CN102101233A - 一种在块体非晶合金表面制作微纳结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料表面微纳结构的制作方法，具体而言为一种在块体非晶合金表面快速制作微纳结构的方法，其特征在于：采用常规手段，将块体非晶合金表面的氧化物、油脂清除干净，然后采用适当方式使块体非晶合金需要加工的表面处于真空或惰性气体保护状态，并用加热到足够高的温度的辊状模具，在指定压应力作用下滚压需要加工的表面，获得具有微纳结构的块体非晶合金表面。本发明制得的表面质量好、加工成本低、加工效率高、工艺操作灵活。

Description

一种在块体非晶合金表面制作微纳结构的方法
技术领域
本发明涉及材料表面微纳结构的制作方法，具体而言为一种在块体非晶合金表面快速制作微纳结构的方法。
背景技术
块体非晶合金（Bulk amorphous alloy；也称大块金属玻璃，Bulk metallic glass）通常是指非晶尺寸在毫米级、临界冷却速率低于103K/s的非晶合金体系； 与晶态合金相比，非晶合金具有长程无序、短程有序的结构特征，使其兼有一般金属和玻璃的特性，非晶合金不存在常规晶态材料的空位、间隙原子、杂质、位错、晶界和其它界面形式的缺陷，而这些缺陷都是材料的薄弱位置，易于萌生裂纹，而且还很容易成为腐蚀源；其次，非晶合金具有金属键结构，从而具有较高的电导率和光学反射率。
非晶合金的这些特点使其相比于常规晶态材料具有更优异的磁学、电学、化学、光学及力学性能，如高强度、高韧性、耐冲击、耐磨损等，块体非晶合金在深过冷液体区间有很高的粘滞流动性，表现出类似于超塑性的特性，且这种特性对温度和应变速率非常敏感，块体非晶合金的这种超塑性既与非晶向纳米晶的转变，也与纳米尺寸的晶体向微米尺寸晶体变化有关，Saotome 等 [SAOTOME Y, IMAI K, SHIODA S, et al. The micro-nanoformability of Pt-based metallic glass and the nanoforming of three-dimensional structures. Intermetallics, 2002, 10 (11-12):1241-1247.]在他们的工作中提出了微、纳成形，采用Pt基成功块体非晶合金制备出了可用于微、纳器件的零件。然而，该方法难以大面积生产，且模具与复制产品之间的分离阻碍了其应用。
实际上，对于块体非晶合金而言，其应用面临的主要问题包括：成本高、室温脆性大、难以制作大尺寸的非晶零件等，在块体非晶合金表面进行微纳成形，不仅可以提高块体非晶合金产品的价值，而且如采用薄带则可以制作大尺寸（二维）的非晶零件；目前在非晶合金表面制作微纳结构的方法主要是表面复制方法，如何降低加工成本高、提高加工效率，从而实现大面积制作是目前要解决的关键问题。
发明内容
针对表面微纳结构加工技术存在的问题，本发明提出一种通过局部加热复制在块体非晶合金表面制作微纳结构的方法。
本发明通过事先加工好的具有微纳结构的模具碾压处于深过冷液体区间的块体非晶合金表面，从而在块体非晶合金表面表面上快速复制出微纳结构。
具体而言，本发明的步骤为：
采用常规手段，将块体非晶合金表面的氧化物、油脂清除干净，然后使块体非晶合金需要加工的表面处于真空或惰性气体保护状态，并用加热的辊状模具，在指定压应力作用下滚压需要加工的表面，加热的温度应保证辊面与块体非晶合金接触后能使块体非晶合金表面温度处于深过冷液体区间，从而获得具有微纳结构的块体非晶合金表面。
所述的使块体非晶合金需要加工的表面处于真空或惰性气体保护状态的方法，是将块体非晶合金直接放入真空罩中，然后抽真空到真空度1×10-2Pa，或者在抽真空后充入惰性气体。
所述的辊状模具，采用耐高温的钛合金或镍铬合金制作，做成中空的辊状，其辊面具有通过表面技术预先加工出的微纳结构，辊面在加工过程中与块体非晶合金表面接触；该模具通过内部加热或传导加热，其辊面保持足够高的温度，以保证其与块体非晶合金接触后能使块体非晶合金表面温度达到该合金玻璃化温度Tg以上30~60℃；所述辊状模具的水平移动速度为5~50mm/s，水平移动速度由速度控制系统控制。
所述的指定的压应力为500~3000Pa。
本发明所涉及的技术方法，具有如下优点：
1）表面质量好。由于加热辊与块体非晶合金接触时间短，不会导致块体非晶合金宏观上的变形；
2）加工成本低。辊状模具加工好后可以多次反复使用，而表面制作过程又不涉及其它特殊的设备和工艺要求，因此大大降低了加工成本；
3）加工效率高。一旦辊状模具加工好，在实际表面制作时，能非常快地形成大面积具有微纳结构的表面；
4）工艺操作灵活。由于采用了预先加工好的辊状模具，因此在实际应用时不再需要复杂的设备，而且真空泵和滚压装置布置灵活，适合对不同位置、不同形状、不同面积的表面进行加工。
因此，通过上述方法，可以在块体非晶合金表面快速制作出微纳结构。
附图说明
图1 制作结构示意图；
1 块体非晶合金  2 辊状模具  3 温度控制系统  4 速度控制系统
图2 辊状模具和复制后Mg65Cu25Y10块体非晶合金表面的SEM照片
(a) 辊状模具经微弧氧化处理的含显微孔隙的陶瓷表面层  (b) 复制后的Mg65Cu25Y10块体非晶合金表面。
具体实施方式
在本发明中所使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义，下面结合具体实施例，进一步详细地描述本发明，应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
实施例1
待表面加工的材料为Mg65Cu25Y10块体非晶合金；采用机械打磨方法清除块体非晶合金表面的氧化物，然后采用丙酮超声清洗块体非晶合金表面的油脂，干燥后将块体非晶合金放入真空罩中，抽真空到真空度为1×10-2Pa，然后充氩气到500Pa，采用加热到220℃直径20mm的钛合金中空辊状模具，模具具有经微弧氧化处理的含显微孔隙的陶瓷表面层，在500Pa的压力作用下，辊状模具以5mm/s的速度滚压Mg65Cu25Y10块体非晶合金的表面，块体非晶合金的表面与辊状模具接触后的最高温度为180℃，这样在Mg65Cu25Y10块体非晶合金表面连续获得了多孔微纳结构。
辊状模具表面及滚压后Mg65Cu25Y10块体非晶合金的表面的扫描电镜照片如图2，从图中可以看出对应辊状模具表面（如图2(a)）的细小凹坑，在滚压后Mg65Cu25Y10块体非晶合金的表面（如图2(b)）有与之成镜面对称关系的突起。
实施例2
待表面加工的材料选择Fe78Si9B13块体非晶合金；采用酸洗方法清除块体非晶合金表面的氧化物，然后采用丙酮超声清洗块体非晶合金表面的油脂，干燥后将块体非晶合金放入真空罩中，抽真空到真空度为1×10-2Pa，采用加热到380℃的直径25mm的镍铬合金中空辊状模具，模具表面预先经激光加工具获得了纳米柱状结构，辊状模具在2000 Pa的压力作用下以25mm/s的速度滚压Fe78Si9B13块体非晶合金的表面，该表面与辊状模具接触后的最高温度为330℃，这样获得了具有微纳结构的表面。
实施例3
待表面加工的材料为Zr55Al10Ni5Cu30块体非晶合金；采用酸洗方法清除块体非晶合金表面的氧化物，然后采用丙酮超声清洗块体非晶合金表面的油脂，干燥后代用。然后将块体非晶合金放入真空罩中，抽真空到真空度为1×10-2Pa，采用加热到480℃的直径30mm的镍铬合金中空辊状模具，模具表面预先经激光加工具获得了纳米柱状结构，在3000 Pa的压力作用下以50mm/s的速度滚压Zr55Al10Ni5Cu30块体非晶合金的表面，该表面与辊状模具接触后的最高温度为435℃，这样获得了具有微纳结构的表面。

