CN103962434B - 一种块体金属玻璃工件的电致塑性成型方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种块体金属玻璃工件的电致塑性成型方法，用于对块体金属玻璃进行加工成型，包括如下步骤：制备横截面均匀的块体金属玻璃胚料；将块体金属玻璃胚料固定并在其两端连接脉冲电流源；根据块体金属玻璃工件成型要求设置脉冲电流参数并通电；待块体金属玻璃胚料在脉冲电流作用下升至成型温度后对其施加机械成型力；关闭脉冲电流源，冷却至室温得到块体金属玻璃工件。本发明中还公开了相应的块体金属玻璃电致塑性成型装置。本发明具有操作简单、节约能耗的优点，尤其适用于制作形状复杂度和性能要求高的块体金属玻璃工件。

Description

一种块体金属玻璃工件的电致塑性成型方法及其装置

技术领域

本发明属于块体金属玻璃制造成型技术领域，特别涉及一种制备块体金属玻璃工件的电致塑性成型装置和方法。

背景技术

金属玻璃(metallicglass)又称为非晶态合金(amorphousalloy)、非结晶金属(non-crystallinemetal)、玻璃化金属(glassymetal)等等，因其固态时具有短程有序、长程无序的特殊结构在许多方面具有比常规多晶合金更优异的性能，在应用上，大块非晶材料的高强度、高耐蚀性以及优异的电磁特性将在机械、化工、电子和生物工程等行业中呈现广阔的应用前景。上世纪80年代末和90年代初，日本东北大学的Inoue研究小组首先报道了一些多组元合金系在适当的成分范围内表现出很强的非晶形成能力，非晶形成的临界冷却速率可降至100K/s以下，因此通过简单的熔体水淬或铜模铸造制备出了厘米级的块体金属玻璃，而传统的非晶合金由于需要超过106K/s的极高的临界冷却速度只能制备厚度或直径不超过50μm的粉末、条带、细丝或薄膜。目前已开发出的大块非晶合金体系有La基、Mg基、Zr基、Fe基、Pd基、Ti基、Ni基、Cu基、Ce基等十余种多组元体系，最低临界冷却速率已降至0.1K/s，最大块体金属玻璃直径已超过100mm。

块体金属玻璃现有的生产方法主要有熔体水淬法、电弧熔化铜模铸造法、高压铸造法和粉末烧结等。其中水淬法是将熔融态合金淬水冷却后制得块体金属玻璃，由于冷却介质原因，不能形成结构复杂件；铜模铸造法和高压铸造法均采用金属模具冷却，可以制备出棒状、板状和一些结构比较简单的块体金属玻璃铸件，但由于金属玻璃需要一定的冷却速率，所以金属模具材料的选择受到一定的限制，以至于许多具有复杂形状工件的模具很难被加工制造出来。粉末烧结法很难制得高密度胚料，一般只有理论密度的90-95％，而且带有较多的孔隙，使其机械性能降低。这些工艺所制备出来的产品都存在一定的局限性或不足，需要特殊的设备成本很高，不能生产形状复杂度比较高的产品，不适合工业生产。

块体金属玻璃材料自身存在室温脆性，在室温下没有塑性变形，变形量小于2％，施加外力时超过屈服强度容易断裂，机械加工性能较差，无法通过常规的加工工艺获得精密复杂形状的工件。比如拉伸成形是形成弯曲形状金属工件的众所周知工艺，然而在室温或远低于块体金属玻璃超塑性变形温度(即玻璃转变温度也是软化温度，一般大于400℃)下对块体金属玻璃进行拉伸或弯曲成形几乎是非常困难的。

综上所述，由于块体金属玻璃材料自身存在室温脆性，采用现有加工方法难以生产得到形状复杂度较高且力学性质均匀的产品，从而制约了块体金属玻璃材料在实际工业领域中广阔的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种块体金属玻璃电致塑性成型装置和方法，其目的在于通过控制块体金属玻璃的温度条件进行电致塑性加工成型，由此解决现有技术中存在的块状金属玻璃复杂产品难以加工且力学性能不均匀的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种块体金属玻璃电致塑性加工成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备块体金属玻璃胚料，保证其横截面均匀；

(2)将由(1)制得的块体金属玻璃胚料置于两夹具之间贴合夹紧并在其两端连接脉冲电流源；

(3)设置脉冲电流参数：幅值电流密度为100-5000A/mm²，脉冲宽度为10-1000μs，脉冲频率为30-5000Hz，启动脉冲电流源，脉冲电流从脉冲电流源正极出发依次流经第一电极夹和第一夹具后，均匀通过块体金属玻璃胚料横截面再流经第二夹具、第二电极夹回到脉冲电流源负极，以构成完整的通电回路；通电时，均匀通过金属玻璃胚料横截面的脉冲电流产生的焦耳热量使得金属玻璃胚料升温；

(4)以步骤(3)所述的方式使得块体金属玻璃胚料温度持续升温并且使得升温的上限始终处于所述金属玻璃胚料的玻璃转变温度以下，在此成型温度状态下经由致动控制器控制致动器运动，并依次通过与致动器相连的电极夹和夹具施加成型所需的机械力至金属玻璃胚料上；

根据不同的块体金属玻璃材料选择不同的一定温度，通过控制脉冲电流参数和致动器运动，可以精确控制块体金属玻璃胚料成型所需的一定温度值及成型所需的机械力，成型过程中致动器施加的机械成型力和位移速度的选择应确保块体金属玻璃胚料整体均匀变形，避免出现“颈缩”等局域形变现象。

