专利名称：一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法
技术领域：
本发明涉及冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法。
背景技术：
与传统的晶态合金材料相比，非晶态合金由于其独特的长程无序微观结构，表现出更为优异的力学、物理和化学性能，如高硬度、高强度、优异的耐磨性和抗腐蚀性等。在众多的非晶合金形成体系中，铝基非晶合金除了具有非晶合金的诸多优点外，还具有密度小、比强度高的优势。然而，由于铝基非晶合金的非晶玻璃形成能力低，难以通过传统铸造急冷的方法制备出大尺寸铝基非晶合金材料。目前采用铜模铸造法制备的铝基非晶合金的最大玻璃形成临界尺寸为1mm。因此，虽然铝基非晶合金所固有的诸多优异性能使其具有潜在的应用前景，但其进一步实际应用尚需解决大尺寸材料制备这个关键的科学与技术问题。为了解决上述限制应用的瓶颈问题，铝基非晶合金的制备技术一直是研究人员关注的重要课题之一。与传统的液态金属直接凝固方法制备块体非晶合金相比，粉末冶金方法能够突破合金体系非晶形成能力的限制，制备出大尺寸的非晶合金材料。此外，粉末冶金方法近终成形的工艺特点也使制备非晶合金成形件成为了可能。粉末冶金工艺方法很多，通常可分为温度场主导的高温烧结和应力场主导的冷态成形。采用高温烧结方法制备块体非晶合金材料，由于烧结过程中温度场难以精确、及时控制，往往造成非晶合金的晶化现象的发生，进而引起材料力学性能的恶化。与高温烧结相比，冷态成形可避免由温度引起的非晶相的结构弛豫，在得到高致密度块体材料的同时，保持非晶相的结构特征。然而，在传统冷态模压的变形过程中，粉末材料与较硬的模具材料之间的摩擦会引起微观应力场分布不均匀，进而导致块体材料组织的不均匀，影响材料的使用性能。而采用橡胶模具的另一种常用冷态成形方法冷等静压则可得到相对均匀的微观组织。但是，目前的冷等静压装置很难进一步提高工作液体的静压力，所以冷等静压通常为进一步的高温烧结提供组织均匀的预制坯。
发明内容
本发明是要解决现有传统非晶合金材料的制备方法难以制备出大尺寸、高性能的铝基非晶合金成形件的问题，而提出一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法。本发明中的一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法以下步骤进行一、铝基非晶合金粉末的制备采用Ar气雾化方法制备Al基非晶合金粉末，按质量比其成分为Al:Ni:Ce的值为(10 15) : (I 3) :1，其粒径尺寸为300ηπΓ30 μ m ;二、弹性硅橡胶模具的制备将液体硅橡胶放入真空仓中，抽真空至压强为I. OXKT1Pa I. OXIOPa，进行脱气处理ltT3h后，取出一部分经脱气处理后的液体硅橡胶注入到模具外筒与成型模芯形成的模具内腔中，另一部分经脱气处理后的液体硅橡胶备用，将注满模具内腔的液体硅橡胶模在温度为50°C 150°C的条件下，固化10mirTl20min，得到弹性硅橡胶包套模具，其中模具外筒外径为110mnTl50mm，壁厚为20mnT25mm，高度为60mm 150mm,成型模芯的直径为IOmm 50mm,高度为IOmnTlOOmm;三、弹性硅橡胶包套的制备将骤一得到的Al基非晶合金粉末装入经步骤二制备的弹性硅橡胶模具中，Al基非晶合金粉末的初装粉末高度为弹性硅橡胶模具内高度，然后将此弹性硅橡胶模具放入真空仓中，抽真空至压强为I. O X KT1PaI. OXIOPa，进行除气处理ltT3h后，将厚度为10mnTl5mm的固化弹性硅橡胶上盖放置于弹性硅橡胶模具上部开口端，然后用步骤二中备用的经脱气处理后得到的液体硅橡胶对弹性硅橡胶模具的上盖进行密封，密封后在温度为50°C 150°C的条件下，固化5mirT60min，得到弹性硅橡胶包套；四、冷静液机械压制成型将经步骤三得到的弹性橡胶包套装入冷静液机械压制成型设备中，加载速率O. 5mm/iT5mm/S，压制位移为初装粉末高度的30°/Γ50%，液压油高度高于硅橡胶包套5mnT20mm，压制吨位为220吨力 300吨力，压制过程中的最大液体静压为500MPa llOOMPa，最大轴向压力为2500MPa 3300MPa，压制温度为20°C 24°C，得到大尺寸铝基非晶合金成形件。本发明包括以下优点I、本发明方法工艺简单，粉末原材料利用率高、不需加热节约能源、成本低；2、所制备的块体铝基材料组织结构为非晶结构，因而具有优异的力学性能；3、本发明方法可制备大尺寸铝基非晶合金成形件；4、本发明方法制备大尺寸铝基非晶合金成形件组织均一，致密度达99%以上。
