本實用新型屬于金屬制造領域，具體涉及一種非晶合金的快速成型裝置。

背景技術：

非晶合金材料是近年來發(fā)揮迅速的新型金屬材料。非晶合金材料是通過加熱熔煉后，以極快的冷卻速率對合金熔液進行冷卻至非晶相的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度來完成非晶態(tài)合金的形成，避免合金內(nèi)金屬晶體的形成及生長，從而具有金屬原子短程有序、長程無序的特殊微觀結構。正因為具有不同于晶態(tài)金屬的微觀結構，使得非晶合金具有高硬度、高強度、良好的耐腐蝕性等特性。在非晶合金材料開發(fā)早期，要獲得非晶合金材料所需熔煉后的冷卻速率是非常高的，往往需要達到10⁵-10⁶℃/s，在此基礎上開發(fā)出適合于非晶態(tài)合金生產(chǎn)的各種成型工藝，如真空壓鑄、熔融紡絲、平面流鑄等特殊鑄造工藝。目前，非晶合金材料的冷卻速率主要還是取決于非晶合金的元素組成，通過改善非晶合金的元素組成以及對應的鑄造工藝，可以在較低的冷卻速率下獲得形成能力更高的塊體狀非晶合金。

現(xiàn)有技術中，非晶合金成型產(chǎn)品的制造廣泛使用各類真空壓鑄機進行，一方面可避免非晶合金在制備過程中發(fā)生氧化，另一方面，嚴格管控鑄造環(huán)境，以免環(huán)境變化對鑄造過程產(chǎn)生不利影響。從制備的過程看來，使用壓鑄機則必須采納壓鑄機所需的所有組件，成本價格較為昂貴，而且制備過程較為費時費力，從經(jīng)濟性的角度考慮并非較佳選擇，從實際應用上看，非晶合金的嚴格制備過程也導致了非晶合金產(chǎn)品的成本居高不下，導致非晶合金產(chǎn)品更多的是應用于高端消費類電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械產(chǎn)品等高附加值的產(chǎn)品。從制備環(huán)境來看，采用壓鑄設備則必須嚴格控制加工環(huán)境，不僅對操作環(huán)境、操作人員提出了較高的要求，而且一旦環(huán)境條件變化，形成不良件的幾率會飆升。

針對真空壓鑄設備的缺點，研究人員開發(fā)出了許多具有改進效果的成型設備以及成型方法。如申請?zhí)枮?01180057470.6名為《通過快速電容器放電鍛造形成金屬玻璃》的專利中提供的一種利用快速電容器和鍛造板相配合使非晶金屬整體成型的方法。

技術實現(xiàn)要素：

上述專利方案中提供的采用快速電容器加熱成型的方法盡管能夠在非常短的時間內(nèi)使非晶合金材料成型，但是在實際應用中缺點還是非常明顯的，主要包括如下幾點：

（1）盡管非晶材料成型過程的時間縮短了，但是其前處理以及加工后冷卻、取樣的工序非常復雜，無法應用于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。

（2）利用現(xiàn)有技術中提供的裝置進行非晶合金的成型，對非晶合金材料形狀及尺寸要求較高，非晶合金材料在瞬時加熱呈熔化狀態(tài)時易粘附于快速電容器兩側(cè)，造成取件困難。

為了解決上述現(xiàn)有技術的不足，本實用新型提供了一種簡單快速的非晶合金成型方法，本實用新型中的方法同樣利用了快速點充氣通過快速充放電的特性，使一定能量的電能均勻釋放于非晶合金材料上，使非晶合金材料能夠在極短的時間內(nèi)被加熱，然后通過成型裝置進行成型，冷卻后得到具有特定形狀的非晶合金產(chǎn)品。本實用新型中通過對快速成型裝置及成型方法的特殊控制，實現(xiàn)了非晶合金產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)，大幅提升了工藝效率，從而使該方法可推廣至工業(yè)化應用。進一步地，通過對成型裝置的設計，可避免非晶合金材料的粘附，便于制造過程中非晶合金產(chǎn)品脫離成型裝置。

