本發(fā)明涉及非晶合金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非晶合金或其復(fù)合材料的連續(xù)精密成形設(shè)備和工藝。
背景技術(shù)：
非晶態(tài)合金及其復(fù)合材料由于其獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征，使其具有諸多晶態(tài)材料所不具備的優(yōu)異性能，如高比強(qiáng)度、高耐磨性、高耐腐蝕性、獨(dú)特的變形特性等。在航天材料、國(guó)防工業(yè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。目前，非晶態(tài)合金及其復(fù)合材料的制備技術(shù)主要包括兩種，一種是液態(tài)金屬直接凝固成為非晶態(tài)合金，典型代表是真空壓鑄成形技術(shù)，通過將合金熔體在一定壓力下充入型腔內(nèi)，然后實(shí)現(xiàn)冷卻，即在液相線溫度實(shí)現(xiàn)充型和成形。該方法能夠獲得結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，并且快速高效、成形性好，但該方法的缺點(diǎn)就是產(chǎn)品表面容易形成氣孔，分布不規(guī)則、大小不一，產(chǎn)品芯部也容易產(chǎn)生氣孔。此外，該方法實(shí)現(xiàn)高真空條件很難，無法獲得高品質(zhì)的產(chǎn)品。第二種制備方法是過冷液態(tài)區(qū)成形技術(shù)，將獲得的非晶態(tài)合金加熱到玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和初始晶化溫度(Tx)之間，在一定壓力、一定速度下實(shí)現(xiàn)成形，即在較窄的溫度范圍內(nèi)對(duì)非晶態(tài)合金進(jìn)行變形成形。該方法首先要獲得非晶態(tài)母材，因而制備工藝復(fù)雜，效率低下，溫度控制和變形時(shí)間要求較苛刻，否則產(chǎn)品容易產(chǎn)生晶化，最終性能惡化，無法滿足產(chǎn)品的使用要求。本發(fā)明綜合上述兩種成形工藝，在合金熔體凝固過程中，實(shí)現(xiàn)過冷液態(tài)區(qū)的加工成形，獲得高質(zhì)量產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)低成本高效率的制備技術(shù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種非晶合金或其復(fù)合材料的連續(xù)精密成形設(shè)備和工藝，該工藝是采用特定設(shè)備在非晶態(tài)合金或者其復(fù)合材料熔體凝固過程中的過冷液態(tài)區(qū)溫度區(qū)間對(duì)其進(jìn)行連續(xù)的低壓力精密成形，工藝流程短、生產(chǎn)效率高、節(jié)約成本、產(chǎn)品質(zhì)量好。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
一種非晶合金或其復(fù)合材料的連續(xù)精密成形設(shè)備，該成形設(shè)備包括真空腔體、給料倉(cāng)、合金熔煉系統(tǒng)、成形系統(tǒng)和工件臺(tái)；所述真空腔體能夠根據(jù)工藝需要抽真空或充入保護(hù)氣體；所述給料倉(cāng)用于向合金熔煉系統(tǒng)提供合金原料；所述合金熔煉系統(tǒng)包括加熱裝置和熔化平臺(tái)；加熱裝置用于將合金原料熔化為合金熔體，合金熔體置于熔化平臺(tái)中；
所述成形系統(tǒng)包括加載桿和成形模具，成形模具設(shè)于加載桿的下端；所述熔化平臺(tái)為多個(gè)，設(shè)于工件臺(tái)的上表面；所述工件臺(tái)安裝于真空腔體的底部，工件臺(tái)的底部中心位置安裝旋轉(zhuǎn)桿，該旋轉(zhuǎn)桿能夠旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)工件臺(tái)以其為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；
所述多個(gè)熔化平臺(tái)到工件臺(tái)中心旋轉(zhuǎn)桿的距離相等，相鄰兩個(gè)熔化平臺(tái)之間的距離相等；該設(shè)置使得帶有合金熔體的熔化平臺(tái)能夠旋轉(zhuǎn)桿帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)到成形模具的正下方，熔化平臺(tái)從熔化位置旋轉(zhuǎn)到成形模具正下方的時(shí)候，合金熔體的溫度處于合金的過冷液態(tài)區(qū)溫度范圍，然后加載桿驅(qū)動(dòng)成形模具對(duì)合金進(jìn)行壓制成形。