图I为实验一中制备弹性硅橡模具的装置示意图；图2为实验一中制备弹性硅橡包套的装置示意图；图3为实验一中制备的圆柱形铝基非晶合金成形件的照片；图4为实验一中制备的块体铝基非晶合金成形件的室温压缩应力-应变曲线；图5为实验二中制备的齿轮形铝基非晶合金成形件的照片。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式中的一种冷态制备大尺寸招基非晶合金成形件的方法按以下步骤进行一、铝基非晶合金粉末的制备采用Ar气雾化方法制备Al基非晶合金粉末，按质量比其成分为Al:Ni:Ce的值为(10 15) : (I 3) :1，其粒径尺寸为300ηπΓ30 μ m ;二、弹性硅橡胶模具的制备将液体硅橡胶放入真空仓中，抽真空至压强为
I.OXKT1Pa I. OXIOPa，进行脱气处理ltT3h后，取出一部分经脱气处理后的液体硅橡胶注入到模具外筒与成型模芯形成的模具内腔中，另一部分经脱气处理后的液体硅橡胶备用，将注满模具内腔的液体硅橡胶模在温度为50°C 150°C的条件下，固化10mirTl20min，得到弹性硅橡胶包套模具，其中模具外筒外径为110mnTl50mm，壁厚为20mnT25mm，高度为60mm 150mm,成型模芯的直径为IOmm 50mm,高度为IOmnTlOOmm;三、弹性硅橡胶包套的制备将骤一得到的Al基非晶合金粉末装入经步骤二制备的弹性硅橡胶模具中，Al基非晶合金粉末的初装粉末高度为弹性硅橡胶模具内高度，然后将此弹性硅橡胶模具放入真空仓中，抽真空至压强为I. O X KT1PaI. OXIOPa，进行除气处理ltT3h后，将厚度为10mnTl5mm的固化弹性硅橡胶上盖放置于弹性硅橡胶模具上部开口端，然后用步骤二中备用的经脱气处理后得到的液体硅橡胶对弹性硅橡胶模具的上盖进行密封，密封后在温度为50°C 150°C的条件下，固化5mirT60min，得到弹性硅橡胶包套；四、冷静液机械压制成型将经步骤三得到的弹性橡胶包套装入冷静液机械压制成型设备中，加载速率O. 5mm/s^5mm/s,压制位移为初装粉末高度的30°/Γ50%，液压油高度高于硅橡胶包套5mnT20mm，压制吨位为220吨力 300吨力，压制过程中的最大液体静压为500MPa llOOMPa，最大轴向压力为2500MPa 3300MPa，压制温度为20°C 24°C，得到大尺寸铝基非晶合金成形件。本发明包括以下优点I、本发明方法工艺简单，粉末原材料利用率高、不需加热节约能源、成本低；2、所制备的块体铝基材料组织结构为非晶结构，因而具有优异的力学性能；3、本发明方法可制备大尺寸铝基非晶合金成形件；4、本发明方法制备大尺寸铝基非晶合金成形件组织均一，致密度达99%以上。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中Al基非晶合金粉末，按质量比其成分为Al:Ni:Ce的值为(12 14) : (1.5^2.5) :1，其粒径尺寸为500ηπΓ20 μ m。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中Al基非晶合金粉末，按质量比其成分为Al:Ni:Ce的值为13:2:1，其粒径尺寸为1μπΓ 5μπι。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是步骤二中抽真空至压强为O. 5Pa 5Pa，进行脱气处理I. 5tT2. 5h。