本實用新型所要解決的技術問題通過以下技術方案予以實現(xiàn)：

本實用新型中提供的非晶合金快速成型裝置，包括加工臺、電容放電加熱裝置和成型裝置；所述加工臺上設有至少一個加熱成型工位放置待加工非晶合金材料；所述電容放電加熱裝置包括充放電電容器、電源以及驅(qū)動裝置，該加熱裝置通過驅(qū)動裝置在與待加工非晶合金材料接觸，使待加工非晶合金材料軟化；所述成型裝置包括兩個或者多個成型組件以及組件的壓力驅(qū)動裝置，所述成型組件組合后單獨構成成型模腔，或者與充放電電容器兩端電極共同構成成型模腔，所述成型模腔形狀與非晶合金產(chǎn)品相同且至少在受力方向保持封閉。

進一步簡化本實用新型中的非晶合金快速成型裝置，所述充放電電容器可同時作為成型裝置，其結構為：設置充放電電容器兩端電極為相匹配的異形電極，組合后構成成型模腔；充放電電容器兩側(cè)設有壓力驅(qū)動裝置。

進一步地，所述加工臺上還設有放料工位。將放料工序與加熱成型工序分置，可增加整體成型工藝的流暢度，更適合工業(yè)化生產(chǎn)。

進一步提升充放電電容器效率，所述充放電電容器為快速充放電電容器。所述充放電電容器兩端電極與待加工非晶合金材料接觸面積大于其總面積的60%。

進一步地，在實際制備過程中優(yōu)選加工臺為旋轉(zhuǎn)式圓盤。

再進一步地，上述非晶合金快速成型裝置中還包括自動工件移動裝置。所述自動工件移動裝置為往復運動機構或者機械手。

本實用新型中優(yōu)選待加工非晶合金非晶態(tài)的體積比占90%以上。

本實用新型中還提供一種適用于上述快速成型裝置的進行非晶合金快速成型的方法，包括如下步驟：

S01：將待加工非晶合金材料放置于加熱成型工位上；

S02：充放電電容器電極在驅(qū)動裝置的帶動下運動至與待加工非晶合金材料接觸，放電加熱使非晶合金材料溫度達到0.8-1.2倍的玻璃轉(zhuǎn)化溫度范圍內(nèi)，使待加工非晶合金材料軟化，然后停止放電加熱；

S03：成型組件在壓力驅(qū)動裝置的帶動下包緊軟化后的待加工非晶合金材料，使待加工非晶合金材料按照成型組件組合后構成的成型模腔固定成型；

S04：非晶產(chǎn)品成型冷卻后，成型組件在壓力驅(qū)動裝置的帶動下離開非晶合金產(chǎn)品表面，得到所需非晶合金產(chǎn)品。

本實用新型中的非晶合金快速成型方法無需限定在高真空環(huán)境下進行，優(yōu)選再常溫常壓下進行。

本實用新型具有如下有益效果：

1、本實用新型中提供了一種簡單快速的非晶合金成型方法以及適用于該方法的非晶合金快速成型裝置。

2、本實用新型中的方法利用了快速點充氣通過快速充放電的特性，使一定能量的電能均勻釋放于非晶合金材料上，使非晶合金材料能夠在極短的時間內(nèi)被加熱，然后通過成型裝置進行成型，冷卻后得到具有特定形狀的非晶合金產(chǎn)品。本實用新型中的方法通過對快速成型裝置及成型方法的特殊控制，實現(xiàn)了非晶合金產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)，大幅提升了工藝效率，從而使該方法可推廣至工業(yè)化應用。

