专利名称：块体非晶复合材料的成形方法
技术领域：
本发明属于非晶合金成形技术领域。特别提供了一种块体非晶复合材料精密零件的成形方法。可用于Zr-系、Cu-系、Ti-系、La-系、Co-系等块体非晶复合材料。
背景技术：
块体非晶材料因具有独特的结构和优异的性能，在机械、电子、化工、运动器材乃 至国防军事上显示出广泛的应用前景。然而，除了少数最近开发的大块非晶显示出宏观塑 性外，高度局域化的剪切行为使得绝大部分大块非晶在没有明显室温宏观塑性变形的情况 下，以突然失效的方式发生灾难性断裂，这严重地制约着大块非晶作为先进结构材料在工 程中的大规模应用。通过引入第二相以形成大块非晶复合材料是解决室温脆性的有效方法 之一。在这类复合材料中，非晶相为基体，第二相为增韧相，以此来促进形变过程中多重剪 切带的形成，进而改善宏观塑性。目前该类非晶复合材料的制备都是采用控制材料的凝固工艺过程，例如专利 ZLOl 114042. 9、ZL03111694. 9、ZL02159764. 2、申请号 200710121261. 9、ZL00121016. 5、 ZL200580016993. 0、ZL200610085409. 3等。然而这种制备方法具有其内在的缺点和局限性 (1)组织结构很难控制，两相微观组织的形成强烈取决于合金成分和凝固速率；试样形状、 尺寸及所采用的熔体急冷成形工艺的改变，均对微观组织特性有着明显的影响，尤其是组 织结构在整个试样中分布非常不均勻。(2)高冷却速率导致材料内应力的产生。(3)大块 非晶具有很高的黏度，使得材料的成形更加困难，所以该类方法主要用于制备非晶材料的 原始坯锭。专利 ZL200610089667. 9、ZL200720170873. 2、ZL200610012278. 6 等利用非晶态 合金在过冷液相区表现出的超塑性实现复杂零件的精密成形。但是，非晶合金这种超塑性 变形的实现具有强烈的温度和应变速率敏感性。目前发现的绝大多数大块非晶复合材料的 过冷液相区宽度只有几十度，可供加工的温度区间非常窄。再加上缓慢的变形速率(10_2 ΙΟ—、—1)，不仅导致加工效率很低，而且还非常容易导致非晶合金在变形过程中发生晶化。这 也是块体非晶材料到目前为止，在成形加工和实用化方面发展缓慢的主要原因。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，利用块体非晶复合材料在液相线和固相 线区间的黏塑特性进行成形，该方法在保持基体非晶质的同时获得高性能、高精密零部件， 推动块体非晶复合材料的工业应用。本发明是通过以下步骤实现的。(1)选择组元纯度大于99. 3%，且基体成份具有强的玻璃形成能力的块体非晶复 合材料，制备出高纯块体非晶复合材料，根据成形零件重量将其切割成特定尺寸的锭坯；(2)在气体保护下，以0. 5 50°C /s速度将锭坯加热到块体非晶复合材料的液相 线温度和固相线温度区间，保温3 30分钟，获得液固共存的金属浆料；(3)在压力下，将液固共存的金属浆料以IO2 IOfV1的变形速率充填模具型腔，保压使液固共存的金属浆料在高压下强制冷却凝固，冷却速度为1 200°c /S。本发明中，所述的块体非晶复合材料的基体成份，可以选择系、Cu-系、Ti-系、 La-系、Co-系等非晶合金成份；块体非晶复合材料中的第二相，可以是高熔点金属颗粒Ta、 W等或金属陶瓷颗粒&C、WC、TiC等，也可以是凝固过程中内生的塑性晶体相。本发明中，块体非晶复合材料中第二相占总体积的百分比含量为5 70%，第二相尺寸为5 200微米。本发明(2)中，锭坯加热速度优选快速加热，减少氧化，提高生产效率；加热方法 可以为电阻加热、感应加热、激光加热、磁悬浮加热等，优选高频感应加热或磁悬浮加热。本发明(2)中所述的将锭坯加热到的液相线温度和固相线温度区间，以固相线温 度以上10 100°C为最佳。本发明所述的(2)和(3)也可以是在真空条件下完成，在真空条件下，其真空度为 2 8Xl(T3MPa。块体非晶复合材料是由高熔点的第二相和低熔点的非晶基体相构成的两相复合 材料。因此，升温熔化过程中非晶基体相在其复合材料固相线温度处熔化成液相，第二相在 复合材料液相线温度处熔化。