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是步骤二中将注满模具内腔的液体硅橡胶模在温度为80°C 120°C的条件下，固化30mirT90min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是步骤二中将注满模具内腔的液体硅橡胶模在温度为100°c的条件下，固化60min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是步骤三中密封后在温度为80°C 100°C的条件下，固化10mirT50min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是步骤三中密封后在温度为90°C的条件下，固化30min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至七之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤四中加载速率为lmm/slmm/s，压制位移为初装粉末高度的35°/Γ45%，液压油高度高于硅橡胶包套8mm 15mm，压制吨位为240吨力 280吨力，压制过程中的最大液体静压为600MPa lOOOMPa，最大轴向压力为2700MPa 3100Mpa。其它步骤及参数与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤四中加载速率为2. 5mm/s，压制位移为初装粉末高度的40%，液压油高度高于硅橡胶包套10mm，压制吨位为260吨力，压制过程中的最大液体静压为800MPa，最大轴向压力为2900MPa。其它步骤及参数与具体实施方式
一至八之一相同。为了验证本发明的有益效果，进行了以下实验实验一一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法按以下步骤进行一、铝基非晶合金粉末的制备采用Ar气雾化方法制备Al基非晶合金粉末，按质量比其成分为Al:Ni:Ce的值为13:2:1，其粒径尺寸为1μπΓ 5μπι;二、弹性硅橡胶模具的制备制备弹性硅橡胶模具的设备如图I所示，图中I为上盖，2为模具外筒，3为成型模芯，4为模具内腔，5为下盖，6为导流孔。将国产的液体硅橡胶(热硫化型HTV)放入真空仓中，抽真空至压强为IPa，进行脱气处理2h后，取出一部分经脱气处理后的液体硅橡胶注入到模具外筒与成型模芯形成的模具内腔4中，另一部分经脱气处理后的液体硅橡胶备用，将注满模具内腔4的液体硅橡胶模在温度为100°C的条件下，固化120min，得到弹性硅橡胶包套模具，其中模具外筒外径为90mm，壁厚为20mm，高度为115mm,成型模芯3的形状为圆柱形,其直径为30mm,高度为50mm,模具外筒与成型模芯为不锈钢，上盖和下盖为不锈钢或45号钢；三、弹性硅橡胶包套的制备将骤一得到的Al基非晶合金粉末装入经步骤二制备的弹性硅橡胶模具中，Al基非晶合金粉末的初装粉末高度为弹性硅橡胶模具内高度，然后将此弹性硅橡胶模具放入真空仓中，抽真空至压强为5Pa，进行除气处理I. 5h后，将厚度为15mm的固化弹性硅橡胶上盖给弹性硅橡胶模具盖上，然后用步骤二中备用的经脱气处理后得到的液体硅橡胶对弹性硅橡胶模具的上盖进行密封，密封后在温度为100°C的条件下，固化30min，得到弹性硅橡胶包套，图2为制备弹性硅橡包套的装置示意图，图中I为液体硅橡胶，2为真空仓，3为电阻丝，4为Al基非晶合金粉末，5为弹性硅橡包套的上盖，6为进气管，7为排气管；四、冷静液机械压制成型将经步骤三得到的弹性橡胶包套装入冷静液机械压制成型设备中，加载速率O. 5mm/s，压制位移为初装粉末高度的50%，即25mm，液压油高度高于硅橡胶包套15mm，压制吨位为300吨力，压制过程中的最大液体静压为800MPa，最大轴向压力为2900MPa，压制温度为22°C，得到大尺寸圆柱形铝基非晶合金成形件，其中冷静液机械压制成型设备为专利号是ZL200910217461. 3的专利所公开的冷静液机械压制成型设备，冷静液机械压制成型设备与弹性硅橡包套之间加2个聚氨酯垫环，图3为大尺寸圆柱形铝基非晶合金成形件的照片。圆柱形铝基非晶合金成形件的室温压缩力学性能的测试是按照以下步骤进行的采用电火花切割方法从块体材料中得到直径3mm，高度6mm的测试试样，应变速率为2X10-4S-1。