3、本實用新型中的非晶合金成型裝置通過適應性設計，可避免非晶合金材料的粘附，便于制造過程中非晶合金產(chǎn)品脫離成型裝置。

附圖說明

圖1為本實用新型中非晶合金快速成型裝置工作示意圖1；

圖2為本實用新型中非晶合金快速成型裝置工作步驟1；

圖3為本實用新型中非晶合金快速成型裝置工作步驟2；

圖4為本實用新型中非晶合金快速成型裝置工作步驟3；

圖5為本實用新型中非晶合金快速成型裝置工作示意圖2；

圖6為本實用新型中非晶合金快速成型裝置工作示意圖3；

圖7為本實用新型中加工臺為旋轉(zhuǎn)式圓盤的示意圖；

圖8為本實用新型快速成型裝置中包含往復運動機構的示意圖；

圖9為本實用新型快速成型裝置中包含機械手的示意圖；

圖10為本實用新型中快速成型裝置應用的實例示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的說明。

本實用新型中提供的非晶合金快速成型裝置，包括加工臺、電容放電加熱裝置和成型裝置。加工臺用于放置待加工的非晶合金材料，作為物理載體進行使用，加工臺上設有至少一個加熱成型工位用于放置待加工的非晶合金材料。所述電容放電加熱裝置包括充放電電容器、電源以及驅(qū)動裝置，該加熱裝置通過驅(qū)動裝置在與待加工非晶合金材料接觸，使待加工非晶合金材料軟化；成型裝置則包括兩個或者多個成型組件以及組件的壓力驅(qū)動裝置，所述成型組件組合后單獨構成成型模腔，或者與充放電電容器兩端電極共同構成成型模腔，所述成型模腔形狀與非晶合金產(chǎn)品相同且至少在受力方向保持封閉。

在本實用新型的實施例中，為簡化附圖，電源、加工臺以及驅(qū)動裝置未標示出。實施例中電源采用現(xiàn)有技術中充放電電容器電源，加工臺亦可根據(jù)實際需要選擇合適材質(zhì)的物理載體，驅(qū)動裝置可采用如模具驅(qū)動裝置相類似的機械驅(qū)動結構，只要能夠滿足本實用新型中的功能需求即可。本實用新型中為達到快速加熱的目的，采用的充放電電容器為快速充放電電容器，所述充放電電容器兩端電極與待加工非晶合金材料接觸面積大于其總面積的60%，優(yōu)選接觸面積大于其總面積80%。

本實用新型中適用的非晶合金范圍廣，包括鋯基非晶合金、鎳基非晶合金、鈦基非晶合金、鋁基非晶合金、鎂基非晶合金、銅基非晶合金、稀土基非晶合金等，適用的非晶合金具體組成如：Zr55.9Al14.5Cu14.5Ni11.5Nb3.6、Zr57.0Al10.0Cu15.4Ni12.6Nb5.0、Zr56.9Al10.0Cu15.4Ni12.6Nb5.0Ce0.1、Zr58.5Al12.0Co12.7Ti12.7Nb4.1、Zr58.5Al12.1Sc13.4Mo12.5Hf3.5、Ti45Cu45Zr5Fe5、Ti47.5Cu47.5Zr2.5Co2.5、Ti50Cu42.5Zr6Ir1.5、Ni45Cu45Zr5Fe5、Ni47.5Cu47.5Zr2.5Ti2.5、Cu60Zr25Hf5Ti10、Cu47Ti34Zr11Ni8、Al79Ni7Y5Zr5Fe1B3、Al79Ni7Y5La0Fe2B4Zr3、Al83Ni5Y5La1Fe1B4Zr1、La53Al17(Cu_0.7Ni_0.3)18Co4Li8、Ce50Al13(Cu_0.7Ni_0.3)20Zr2Ta2Li13。上述成分的合金在實踐中利用本實用新型中的快速成型裝置可進行有效的成型加工，平均2-5s可完成一次加工過程。在該加熱過程中，快速成型裝置加熱以及包緊擠壓成型的時間僅占0.1-0.5s，加工體積小的工件時，加熱及成型時間可控制在0.1s左右，甚至更低達到毫秒級別。

實施例1提供的非晶合金快速成型裝置如附圖1所示。待加工非晶合金件104位于加工臺上的加熱成型工位上，電容放電裝置中的電容103與兩端電極101、102相連，成型組件105、106及其壓力驅(qū)動裝置構成成型裝置，成型組件105、106組合后單獨構成成型模腔，該成型模腔內(nèi)部形狀與所需非晶合金產(chǎn)品相同，該成型模腔在其壓力方向上保持封閉。成型組件105、106在成型步驟中運動方向為如附圖1中箭頭所示的垂直方向，則在該方向上的成型組件105和106能夠形成封閉的模腔，該模腔與現(xiàn)有技術模具中的模腔相似，不同的是成型組件105與106各自由各自的壓力驅(qū)動裝置帶動。在實施例中為便于辨識，故將成型組件運動方向設為垂直方向，在實際應用過程中，成型組件不僅可設為多個，如制備較為立體的非晶合金件時，成型組件可包含3個、4個甚至更多，而且成型組件在驅(qū)動裝置的帶動下可在各個方向往復運動。