而在液相线温度和固相线温度之间，第二相和液相共存(液 固共存金属浆料)，材料黏度降低且具黏塑性，将此状态的材料在压力下快速凝固和成形， 液相将重新转变为非晶基体。本发明与现有成形方法相比，具有如下显著优点(a)本发明通过控制熔化过程的热历史，控制熔化过程中的溶质扩散、液相形成、 液固界面形貌、熔体成分与结构均勻化，获得第二相均勻分布于液相中的金属浆料；(b)成形温度低，延长成形模具寿命，降低凝固收缩和内应力，进而提高产品性 能；(c)具有黏塑性的液固共存金属浆料在高压下具有很强的充型能力，可用于成形 形状复杂、薄壁零件。(d)变形速率高达IO2 IOfV1,生产效率高。(e)液固共存金属浆料在模具型腔内被强制冷却，高压条件提高了金属浆料中的 液体与模具内壁间的热传导系数，提高冷却速度，提高了非晶形成能力，进而扩大本发明成 形方法的应用范围，可以广泛应用于Zr-系、Cu-系、Ti-系、La-系、Co-系等非晶复合材料。
图1是与本发明相配套的成形装置结构示意图。其中Ia为液压机压杆，Ib为压 头，2为工作腔体，3a为铜质动模，3b为铜质静模，3c为冷却系统，4a为模座，4b为顶杆，5为 非晶复合材料锭坯，6a为感应加热线圈，6b为石英支撑板，7为锭坯连续送入部7，7a为进料 通道，8为金属浆料，9a为套筒，9b为柱塞，10为阀体。图2 模锻 Ti51.6Zr31.6V9.SCu49Bq1 合金零件的 XRD 谱。
具体实施例方式下面结合
本发明的非晶复合材料的成形方法。图1表示可适用于本发明的非晶复合材料成形方法的开模锻造装置。该装置是通过在工作腔体2内配置压入部1、模具部3、顶出部4、非晶复合材料锭坯5的感应加热部6、 锭坯连续送入部7、金属浆料8的输送部9而构成。压入部1由液压机压杆Ia和压头Ib组 成；模具部3由铜质动模3a、铜质静模3b、和冷却系统3c构成；顶出部4由模座4a和顶杆 4b构成；感应加热部6由感应加热线圈6a和石英支撑板6b构成；锭坯连续送入部7由进 料通道7a以及和其相连的预排气副室构成；金属浆料输送部9具有在套筒9a内往复运动 的柱塞9b和步进式驱动源构成。另外，工作腔体2上设有阀体10，与真空系统或气体保护 系统相连，保证整个成形过程具有真空或气体保护环境。通过一个水平移动机构驱动感应 加热部往复运动，运动轴线00’与输送部套筒的轴线重合。在模锻前迅速排去工作腔体内的气体；将系列非晶复合材料锭坯从预排气副室转 入进料通道；输送部的柱塞将一个锭坯送入感应线圈；在真空或保护气氛下，采用感应加 热将锭坯快速加热到成形温度并保温，获得液固共存的金属浆料；水平移动机构驱动感应 加热部运动到定模上方空间特定位置，输送部柱塞沿轴线00’运动，将金属浆料倾卸在定模 上，之后两者返回；同时液压机压杆 联动铜质动模下行，协同定模对金属浆料进行快速模锻 操作，并促使金属浆料在高压下快速冷却凝固和成形，从而获得非晶复合材料零件。实施例开模锻块体非晶复合材料的波形板，壁厚1. 5mm。材料为 Ti^Zr^VuCuuBeu合金，该合金在凝固过程中会析出塑性第二相，基体具有很强的非晶 形成能力，初始锭坯采用水冷铜模快速冷却法制备。采用上述方法和设备，波形板成形步骤 如下(1)清理设备各构成部分，调整感应加热部6、柱塞％、动模3a和顶杆4b到合理位 置，并将初始锭坯放入预排气副室。(2)通过真空系统对工作腔体2、预排气副室进行抽真空，当两者真空度达到 3X IO-3MPa以上时关闭真空系统，并通过气体保护系统向两者内部充入约1个大气压的氩气。(3)将系列非晶复合材料初始锭坯5从预排气副室转入进料通道7a。(4)冷却系统3c对动模3a、静模3b进行冷却。(5)感应加热线圈6a通电；同时，输送部9的柱塞9b将一个锭坯送入感应线圈6a。(6)感应加热线圈6a迅速将锭坯的温度升至在710°C，并在此温度下保持lOmin， 获得液固共存的金属浆料8。(7)水平移动机构驱动感应加热部6运动到定模3a上方空间特定位置，输送部9 柱塞9b沿轴线00’运动，将金属浆料8倾卸在定模3a上，之后两者迅速返回到初始位置， 感应电源6c断电。(8)液压机压杆联动铜质动模3a下行，协同定模3b快速合模，对金属浆料8进行 模锻操作，并保压10秒确保金属浆料在高压下凝固。变形速率约为IO4iT1,成形压力约为 120MPa。(9)液压机压杆联动铜质动模3a上行至初始位置，同时顶出部4的顶杆4b上行 将波形板零件顶出。同时输送部9的柱塞9b沿轴线00’运动将波形板顶出动模3a和静模 3b构成的成形空间。(10)之后，顶出部4的顶杆4b下行至初始位置，同时输送部9的柱塞9b沿轴线 00’返回，直到第二块非晶复合材料原始锭坯5落入套筒9a内。
