專利名稱：一種塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料工件的加工成型方法
一種塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料工件的加工成型方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料工件制造成型技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種制 備塊體金屬玻璃工件的方法。
背景技術(shù)：
金屬玻璃(metallic glass)又稱為非晶態(tài)合金(amorphous alloy)、非結(jié)晶金屬 (non-crystalline metal)、玻璃化金屬(glassy metal)等等，因其固態(tài)時(shí)具有短程有序、 長(zhǎng)程無序的特殊結(jié)構(gòu)在許多方面具有比常規(guī)多晶合金更優(yōu)異的性能，在應(yīng)用上，大塊非晶 材料的高強(qiáng)度、高耐蝕性以及優(yōu)異的電磁特性將在機(jī)械、化工、電子和生物工程等行業(yè)中呈 現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。上世紀(jì)80年代末和90年代初，日本東北大學(xué)的Inoue研究小組首先 報(bào)道了一些多組元合金系在適當(dāng)?shù)某煞址秶鷥?nèi)表現(xiàn)出很強(qiáng)的非晶形成能力，非晶形成的臨 界冷卻速率可降至lOOK/s以下，因此通過簡(jiǎn)單的熔體水淬或銅模鑄造制備出了厘米級(jí)的 塊體金屬玻璃，而傳統(tǒng)的非晶合金由于需要超過106K/S的極高的臨界冷卻速度只能制備 厚度或直徑不超過50 μ m的粉末、條帶、細(xì)絲或薄膜。目前已開發(fā)出的大塊非晶合金體系有 La基、Mg基、Zr基、Fe基、Pd基、Ti基、Ni基、Cu基、Ce基等十余種多組元體系，最低臨界 冷卻速率已降至0. lK/s，最大塊體金屬玻璃已超過ΦΙΟΟπιπι。新型塊體金屬玻璃的出現(xiàn)也 給金屬玻璃復(fù)合材料的發(fā)展帶來了機(jī)遇。當(dāng)前阻止塊體金屬玻璃的工程應(yīng)用的主要障礙是 其室溫脆性和難以加工性。為了解決這一問題，一個(gè)行之有效的方法是在塊體非晶材料中 引入第二相，以阻止單一切變帶的快速擴(kuò)展。例如在^ 基塊體金屬玻璃材料中添加WC，ZrC 以及Ta，W等第二相顆?；蚶w維，使塑性應(yīng)變明顯提高而強(qiáng)度并未明顯降低。
塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料現(xiàn)有的生產(chǎn)方法主要有熔體水淬法、電弧熔化銅模鑄 造法、高壓鑄造法和粉末燒結(jié)等。其中水淬法是將熔融態(tài)合金淬水冷卻后制得塊體金屬玻 璃，由于冷卻介質(zhì)原因，不能形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜件；銅模鑄造法和高壓鑄造法均采用金屬模具 冷卻，可以制備出棒狀、板狀和一些結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的塊體金屬玻璃鑄件，但由于金屬玻璃需 要一定的冷卻速率，所以金屬模具材料的選擇受到一定的限制，以致于許多具有復(fù)雜形狀 工件的模具很難被加工制造出來。粉末燒結(jié)法很難制得高密度胚料，一般只有理論密度的 90-95%，而且?guī)в休^多的孔隙，使其機(jī)械性能降低。這些工藝所制備出來的產(chǎn)品都存在一 定的局限性或不足，需要特殊的設(shè)備成本很高，不能生產(chǎn)形狀復(fù)雜度比較高的產(chǎn)品，不適合 工業(yè)生產(chǎn)。同時(shí)，塊體金屬玻璃材料室溫條件下斷裂行為表現(xiàn)為脆性斷裂，機(jī)械加工性能較 差，無法通過常規(guī)的加工工藝獲得精密復(fù)雜形狀的工件，從而制約了塊體金屬玻璃材料在 實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域中廣闊的應(yīng)用。因此，尋找一種低成本和高效率的二次加工成型工藝和方法 成為能否實(shí)現(xiàn)塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料進(jìn)入實(shí)際大規(guī)模廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料材料工件的加工成型方 法，解決目前塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料加工成型過程中所面臨的形式單一、產(chǎn)品尺寸和形狀受塊體金屬玻璃臨界尺寸的限制，加工設(shè)備復(fù)雜，不適合批量工業(yè)化生產(chǎn)或生產(chǎn)成本 過高等問題。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的具體技術(shù)方案如下
一種塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料工件的加工成型方法，具體步驟如下
(1)坯料選擇工序根據(jù)工件機(jī)械性能的需求選擇力學(xué)性能合適的塊體金屬玻璃 或其復(fù)合材料坯料，機(jī)加工所需尺寸的板坯；