附圖2-4所示為利用實施例1中的快速成型裝置進行非晶合金件成型加工的步驟示意圖，在該工藝過程中，采用充放電電容器一側(cè)電極作為加工臺放置待加工非晶合金材料。加工步驟如下：

S01：如附圖2所示，將待加工非晶合金材料放置于電極102上所設定的加熱成型工位上；

S02：如附圖3所示，充放電電容器兩端電極101在驅(qū)動裝置的帶動下運動至與待加工非晶合金材料104相接觸，啟動充放電電容器的放電功能，將電能均勻引入非晶合金材料內(nèi)，非晶合金材料迅速升溫，達到該非晶合金材料0.8-1.2倍的玻璃轉(zhuǎn)化溫度范圍內(nèi)，優(yōu)選使該非晶合金材料達到1-1.2倍的玻璃轉(zhuǎn)化溫度范圍內(nèi)，直至使待加工非晶合金材料軟化至粘度為50-180Poise，停止放電加熱；

應用本實用新型中的非晶合金快速成型裝置進行成型的過程，是在極短的時間內(nèi)使非晶合金材料迅速軟化、發(fā)生形變的過程，溫度需進行精確控制在0.8-1.2倍的玻璃轉(zhuǎn)化溫度范圍內(nèi)，升溫溫度不宜過高，一方面能耗較高，成本上升，另一方面增加了非晶合金材料燒損的風險。非晶合金材料軟化的程度視加工的非晶合金材料的特性而定，在實踐中，只要非晶合金材料加熱軟化至粘度低于10¹³Posie即可進行加工，通過改善適配的機械設計，如為成型組件設定更大的包緊力即可完成成型過程。本實用新型的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，針對常用的非晶合金材料，如鋯基非晶合金、銅基非晶合金、鈦基非晶合金、鐵基非晶合金、鎳基非晶合金、稀土基非晶合金，控制加熱過程，使非晶合金材料軟化至10³-10⁵Posie可兼具經(jīng)濟性和高效率。軟化后的合金粘度不宜低于10²Posie，粘度過小會導致非晶合金材料表面能的改變，易導致非晶合金材料過度鋪展于加工工位上。

S03：成型組件105、106在壓力驅(qū)動裝置的帶動下沿箭頭方向運動，逐漸包緊軟化后的待加工非晶合金材料104，使待加工非晶合金材料按照成型組件組合后構成的成型模腔固定成型；

S04：如附圖4所示，非晶產(chǎn)品成型冷卻后，成型組件105、106在其壓力驅(qū)動裝置的帶動下離開非晶合金產(chǎn)品表面，并將電極101驅(qū)動離開非晶合金件表面得到所需非晶合金產(chǎn)品。

實施例2中提供的是充放電電容器同時還作為成型裝置使用的裝置，將充放電電容器兩端電極設置為相匹配的異形電極，組合后構成成型模腔，充放電電容器兩側(cè)還設有壓力驅(qū)動裝置控制兩側(cè)電極的運動軌跡。進一步地，還可如附圖5所示，在電容器電極201和202的側(cè)面或者其他位置設置輔助成型組件205和206，可協(xié)助電容器電極更穩(wěn)定的完成成型過程，控制在成型過程中非晶合金材料204成型后制得的非晶合金產(chǎn)品的水口方向及水口形貌。輔助成型組件不限制為2個，可以根據(jù)實際情況設置為1個或者多于2個，輔助成型組件同樣設有單獨的驅(qū)動裝置控制其行徑路線。

實施例3中成型裝置如附圖6所示，提供的是成型組件與具有異形結構的充放電電容器電極共同作為成型裝置的示意圖，成型組件205和306與異形電極301、302共同組成成型模腔對非晶合金材料304進行壓制成型，適合復雜構件的制造。

