定，在凸模和凹模配合挤压过程中，两凹模拼块配合越来越紧，防止工件飞边的产生，同时利于拆卸。

(6)该发明设置的凹模和导向套可以有效较直挤出的工件，拼块设计可以更方便工件取出。(7)本发明可以通过改变挤压型腔，成型腔带形状、凹模和凸模尺寸来生产具有不同截面形状和尺寸的非晶合金与异质合金连接体的型材。

(8)本发明对压力机设备没有特殊要求，挤压过程操作简单，无需大能量密度热源、无污染、安全经济。

附图说明

图1是本发明通过共同热挤压，实现块体非晶合金和铝/镁合金异质连接方法的流程图。

图2是本发明方法挤压坯料装配图。

图3是本发明挤压坯料的放置顺序示意图。

图4为实施例1所制得的锆基非晶与铝合金连接件宏观形貌图。

图5为实施例1所制得的锆基非晶与铝合金连接件非晶部位的XRD谱图。

图6为实施例1所制得的连接件的结合界面在EPMA下放大1000倍微观形貌图。

图7为实施例1所制得的连接件结合界面处EPMA-DES能谱成分分析图。

图中，1.电热元件，2.挤压腔，3.成型腔，4.导向套，5.导向通道，6.非晶合金，7.螺栓，8.铝合金/镁合金预制件，9.定位销，10.夹紧套，11.螺栓，12.紧固压板，13.温度测量元件，14.凸模，15.凹模。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图2、图3所示，一种非晶合金热挤压装置，包括：

模具包括凹模15和凸模14，凸模14为棒状，凹模15内设有挤压腔2，且凹模15在挤压腔2外设置电热元件如电热元件1，凸模14的长度长于挤压腔2的深度，挤压腔2与设定形状的成型腔3相连通，成型腔3的体积小于挤压腔2的体积，成型腔3与外界相通或者通过导向套4与外界相通，凸模14与凹模15配合在挤压腔2内挤压非晶合金和异质合金并通过成型腔3对非晶合金6与异质合金成型。其中，所述凹模15包括至少两个拼块，拼块之间设置定位销9，以防止拼块之间在竖直方向发生错动，保证贴合紧密，拼块以模具中轴线进行拼合，拼块拼装形成所述的挤压腔，为了确保挤压成型效果，在所述凹模15的外部套有用于环向挤压凹模15的夹紧套10；为了保证挤压腔的温度，避免对工作人员烫伤，在整个装置不影响挤压操作和成型腔处的部位都包裹上隔热材料，隔热材料可以为陶瓷纤维隔热棉(图中未示出)。

上述适用于非晶合金的热挤压装置，无需采用现有技术中的焊接方案，成型速度快，挤压温度通过电热元件实现控制，较为方便地对挤压温度进行控制，凸模14与凹模15在挤压腔2内挤压非晶合金和异质合金进而在成型腔内成型，成型后的工件可落入到带有导向通道5的导向套4内，导向通道5可用于对工件形状进行较直，同时可方便对成型工件的取出，该装置比如，解决非晶合金不能完成的攻丝问题。此外，经过大塑性变形，可以使铝/镁合金得到细晶强化。同时，铝/镁合金致密度小，异质结合后，使得非晶制品更满足轻量化要求。

所述凹模15为倒圆台形状，这样凹模15的外壁与夹紧套10内壁采用锥形面方式进行结合，保证贴合效果，二者贴合面切线与所述模具中轴线具有3°-5°的夹角；所述夹紧套10内部与所述凹模15紧密贴合。

所述凹模15上表面高于所述夹紧套10的上表面，凹模15下表面稍高于夹紧套10的下表面。

所述的热挤压装置还包括设于所述凹模15上部的用于从上方挤压凹模15的紧固压板12，紧固压板12中部开有用于凸模14穿过的通孔；

所述夹紧套10与所述的紧固压板12之间设有连接件，连接件为螺栓11，在夹紧套10上设置盲孔作为螺栓11的插入孔，在各拼块上各开有一盲孔。

所述导向套4通过紧固件与所述凹模14固定，紧固件为螺栓7，螺栓的位置不影响到挤压腔的位置，所述导向套内导向通道的尺寸大于所述成型腔的尺寸，在成型腔出口处由大直径圆弧过渡形成，这样在成型后，从凹模14上拆卸导向套4，然后再从夹紧套10中取出凹模14，分离凹模14，在凹模14中取出带有有剩余坯料的成型工件。

在所述凹模内设置温度测量元件13，温度测量元件13与温度控制器连接，温度控制器与所述电热元件连接，温度测量元件测量温度反馈到温度控制器，温度控制器控制电热元件的加热速率和加热温度。

所述凸模14与直线驱动机构连接，直线驱动机构带动凸模以设定速率进入到凹模15内的挤压腔2中，直线驱动机构可以为压力机，实现压力机以设定压力压持凸模14，凹模15内的挤压腔深度为凹模厚度的四分之三或者是五分之四或者在二者之间，保证凸模14的竖直挤压。

如图1所示，本发明在非晶合金过冷液相区内，通过共同热挤压，实现非晶合金与铝/镁合金连接的方法，包括以下步骤：

1)对圆柱状的块体非晶合金和铝/镁合金进行切割、打磨、抛光和清洗，得到具有新鲜表面的预制件，置于真空干燥箱备用。本实施方式中非晶合金6材料为直径为10mm的Zr₆₈Cu₁₂Ni₉Ti₈Be₃非晶棒，铝合金材料为直径10mm的7075铝合金圆棒。镁合金材料为直径10mm的AZ31B镁合金圆棒，本步骤具体包括以下子步骤：