(2)模壓工序根據(jù)工件的要求制成定型模腔，將塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料毛 坯加熱到其過冷液態(tài)區(qū)中的適當(dāng)溫度保溫后，通過液壓機(jī)、鍛床或軋機(jī)進(jìn)行加壓，壓強(qiáng)大于 50MPa，使毛坯成型；
(3)熱處理工序工件熱處理，將經(jīng)過模壓定型的塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料工 件重新加熱到該組分的過冷液態(tài)區(qū)間保溫1-10分鐘，然后浸在冷水或冷油中，進(jìn)行淬火；
(4)修型工序?qū)⒔?jīng)過淬火的塊體金屬玻璃工件的邊緣進(jìn)行打磨，磨去不規(guī)整的 部分，成為成品。
本發(fā)明中所述的金屬玻璃或其復(fù)合材料可以為ττ基、Ti基、Cu基、Ni基或!^e基 的金屬玻璃或其復(fù)合材料。
本發(fā)明中所述的坯料可以為通過水淬法、熔體澆鑄法、熔體吸鑄法、熱等靜壓粉末 燒結(jié)法或者電火花(放電等離子)粉末燒結(jié)法等其中任一方法制備的簡(jiǎn)單幾何形狀的片 狀、棒狀或塊狀的坯料。
本發(fā)明中加熱步驟中的升溫速率可以為漲/min-lOOK/min，根據(jù)加工的工件所需 機(jī)械性能不同而加以選擇。
本發(fā)明中所述的塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料的過冷液態(tài)區(qū)指塊體金屬玻璃的玻 璃轉(zhuǎn)變溫度和晶化溫度之間的區(qū)間。上述溫度利用差示掃描量熱法(DSC)或者是熱機(jī)械分 析(TMA)測(cè)定出。
本發(fā)明中所采用的模具可以為玻璃、陶瓷、金屬或合金中的一種或多種組合，在符 合非晶合金工件金相組織要求范圍之內(nèi)，工件成形為近無余量精確成型。其中非晶合金工 件的金相組織可能是完全非晶態(tài)、非晶與晶態(tài)組成的復(fù)合態(tài)以及合金進(jìn)行熱處理(晶化處 理)而獲得的完全納米晶態(tài)。
本發(fā)明中塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料中非晶相的存在可以通過X射線衍射方法 (XRD)來確定。完全非晶合金的X射線衍射圖的特征是具有一個(gè)寬化的彌散衍射峰，而典型 的晶體結(jié)構(gòu)的合金衍射圖譜上對(duì)應(yīng)的是尖銳的布拉格衍射峰，其復(fù)合材料的衍射圖的特征 是寬化的彌散衍射峰上存在第二相的布拉格衍射峰。
本發(fā)明的工作原理是由于塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料中非晶相的存在，使材料 升溫至過冷液態(tài)區(qū)處于過冷液態(tài)，粘度很低，形變呈現(xiàn)出粘滯流變(viscous flow)的特點(diǎn)， 材料在外力的作用下發(fā)生顯著的塑性變形，甚至表現(xiàn)出超塑性行為。非晶合金從非均勻變 形向均勻變形轉(zhuǎn)變的溫度依賴于應(yīng)變速率，而均勻形變通常發(fā)生在低應(yīng)變速率和溫度接近 或高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg下(> 0. 7Tg)。在加壓均勻變形時(shí)坯料中不會(huì)出現(xiàn)裂紋，同時(shí)消除 了坯料中的缺陷，提高了成型工件的密度。
本發(fā)明熱壓成型后的塊體金屬玻璃工件通過熱處理增加塊體金屬材料的自由體 積而改善其韌性和塑性從而提高工件的綜合機(jī)械性能一適應(yīng)各類工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。
本發(fā)明提出的方法便于工業(yè)化批量生產(chǎn)，機(jī)械化程度高，材料毛坯來源廣泛，工藝 簡(jiǎn)單，可以消除鑄造過程中缺陷，根據(jù)不同的工業(yè)用途僅僅只需要更換模具就可以加工出 形狀各異用途不同的塊體金屬玻璃工件，生產(chǎn)成本低，效率高。模壓成型的模具可采用金 屬、陶瓷、石膏等各種材料，選擇廣泛，價(jià)格低廉，可根據(jù)市場(chǎng)需求及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品類型。


圖1為本發(fā)明的工藝流程示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1
如圖1所述，本實(shí)施例以Zi^55Cu3ciAliciNi5(原子百分比)塊體金屬玻璃工件的加工 成型方法為例，具體步驟如下
(1)坯料選擇工序
將吸鑄得到的^55Cu3tlAlltlNi5塊體金屬玻璃機(jī)加工所需尺寸的板坯；
(2)模壓工序根據(jù)工件的要求制成定型模腔，將塊體金屬玻璃毛坯以20K/min升 溫速率為加熱到其過冷液態(tài)區(qū)中的430°C保溫后，通過液壓機(jī)以1X10-2S-1的應(yīng)變速率進(jìn) 行加壓成形，壓強(qiáng)大于50MPa，使毛坯成型；
(3)熱處理工序?qū)⒔?jīng)過模壓定型的塊體金屬玻璃工件先逐步加壓到100_400MPa 穩(wěn)定的壓力，然后升溫到選定的處于金屬玻璃材料該組分的過冷液態(tài)區(qū)間的430°C保溫2 分鐘后降溫，降溫過程中繼續(xù)保壓，維持2分鐘撤掉壓力。然后浸在冷水進(jìn)行淬火；