實施例4進一步對快速成型裝置進行改進，如附圖7所示，將加工臺設為旋轉(zhuǎn)式圓盤，該圓盤可沿著中軸線轉(zhuǎn)動。在實際非晶合金產(chǎn)品制造的過程中，使用旋轉(zhuǎn)式圓盤的加工臺效率更高。本實施例中，旋轉(zhuǎn)式圓盤上設有放料工位701和加熱成型工位702，在連續(xù)生產(chǎn)過程中，操作者將待加工物料放置于放料工位701上，圓盤旋轉(zhuǎn)，將物料轉(zhuǎn)至加熱成型工位702處，然后進行加工，加工完畢后圓盤再進行回轉(zhuǎn)至放料工位701處，取出成型產(chǎn)品再繼續(xù)放置待加工物料，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。在本實施例中的旋轉(zhuǎn)式圓盤上設有4個工位，即可同時進行2個待加工物料的同時成型生產(chǎn)，在實際生產(chǎn)過程中，還可將工位設置為6個、8個或者更多，再進一步改進，還可將該裝置設置為多層立體結構，實現(xiàn)多層次工位同時生產(chǎn)，進一步提升效率。

實施例5進一步對快速成型裝置進行改進，如附圖8所示，添加了往復運動機構803作為自動工件移動裝置。設有放料工位801和加熱成型工位802，在連續(xù)生產(chǎn)過程中，操作者將待加工物料放置于放料工位801上，往復運動機構將待加工物料推至加熱成型工位802，在經(jīng)過加熱成型后，往復運動機構將其帶回至放料工位處801，取出成型產(chǎn)品再繼續(xù)放置待加工物料，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，亦或者，在送料方向側(cè)設置收料機構，往復運動機構繼續(xù)沿著送料防線將成型后的產(chǎn)品推至收料機構中。

實施例6進一步對快速成型裝置進行改進，如附圖9所示，添加了機械手902作為自動工件移動裝置。與實施例5中成型工藝步驟是一樣的，不同的是移動待加工非晶合金材料以及成型后的非晶合金產(chǎn)品的是機械手結構。

實施例7提供的是利用本發(fā)明中的快速成型裝置加工具有螺紋結構的非晶合金產(chǎn)品的示意圖。如附圖10所示，成型組件1005、1006與電容電極1002、1003共同構成成型模腔，利用成型組件1005、1006內(nèi)部螺紋結構制備表面具有螺紋結構的非晶合金件，成型組件1005和1006在壓制非晶合金材料的方向為封閉結構，電容電極1002、1003協(xié)助進行成型，限制了非晶合金材料在壓制的過程中水口僅能往兩側(cè)流，便于后續(xù)深加工。

本實用新型中的非晶合金快速成型裝置及成型方法適用于加工鋯基、鈦基、鐵基、鎳基、稀土基等不同體系的非晶合金材料。使用本實用新型中的快速成型裝置加工所加工的非晶合金材料優(yōu)選具有均勻截面的塊體非晶合金，有助于在通電時電流以均勻密度通過。

進一步地，所述待加工非晶合金材料非晶態(tài)的體積比占90%以上，優(yōu)選在95%以上。由于非晶合金與晶態(tài)合金微觀結構上的差異，非晶合金材料的內(nèi)部長程無序短程有序的結構可有效使電能在材料內(nèi)部整體呈均勻分布，相對應的晶態(tài)合金通電后的能量分布則依照電場分布曲線，而非均勻分布，故只有針對非晶態(tài)占比超過90%以上的非晶合金材料，才能夠在應用本實用新型的裝置過程中達到快速均勻使非晶合金材料成型的目的。

由于使用本實用新型中的裝置及方法簡單快速，通過對成型組件及電極的設置可有效避免非晶合金材料在制備過程中發(fā)生氧化，故應用本實用新型中的快速成型裝置及方法可在常溫常壓下進行制造工藝。

最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型實施例的技術方案而非對其進行限制。盡管參照較佳實施例對本實用新型實施例進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解依然可以對本實用新型實施例的技術方案進行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替換亦不能使修改后的技術方案脫離本實用新型實施例技術方案的范圍。