保证测试试样上下两平面平行的条件下对上下两平面进行研磨与抛光。图4为实验一中制备的圆柱形铝基非晶合金成形件的室温压缩应力-应变曲线，从图4可知，实验一得到的圆柱形铝基非晶合金成形件具有高强度，其压缩断裂强度可以达到I. IGPa0实验二 一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法按以下步骤进行—、铝基非晶合金粉末的制备采用Ar气雾化方法制备Al基非晶合金粉末，按质量比其成分为Al:Ni:Ce的值为13:2:1，其粒径尺寸为1μπΓ 5μπι;二、弹性硅橡胶模具的制备制备弹性硅橡胶模具的设备如图I所示，图中I为上盖，2为模具外筒，3为成型模芯，4为模具内腔，5为下盖，6为导流孔。将国产的液体硅橡胶(热硫化型HTV)放入真空仓中，抽真空至压强为IPa，进行脱气处理2h后，取出一部分经 脱气处理后的液体硅橡胶注入到模具外筒与成型模芯形成的模具内腔4中，另一部分经脱气处理后的液体硅橡胶备用，将注满模具内腔4的液体硅橡胶模在温度为100°C的条件下，固化120min，得到弹性硅橡胶包套模具，其中模具外筒外径为55mm，壁厚为20mm，高度为65mm，成型模芯3的形状为齿轮形，设计模数为1，齿数为10，压力角为20度，高度为16mm，模具外筒与成型模芯为不锈钢，上盖和下盖为不锈钢或45号钢；三、弹性硅橡胶包套的制备将骤一得到的Al基非晶合金粉末装入经步骤二制备的弹性硅橡胶模具中，Al基非晶合金粉末的初装粉末高度为弹性硅橡胶模具内高度，然后将此弹性硅橡胶模具放入真空仓中，抽真空至压强为5Pa，进行除气处理I. 5h后，将厚度为15mm的固化弹性硅橡胶上盖给弹性硅橡胶模具盖上，然后用步骤二中备用的经脱气处理后得到的液体硅橡胶对弹性硅橡胶模具的上盖进行密封，密封后在温度为100°C的条件下，固化30min,得到弹性娃橡胶包套；四、冷静液机械压制成型将经步骤三得到的弹性橡胶包套装入冷静液机械压制成型设备中，加载速率2mm/s，压制位移为8mm，液压油高度高于硅橡胶包套5mm，压制吨位为270吨力，压制过程中的最大液体静压为720MPa，最大轴向压力为2870MPa，压制温度为22°C，得到大尺寸齿轮形铝基非晶合金成形件，其中冷静液机械压制成型设备为专利号是ZL200910217461. 3的专利所公开的冷静液机械压制成型设备，冷静液机械压制成型设备与弹性硅橡包套之间加2个聚氨酯垫环，图5为大尺寸齿轮形铝基非晶合金成形件的照片。
权利要求
1.一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法，其特征在于它是通过以下步骤实现的 一、铝基非晶合金粉末的制备采用Ar气雾化方法制备Al基非晶合金粉末，按质量比其成分为Al:Ni:Ce的值为(10 15) : (I 3) :1，其粒径尺寸为300nm"30 u m ； 二、弹性硅橡胶模具的制备将液体硅橡胶放入真空仓中，抽真空至压强为I.O X KT1PaI. O X lOPa，进行脱气处理Ihlh后，取出一部分经脱气处理后的液体硅橡胶注入到模具外筒与成型模芯形成的模具内腔中，另一部分经脱气处理后的液体硅橡胶备用，将注满模具内腔的液体硅橡胶模在温度为50°C 150°C的条件下，固化10mirTl20min，得到弹性硅橡胶包套模具，其中模具外筒外径为110mnTl50mm，壁厚为20mnT25mm，高度为60mm 150mm,成型模芯的直径为IOmm 50mm,高度为10mm 100mm ; 三、弹性硅橡胶包套的制备将骤一得到的Al基非晶合金粉末装入经步骤二制备的弹性硅橡胶模具中，Al基非晶合金粉末的初装粉末高度为弹性硅橡胶模具内高度，然后将此弹性硅橡胶模具放入真空仓中，抽真空至压强为I. OX KT1PaI. OX 10Pa，进行除气处理Ihlh后，将厚度为10mnTl5mm的固化弹性硅橡胶上盖放置于弹性硅橡胶模具上部开口端，然后用步骤二中备用的经脱气处理后得到的液体硅橡胶对弹性硅橡胶模具的上盖进行密封，密封后在温度为50°C 150°C的条件下，固化5mirT60min，得到弹性硅橡胶包套； 四、冷静液机械压制成型将经步骤三得到的弹性橡胶包套装入冷静液机械压制成型设备中，加载速率0. 5mm/jT5mm/S，压制位移为初装粉末高度的30% 50%，液压油高度高于硅橡胶包套5mnT20mm，压制吨位为220吨力 300吨力，压制过程中的最大液体静压为500MPa llOOMPa，最大轴向压力为2500MPa 3300MPa，压制温度为20°C 24°C，得到大尺寸铝基非晶合金成形件。