Claims (7)

1.一种在块体非晶合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：通过事先加工好的具有微纳结构的模具碾压处于深过冷液体区间的块体非晶合金表面，从而在块体非晶合金表面表面上快速复制出微纳结构。
2.如权利要求1所述的一种在块体非晶合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：采用常规手段，将块体非晶合金表面的氧化物、油脂清除干净，然后使块体非晶合金需要加工的表面处于真空或惰性气体保护状态，并用加热的辊状模具，在指定的压应力作用下滚压需要加工的表面，加热的温度应保证辊面与块体非晶合金接触后能使块体非晶合金表面温度处于深过冷液体区间，从而获得具有微纳结构的块体非晶合金表面。
3.如权利要求2所述的一种在块体非晶合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：所述的使块体非晶合金需要加工的表面处于真空或惰性气体保护状态的方法是将块体非晶合金直接放入真空罩中，然后抽真空到真空度1×10-2Pa，或者在抽真空后充入惰性气体。
4.如权利要求2所述的一种在块体非晶合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：所述的辊状模具，采用耐高温的钛合金或镍铬合金制作，做成中空的辊状，其辊面具有通过表面技术预先加工出的微纳结构，辊面在加工过程中与块体非晶合金表面接触；该模具通过内部加热或传导加热，其辊面保持足够高的温度，以保证辊面与块体非晶合金接触后能使块体非晶合金表面温度达到该合金玻璃化温度Tg以上30~60℃。
5.如权利要求2或4所述的一种在块体非晶合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：所述辊状模具的水平移动速度为5~50mm/s，水平移动速度由速度控制系统控制。
6.如权利要求2或4所述的一种在块体非晶合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：所述辊状模具的直径为20～30mm。
7.如权利要求2所述的一种在块体非晶合金表面制作微纳结构的方法，其特征在于：所述指定的压应力为500~3000Pa。
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