(4)修型工序?qū)⒔?jīng)過淬火的塊體金屬玻璃工件的邊緣進(jìn)行打磨，磨去不規(guī)整的 部分，成為成品。
實(shí)施例2
本實(shí)施例以&55.9Cu18.6Ta8Al7.5Ni1Q (原子百分比)塊體金屬玻璃復(fù)合材料工件的加 工成型方法為例，具體步驟如下
(1)坯料選擇工序
將吸鑄得到的&^5.9Cu18.6Ta8Al7.5Ni1(1塊體金屬玻璃復(fù)合材料機(jī)加工所需尺寸的板 坯；
(2)模壓工序根據(jù)工件的要求制成定型模腔，將塊體金屬玻璃毛坯以20K/min升 溫速率為加熱到其過冷液態(tài)區(qū)中的440°C保溫后，通過液壓機(jī)以IXKT2iT1的應(yīng)變速率進(jìn)行 加壓成形，壓強(qiáng)大于50MPa，使毛坯成型；
(3)熱處理工序?qū)⒔?jīng)過模壓定型的塊體金屬玻璃工件先逐步加壓到100-400MPa 穩(wěn)定的壓力，然后升溫到選定的處于金屬玻璃材料該組分的過冷液態(tài)區(qū)間的440°C保溫2 分鐘后降溫，降溫過程中繼續(xù)保壓，維持2分鐘撤掉壓力。然后浸在冷水進(jìn)行淬火；
(4)修型工序?qū)⒔?jīng)過淬火的塊體金屬玻璃工件的邊緣進(jìn)行打磨，磨去不規(guī)整的 部分，成為成品。
上述實(shí)例僅用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，并不構(gòu)成權(quán)利要求范圍的限制，本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以想到的其他實(shí)質(zhì)等同手段，均在本發(fā)明權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料工件的加工成型方法，用于對(duì)材料為塊體金屬玻璃 或其復(fù)合材料的工件進(jìn)行加工成型，該方法具體包括如下步驟(1)坯料選擇工序根據(jù)工件機(jī)械性能的需求選擇力學(xué)性能合適的塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料坯料， 機(jī)加工所需尺寸的板坯；(2)模壓工序?qū)⑺鼋饘俨ＡЩ蚱鋸?fù)合材料板坯加熱到其過冷液態(tài)區(qū)中的適當(dāng)溫度并保溫一段時(shí) 間后，通過液壓機(jī)、鍛床或軋機(jī)進(jìn)行加壓，使毛坯成型；(3)熱處理工序?qū)⒔?jīng)過模壓定型的塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料工件重新加熱到其過冷液態(tài)區(qū)間保溫 一段時(shí)間，然后浸在冷水或冷油中進(jìn)行淬火；(4)修型工序?qū)⒔?jīng)過淬火的工件邊緣進(jìn)行打磨修型，即成為成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料的過 冷液態(tài)區(qū)指塊體金屬玻璃的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和晶化溫度之間的區(qū)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，玻璃轉(zhuǎn)變溫度和晶化溫度通過差示掃描 量熱法(DSC)或者熱機(jī)械分析(TMA)測(cè)出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述的金屬玻璃為^ 基、Ti基、Cu 基、Ni基或!^e基的金屬玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述的坯料為通過水淬法、熔體澆 鑄法、熔體吸鑄法、熱等靜壓粉末燒結(jié)法或者電火花粉末燒結(jié)法其中任一方法制備的片狀、 棒狀或塊狀坯料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，所述的塊體金屬玻璃或其復(fù)合材 料中非晶相的存在可以通過X射線衍射方法(XRD)來確定。
全文摘要
本發(fā)明公開一種塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料工件的加工成型方法，用于對(duì)材料為塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料的工件進(jìn)行加工成型，該方法具體包括如下步驟坯料選擇工序，模壓工序，熱處理工序，修型工序。本方法制備工藝簡(jiǎn)單，操作流程短，可以批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜度高、綜合性能優(yōu)異的塊體金屬玻璃或其復(fù)合材料工件產(chǎn)品，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、降低了成本。
文檔編號(hào)C22F1/18GK102029381SQ20101053880
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者李寧, 柳林, 諶祺 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)