1-1)采用线切割将非晶合金6和铝/镁合金预制件8切割成规定尺寸，锆基非晶、7075铝合金和AZ31B镁合金高度分别为5mm、10mm和10mm；

1-2)先后用细颗粒砂纸和金相抛光布磨平非晶合金6和铝/镁合金待结合表面并抛光，以去除表面氧化层；

1-3)将磨抛后的非晶合金和铝合金预制件放在超声波清洗机中进行超声波清洗，得到圆柱状非晶合金预制件6和铝合金/镁合金预制件8，清洗后放入真空保温炉里真空保护，防止氧化；

2)组装挤压装置，采取5℃/min的加热速度对挤压装置进行加热，模具上设有电热元件1和温度测量元件13，温度测量元件13可实时准确反馈模具靠近挤压腔2部位的温度，通过反馈到温度控制器自动调节加热速率和温度。对挤压模具凸模14、凹模15、夹紧套10、导向套4和紧固压板12同时进行加热，挤压温度界于非晶玻璃化温度Tg和晶化温度Tx之间，为降低挤压力，在可选择温度区间内尽可能选择较高温度。加热至目标温度后继续保温10min左右以达到稳态均匀温度场，再进行其他操作。

温度测量元件13采用K型热电偶，直径为2mm，温度测量范围在0-1100℃，电热元件采用模具加热棒，直径为6mm，在凹模上设置测温孔(用于放置热电偶)两个，加热孔(用于放置加热棒)4个，均匀分布，相应地，在紧固压板上设置用于热电偶和电热棒穿过的开孔。

3)对非晶和铝合金预制件进行挤压，本步骤具体包括以下子步骤：

3-1)将加热到挤压温度的凸模14迅速取出，迅速将圆柱状非晶预制件6置于挤压腔2内，在非晶预制件上部放置铝合金或镁合金预制件8，挤压凸模14置于铝合金预制件之上，调整压力机上压头，以产生5-10MPa的预紧力；

3-2)铝合金或镁合金预制件8于模腔2内保温2-3min，温度均匀保持在设定挤压温度后进行挤压操作。以2mm/min的挤压速率对非晶合金6和铝合金或镁合金预制件8进行共同挤压，本实施例仅以生产棒状型材为例，通过改变成型腔形状可以得到不同截面形状的型材；

3-3)根据挤压预制件长度设置挤压杆位移，成型腔出口尺寸略大于成型腔上部的尺寸，成型腔出口设置导向套4，挤出的非晶与异质合金连接棒经过直径略大于型材尺寸的导向套导向通道5，进行校直，保证棒状坯料在挤出后不弯曲。挤压过程结束后，立刻停止加热，卸载挤压力，并对模具进行快冷降温。

(4)模具及工件冷却至室温后，拆卸模具，获得工件。挤压腔内剩余的铝合金或镁合金坯料分别用NaOH溶液或HCl(硫脲和十二烷基苯磺酸钠做缓蚀剂)溶液进行腐蚀清洗。

实施例1

在Zr₆₈Cu₁₂Ni₉Ti₈Be₃过冷液相区(355℃-445℃)和7075铝合金常规挤压温度(250℃-550℃)之中选择温度440℃，对Φ10mm×5mm的Zr₆₈Cu₁₂Ni₉Ti₈Be₃非晶合金和Φ10mm×5mm的7075铝合金以3mm/min的挤压速率进行共同热挤压，实现了Zr₆₈Cu₁₂Ni₉Ti₈Be₃锆基非晶和7075铝合金的连接。

选择实施例1作为代表实施例，对锆基非晶与7075铝合金热挤压连接得到的成型工件进行宏观形貌分析、XRD、EPMA下放大1000倍观察、EPMA-DES成分分析，结果如图4到图7所示。

图4为实施例1所制得的锆基非晶/7075铝合金连接件宏观形貌图，可以看到非晶合金的纵向尺寸得到扩大，异质合金接口宏观形貌良好。此外，连接件得过所述装置导向套的有效较直。

图5为实施例1所制得的锆基非晶/7075铝合金连接件非晶部位的XRD谱图，可以看出经过挤压异质连接的非晶合金仍然保持良好的非晶状态。

图6为实施例1所制得的锆基非晶/7075铝合金连接件，其非晶与铝合金连接界面在EPMA下放大1000倍观察的微观形貌图，可以看到非晶与铝合金结合界面平整，无夹杂或空洞缺陷。

图7为实施例1所制得的锆基非晶/7075铝合金连接件，其非晶与铝合金连接界面处EPMA-DES能谱成分分析图。可以看到在异质合金结合界面处元素扩散明显。

实施例2

在Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀过冷液相区(409.7℃-493.7℃)和7075铝合金常规挤压温度(250℃-550℃)之中，选择温度485℃，对Φ10mm×5mm的Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀非晶合金和Φ10mm×10mm7075铝合金以4mm/min的挤压速率进行共同热挤压，实现了Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀锆基非晶和铝合金的连接。

非晶部位保持良好的非晶状态，结合部位未发现金属间化合物，结合界面平整，结合区元素扩散明显。

实施例3

在Zr₆₈Cu₁₂Ni₉Ti₈Be₃过冷液相区(355℃-445℃)和AZ31B镁合金常规挤压温度(300℃-450℃)之中，选择温度440℃，对Φ10mm×5mm的Zr₆₈Cu₁₂Ni₉Ti₈Be₃非晶合金和Φ10mm×15mm的AZ31B镁合金以2mm/min的挤压速率进行共同热挤压，实现了锆基非晶和AZ31B镁合金的连接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。