2.如权利要求I所述的一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法，其特征在于步骤一中Al基非晶合金粉末，按质量比其成分为A1 :Ni :Ce的值为(12 14): (I. 5^2. 5):1,其粒径尺寸为500nnT20 u m。
3.如权利要求I所述的一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法，其特征在于步骤一中Al基非晶合金粉末，按质量比其成分为Al:Ni:Ce的值为13:2:1，其粒径尺寸为I u m 15 u m0
4.如权利要求I至3中任一项所述的一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法，其特征在于步骤二中抽真空至压强为0. 5Pa 5Pa，进行脱气处理I. 5h 2. 5h。
5.如权利要求4所述的一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法，其特征在于步骤二中将注满模具内腔的液体硅橡胶模在温度为80°C 120°C的条件下，固化30min 90mino
6.如权利要求4所述的一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法，其特征在于步骤二中将注满模具内腔的液体硅橡胶模在温度为100°c的条件下，固化60min。
7.如权利要求6所述的一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法，其特征在于步骤三中密封后在温度为80°C 100°C的条件下，固化10mirT50min。
8.如权利要求6所述的一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法，其特征在于步骤三中密封后在温度为90°C的条件下，固化30min。
9.如权利要求7所述的一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法，其特征在于步骤四中加载速率为lmm/s 4mm/S，压制位移为初装粉末高度的35% 45%，液压油高度高于娃橡胶包套8mm 15mm,压制吨位为240吨力 280吨力，压制过程中的最大液体静压为600MPa lOOOMPa，最大轴向压力为 2700MPa 3100Mpa。
10.如权利要求7所述的一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法，其特征在于步骤四中加载速率为2. 5mm/s，压制位移为初装粉末高度的40%，液压油高度高于硅橡胶包套10mm，压制吨位为260吨力，压制过程中的最大液体静压为800MPa，最大轴向压力为·2900MPa。
全文摘要
一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法，它涉及冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法，本发明要解决现有传统非晶合金材料的制备方法难以制备出大尺寸、高性能的铝基非晶合金成形件的问题。本发明中一种冷态制备大尺寸铝基非晶合金成形件的方法按以下步骤进行一、铝基非晶合金粉末的制备；二、弹性硅橡胶模具的制备；三、弹性硅橡胶包套的制备；四、冷静液机械压制成型。采用本发明方法制备的大尺寸铝基非晶合金成形件组织均一，力学性能优异，致密度达99%以上。本发明可应用于冷态制备大尺寸非晶合金或非晶与晶态复合合金成形件的工程领域。
文档编号C22C1/04GK102978540SQ201210543548
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者沈军, 王东君, 魏先顺 申请人:哈尔滨工业大学