所述合金熔煉系統(tǒng)中，加熱裝置采用感應(yīng)線圈或電弧加熱裝置；當(dāng)采用感應(yīng)線圈加熱時(shí)，在給料倉(cāng)的下方設(shè)置熔煉坩堝，感應(yīng)線圈位于坩堝外側(cè)對(duì)其加熱，熔化平臺(tái)能夠旋轉(zhuǎn)到達(dá)坩堝正下方。當(dāng)采用電弧加熱裝置加熱時(shí)，采用機(jī)械手將給料倉(cāng)中的合金原料放置于熔化平臺(tái)中，電弧加熱裝置位于熔化平臺(tái)的正上方。
所述熔煉坩堝為石英、陶瓷坩堝(氧化鋁等)或者水冷銅坩堝，坩堝底部設(shè)置擋板，當(dāng)合金熔煉結(jié)束后，將擋板抽開，使得合金熔體能夠流到熔化平臺(tái)上。
該設(shè)備中，壓制成形后的非晶合金或其復(fù)合材料通過取樣器從真空腔體中取出。
該設(shè)備中，所述熔化平臺(tái)的材質(zhì)要保證不與母合金反應(yīng)，不影響母合金的加熱熔化行為和隨后的凝固、成形過程。
利用所述設(shè)備進(jìn)行非晶合金或其復(fù)合材料的連續(xù)精密成形工藝，過程如下：
當(dāng)加熱熔化方式為感應(yīng)加熱時(shí)，其工藝過程為：抽取真空，達(dá)到要求真空條件后，將所需形狀和質(zhì)量的母合金裝入給料倉(cāng)，進(jìn)一步進(jìn)給到熔煉坩堝中，將母合金加熱熔化后，停止加熱，打開底部擋板，合金熔體流到熔化平臺(tái)上，帶有合金熔體的熔化平臺(tái)旋轉(zhuǎn)到成形模具正下方位置，在旋轉(zhuǎn)過程中自由冷卻，當(dāng)合金熔體冷卻到玻璃轉(zhuǎn)變溫度和液相線溫度之間的過冷液態(tài)區(qū)范圍時(shí)，采用成形模具對(duì)該狀態(tài)的合金進(jìn)行壓制成形，同時(shí)對(duì)該狀態(tài)合金進(jìn)行快速冷卻，最終獲得所述非晶態(tài)合金或者非晶復(fù)合材料構(gòu)件；
當(dāng)加熱熔化方式為電弧加熱時(shí)，其工藝過程為：抽取真空，達(dá)到要求真空條件后，將所需形狀和質(zhì)量的母合金裝入給料倉(cāng)，進(jìn)一步進(jìn)給到熔煉平臺(tái)上，利用電極將母合金加熱熔化后，停止加熱，帶有合金熔體的熔化平臺(tái)旋轉(zhuǎn)到成形模具正下方位置，在旋轉(zhuǎn)過程中自由冷卻，當(dāng)合金熔體冷卻到玻璃轉(zhuǎn)變溫度和液相線溫度之間的過冷液態(tài)區(qū)范圍時(shí)，采用成形模具對(duì)該狀態(tài)的合金進(jìn)行壓制成形，同時(shí)對(duì)該狀態(tài)合金進(jìn)行快速冷卻，最終獲得所述非晶態(tài)合金或者非晶復(fù)合材料構(gòu)件。
所述真空條件是指真空度為1×10-1～1×10-4Pa范圍之間；所述母合金采用熔煉或澆鑄方式制備；母合金的形狀為棒狀、板狀、片狀和/或球狀規(guī)則形狀；母合金的形狀和質(zhì)量依據(jù)所需制備的非晶構(gòu)件的形狀和尺寸確定。
所述快速冷卻的冷卻速率為10-2～102K/min；通過低溫的成形模具和/或具有致冷功能的熔化平臺(tái)，合金實(shí)現(xiàn)快速冷卻，獲得純非晶或者非晶復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
該工藝中，加熱和成形過程能夠同時(shí)進(jìn)行，依據(jù)加熱熔化和成形所需的時(shí)間長(zhǎng)短，確定熔化平臺(tái)和成形模具的平移速度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣、熔化和成形，實(shí)現(xiàn)非晶合金或者復(fù)合材料的連續(xù)成形。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、本發(fā)明是將母合金熔化后，再在非晶態(tài)合金熔體凝固過程中的溫度區(qū)間，即液相線(Tl)到玻璃轉(zhuǎn)變(Tg)溫度范圍內(nèi)，對(duì)該狀態(tài)下合金進(jìn)行低壓力精密成形。該技術(shù)采用特定結(jié)構(gòu)的設(shè)備并充分利用了該成形溫度區(qū)間合金熔體凝固形成的光滑自由表面、良好的變形特性和低凝固收縮系數(shù)等特點(diǎn)，所獲得非晶合金構(gòu)件尺寸精度高、表面光潔度好、構(gòu)件內(nèi)部致密、無縮孔等缺陷。
2、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)給料、熔化和成形，自動(dòng)化程度高，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
3、本發(fā)明工藝流程短、生產(chǎn)效率高、節(jié)約成本、產(chǎn)品質(zhì)量好。