(11)重复步骤(5)至(10)实现连续成形。图2是Ti51.6Zr31.6V9.8Cu4.9Be2. ！合金模锻后波形板断面的XRD谱，明显对应于晶体第 二相的明锐衍射峰叠加在具有典型非晶特征的蔓散射峰之上。除此之外没有发现任何明显 对应于其它晶体相的衍射峰，表明模锻后的波形板具有晶体第二相和非晶基体的两相微观 组织。基本性能为屈服强度1078MPa、断裂强度1198MPa、屈服应变2. 3%、总应变11. 8%、 杨氏模量83. 2GPa、剪切模量30. 6GPa、断裂韧性63. 6MPa · m"2、泊松比0. 375，体现了高强 度、塑性和优良断裂韧性的完美结合。以上所述仅为本发明的实施方式，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之 内的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围内。
权利要求
一种块体非晶复合材料的成形方法，其特征是(1)选择组元纯度大于99.3％，且基体成份具有强的玻璃形成能力的块体非晶复合材料，制备出高纯块体非晶复合材料，根据成形零件的重量切割成锭坯；(2)在气体保护下，以0.5～50℃/s速度将锭坯加热到块体非晶复合材料的液相线温度和固相线温度区间，保温3～30分钟；(3)在压力下，将液固共存的金属浆料以102～106s-1的变形速率充填模具型腔，保压下强制冷却凝固，冷却速度为1～200℃/s。
2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征是所述的块体非晶复合材料的基体成份为 Zr-系、Cu-系、Ti-系、La-系或Co-系非晶合金成份；块体非晶复合材料中的第二相为高 熔点金属颗粒Ta、W或者金属陶瓷颗粒&C、WC或TiC。
3.根据权利要求1所述的成形方法，其特征是所述的块体非晶复合材料中的第二相为 凝固过程中内生的塑性晶体相。
4.根据权利要求1所述的成形方法，其特征是所述的块体非晶复合材料中第二相占总 体积的百分比含量为5 70%，第二相尺寸为5 200微米。
5.根据权利要求1所述的成形方法，其特征是⑵中所述的将锭坯加热到的液相线温 度和固相线温度区间，以固相线温度以上10 100°C为最佳。
6.根据权利要求1所述的成形方法，其特征是(2)中的加热方法为高频感应加热或磁 悬浮加热。
7.根据权利要求1所述的成形方法，其特征是(2)和(3)在真空条件下完成，其真空度 为 2 8Xl(T3MPa。
全文摘要
一种块体非晶复合材料的成形方法，其特征是(1)选择组元纯度大于99.3％，且基体成份具有强的玻璃形成能力的块体非晶复合材料，制备出高纯块体非晶复合材料，根据成形零件的重量切割成锭坯；(2)在气体保护下，以0.5～50℃/s速度将锭坯加热到块体非晶复合材料的液相线温度和固相线温度区间，保温3～30分钟；(3)在压力下，将液固共存的金属浆料以102～106s-1的变形速率充填模具型腔，保压下强制冷却凝固，冷却速度为1～200℃/s。本发明可获得第二相均匀分布于液相中的金属浆料；成形温度低，模具寿命长，提高产品性能；可用于成形形状复杂、薄壁零件；生产效率高；可广泛应用于Zr-系、Cu-系、Ti-系、La-系、Co-系等非晶复合材料。
文档编号B22D17/08GK101829771SQ20101017824
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月20日 优先权日2010年5月20日
发明者刘勇, 杨湘杰, 程琴, 郭洪民 申请人:南昌大学