4、本發(fā)明成形方法適用于所有非晶合金體系構(gòu)件的制備，如：Zr基非晶合金、Ti基非晶合金、Fe基非晶合金、Ni基非晶合金、Al基非晶合金、Mg基非晶合金、Pd基非晶合金、Ag基非晶合金、Au基非晶合金、Hf基非晶合金、Ca基非晶合金、Pt基非晶合金、Cu基非晶合金、Co基非晶合金和稀土基非晶合金。還可應(yīng)用于非晶基復(fù)合材料。
附圖說明
圖1為本發(fā)明非晶合金或其復(fù)合材料連續(xù)精密成形設(shè)備示意圖；其中：(a)實(shí)施例1感應(yīng)熔煉；(b)實(shí)施例2電弧熔煉。
圖中：1-旋轉(zhuǎn)桿、2-工件臺(tái)、3-真空腔體、4-擋板、5-感應(yīng)線圈、6-給料倉(cāng)、7-加載桿、8-取樣器、9-模具、10-成形樣品、11-坩堝，12-熔融合金，13-給樣機(jī)械手；14-電極。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明中所涉及的技術(shù)方法進(jìn)行詳細(xì)描述，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受具體實(shí)施方式的限制。
本發(fā)明為非晶合金或其復(fù)合材料的連續(xù)精密成形設(shè)備和工藝，所述成形設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該設(shè)備包括真空腔體3、給料倉(cāng)6、合金熔煉系統(tǒng)、成形系統(tǒng)和工件臺(tái)2；所述真空腔體3根據(jù)工藝需要抽真空或充入保護(hù)氣體；所述給料倉(cāng)6用于向合金熔煉系統(tǒng)提供合金原料；所述合金熔煉系統(tǒng)包括加熱裝置和熔化平臺(tái)；加熱裝置用于將合金原料加熱為合金熔體，熔融合金12置于熔化平臺(tái)中；所述成形系統(tǒng)包括加載桿7和成形模具9，成形模具9設(shè)于加載桿7的下端；所述熔化平臺(tái)為多個(gè)，設(shè)于工件臺(tái)2的上表面；所述工件臺(tái)2安裝于真空腔體3的底部，工件臺(tái)2的底部中心位置安裝旋轉(zhuǎn)桿1，該旋轉(zhuǎn)桿1能夠旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)工件臺(tái)2以其為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；所述多個(gè)熔化平臺(tái)到工件臺(tái)中心旋轉(zhuǎn)桿1的距離相等，相鄰兩個(gè)熔化平臺(tái)之間的距離相等；該設(shè)置使得帶有合金熔體的熔化平臺(tái)能夠在旋轉(zhuǎn)桿1帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)到成形模具9的正下方，加載桿7驅(qū)動(dòng)成形模具9對(duì)合金進(jìn)行壓制成形，得到成形樣品10。
所述合金熔煉系統(tǒng)中，加熱裝置采用感應(yīng)線圈或電弧加熱裝置；當(dāng)采用感應(yīng)線圈加熱時(shí)，在給料倉(cāng)6的下方設(shè)置熔煉坩堝11，感應(yīng)線圈5置于坩堝11外側(cè)對(duì)其加熱，熔化平臺(tái)旋轉(zhuǎn)到達(dá)坩堝正下方；當(dāng)合金熔化完成后，打開所述熔煉坩堝底部擋板4，合金熔體流入熔化平臺(tái)。當(dāng)采用電弧加熱裝置加熱時(shí)，采用給料機(jī)械手13將給料倉(cāng)6中的合金原料放置于熔化平臺(tái)中，電弧加熱裝置位于帶有合金原料的熔化平臺(tái)的正上方。
該設(shè)備中，熔化平臺(tái)既用于裝載合金熔體，又用于與模具配合對(duì)合金壓制成成形，通過旋轉(zhuǎn)桿帶動(dòng)工件臺(tái)旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣和成形；壓制成形后的成形樣品10(非晶合金或其復(fù)合材料)通過取樣器8從真空腔體中取出。
該設(shè)備中，所述熔化平臺(tái)的材質(zhì)要保證不與母合金反應(yīng)，不影響母合金的加熱熔化行為和隨后的凝固、成形過程。
成形工藝為：
當(dāng)加熱熔化方式為感應(yīng)加熱時(shí)，其工藝過程為：抽取真空，達(dá)到要求真空條件后，將所需形狀和質(zhì)量的母合金裝入給料倉(cāng)，進(jìn)一步進(jìn)給到熔煉坩堝中，將母合金加熱熔化后，停止加熱，打開底部擋板，合金熔體流到熔化平臺(tái)上，帶有合金熔體的熔化平臺(tái)旋轉(zhuǎn)到成形模具正下方位置，在旋轉(zhuǎn)過程中自由冷卻，當(dāng)合金熔體冷卻到玻璃轉(zhuǎn)變溫度和液相線溫度之間的過冷液態(tài)區(qū)范圍時(shí)，采用成形模具對(duì)該狀態(tài)的合金進(jìn)行壓制成形，同時(shí)對(duì)該狀態(tài)合金進(jìn)行快速冷卻，最終獲得所述非晶態(tài)合金或者非晶復(fù)合材料構(gòu)件。
當(dāng)加熱熔化方式為電弧時(shí)，其工藝過程為：抽取真空，達(dá)到要求真空條件后，將所需形狀和質(zhì)量的母合金裝入給料倉(cāng)，進(jìn)一步進(jìn)給到熔煉平臺(tái)上，利用電極將母合金加熱熔化后，停止加熱，帶有合金熔體的熔化平臺(tái)旋轉(zhuǎn)到成形模具正下方位置，在旋轉(zhuǎn)過程中自由冷卻，當(dāng)合金熔體冷卻到玻璃轉(zhuǎn)變溫度和液相線溫度之間的過冷液態(tài)區(qū)范圍時(shí)，采用成形模具對(duì)該狀態(tài)的合金進(jìn)行壓制成形，同時(shí)對(duì)該狀態(tài)合金進(jìn)行快速冷卻，最終獲得所述非晶態(tài)合金或者非晶復(fù)合材料構(gòu)件。
加熱和成形過程可以同時(shí)進(jìn)行，依據(jù)加熱熔化和成形所需的時(shí)間長(zhǎng)短，確定熔化平臺(tái)平移速度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣、熔化和成形，有機(jī)的協(xié)調(diào)成形過程中的加熱、降溫、凝固和成形過程，實(shí)現(xiàn)了非晶合金的連續(xù)成形。
所述母合金采用熔煉或澆鑄方式制備；母合金的形狀為棒狀、板狀、片狀和/或球狀規(guī)則形狀。
所述熔化平臺(tái)的材質(zhì)要保證不與母合金反應(yīng)，不影響母合金的加熱熔化行為和隨后的凝固、成形過程。
對(duì)母合金的加熱方式為電弧加熱、感應(yīng)加熱、電阻加熱、激光加熱、等離子體加熱、紅外加熱或微波加熱。
通過低溫的成形模具和/或具有致冷功能的熔化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)合金快速冷卻，獲得純非晶或者非晶復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例1
如圖1(a)所示，本實(shí)施例設(shè)備設(shè)有給料倉(cāng)6，實(shí)現(xiàn)連續(xù)給料，將真空腔體3抽至所需真空度(1×10-1～1×10-4Pa)，將母合金送入感應(yīng)線圈5中的坩堝11中，在真空條件下(或者氬氣氣氛保護(hù)條件下)通過感應(yīng)線圈5將母合金加熱熔化，獲得熔融合金12，隨后停止加熱，旋轉(zhuǎn)桿1轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)工件臺(tái)2，將其轉(zhuǎn)到模具9下方，自由冷卻，待合金熔體冷卻到玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和液相線溫度(Tl)之間的時(shí)候，通過加載桿7下端的成形模具9對(duì)該狀態(tài)的合金進(jìn)行壓制成形，實(shí)現(xiàn)合金的冷卻成形(冷卻速率為10-2～102K/min)，獲得成形樣品10，利用取樣器8將樣品取出。在上述過程中，當(dāng)熔融合金12轉(zhuǎn)至模具9下方的同時(shí)，工件臺(tái)上另一熔化平臺(tái)的位置也旋轉(zhuǎn)到了坩堝正下方的位置，該位置同樣重復(fù)上述熔化——旋轉(zhuǎn)——成形的過程。
實(shí)施例2
如圖1(b)所示，本實(shí)施例設(shè)有給料倉(cāng)6，實(shí)現(xiàn)連續(xù)給料，將真空腔體3抽至所需真空度(1×10-1～1×10-4Pa)，通過給料機(jī)械手13將母合金送入電弧熔煉裝置下方(即圖中電極14的下方)的熔化平臺(tái)上，通過非自耗電極14將母合金加熱熔化，獲得熔融合金12，隨后停止加熱，旋轉(zhuǎn)桿1轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)工件臺(tái)2，將其轉(zhuǎn)到模具9下方，自由冷卻，待合金熔體冷卻到玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和液相線溫度(Tl)之間的時(shí)候，通過加載桿7下端的成形模具9對(duì)該狀態(tài)的合金進(jìn)行壓制成形，實(shí)現(xiàn)合金的冷卻成形(冷卻速率為10-2～102K/min)，獲得成形樣品10，利用取樣器8將樣品取出。在上述過程中，當(dāng)熔融合金12轉(zhuǎn)至模具9下方的同時(shí)，工件臺(tái)上另一熔化平臺(tái)的位置也旋轉(zhuǎn)到了非自耗電極14正下方的位置，該位置同樣重復(fù)上述熔化——旋轉(zhuǎn)——成形等過程。