(5)金属玻璃胚料在机械力作用下成型后，关闭脉冲电流源，释放致动器施加在玻璃金属坯料上的机械力，冷却至室温得到块体金属玻璃工件。

作为进一步优选地，所述步骤(4)中，成型温度状态具体为始终低于所述金属玻璃胚料的玻璃转变温度50度。

作为进一步优选地，在步骤(1)中，块体金属玻璃胚料采用下列方法中的任意一种制备：水淬法、熔体浇铸法、熔体吸铸法、热等静压粉末烧结法或者电火花粉末烧结法等任一方法制备。

作为进一步优选地，在步骤(1)中，块体金属玻璃胚料为具有均匀横截面的几何形状简单的片状、棒状或块状的坯料。

作为进一步优选地，所述块体金属玻璃基片选择下列基片中的任意一种或组合：Zr基、Ti基、Cu基、Mg基、Pd基、Ni基或Fe基。

按照本发明的另一个方面，提供了一种实现块体金属玻璃电致塑性成型装置，包括第一夹具、第二夹具、脉冲电流源、第一电极夹、第二电极夹、温度传感器、温度控制器、位移传感器、致动器和致动控制器。

其中，所述第一夹具正面和所述第二夹具正面始终与置于两者之间的块体金属玻璃胚料贴合夹紧，以固定块体金属玻璃胚料并传输电流；所述第一夹具背面与所述第一电极夹正面固定连接，所述第一电极夹背面与所述脉冲电流源正极电气相连；所述第二夹具背面与所述第二电极夹正面固定连接；所述第二电极夹背面通过导线与所述脉冲电流源负极电气连接；脉冲电流从脉冲电流源正极出发依次流经第一电极夹、第一夹具、块体金属玻璃胚料、第二夹具、第二电极夹回到脉冲电流源负极，以构成完整的电流回路；所述致动器与所述第一电极夹或第二电极夹机械相连并与其配合操作向块体金属玻璃胚料施加成型所需的机械力；所述位移传感器与所述致动器相连，用于采集致动器的位移信息；所述压力传感器置于第一电极夹或第二电极夹上所述致动控制器一端与位移传感器相连，另一端与压力传感器相连，根据位移传感器与压力传感器采集得到的致动器位移和压力信息来控制致动器的运动；所述温度传感器与块体金属玻璃胚料相连，用以测量块体金属玻璃胚料的温度；所述温度控制器一端与温度传感器相连，另一端与脉冲电流源电气连接并对脉冲电流参数进行控制，当块体金属玻璃胚料在成型过程中发生变形时对脉冲电流参数进行调节以维持稳定的温度状态。

作为进一步优选地，所述的第一电极和第二电极还配有冷却散热块。

作为进一步优选地，所述第一电极和所述第二电极选择高导电性和导热性的材料制备。

作为进一步优选地，所述高导电性和导热性材料为铜、镍，或者至少含有95％以上的铜合金或镍的合金，或不锈钢材料。

作为进一步优选地，所述致动器是液压致动器、气动致动器、机电致动器中的一种或组合。

本发明中，所述第一夹具和第二夹具可以根据块体金属玻璃工件的不同成型需求做成各种大小形状，配合致动器完成拉伸、压缩、弯曲、扭转等成形技术以实现不同加工要求的块体金属玻璃工件的成型，温度传感器采用人工浮地设计，接触式连接，以保障操作人员的绝对安全，电极与夹具以及夹具和金属玻璃胚料两端连接并且接触良好以便电流可以均匀通过工件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用电致塑性成型技术，通过设置脉冲电流，使得脉冲电流均匀通过块体金属玻璃胚料横截面，一方面提高了块体金属玻璃的塑性变形能力，改善了块体金属玻璃的加工工艺性能的同时还可以改善块体金属玻璃的力学性能的均匀性；另一方面，脉冲电流产生焦耳热量，通过选择合适的脉冲电流参数来维持块体金属玻璃工件成型过程中的温度不超过块体金属玻璃转化温度，避免了块体金属玻璃发生晶化，保持了块体金属玻璃的特有属性，降低块体金属玻璃在远低于玻璃转变温度下的变形抗力。此外，本发明还具有操作简单、节约能耗的优点，尤其适用于有形状复杂度和性能要求高的块体金属玻璃工件。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图；

图2为本发明的装置结构示意图；

图3为本发明的一个实施例的装置结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-块体金属玻璃棒状胚料、2A-第一夹具、2B-第二夹具、3A-第一电极夹、3B-第二电极夹、4-压力传感器、5-脉冲电流源、6-温度传感器、7-位移传感器、8-温度控制器、9-致动器、10-致动控制器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1：

如图3所述，本实施例以Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅(原子百分比)块体金属玻璃棒状胚料在200℃下弯曲加工成型方法为例，具体步骤如下：

将Zr基金属玻璃机械加工成截面均匀的块体金属玻璃棒状胚料1，将该块体金属玻璃棒状胚料1置于由无氧铜制成的第一夹具2A与第二夹具2B之间，调节第一夹具2A与第二夹具2B的位置使之与块体金属玻璃棒状胚料1贴合夹紧，以保证成型过程中第一夹具2A和第二夹具2B始终与块体金属玻璃棒状胚料1接触良好；

设置脉冲电流参数，根据块体金属玻璃坯料的体积不同，选择脉冲参数为：电流大小为100-1000A/mm²、脉宽为10-100μs、频率为30-100Hz之间，启动脉冲电流源5，该电源为可以连续输出脉冲电流，脉冲电流从脉冲电流源5正极出发依次流经第一电极夹3A和第一夹具2A后，均匀通过块体金属玻璃棒状胚料1横截面再流经第二夹具2B、第二电极夹3B回到脉冲电流源5负极，以构成完整的通电回路，通电时，均匀通过块体金属玻璃棒状胚料1横截面的脉冲电流产生焦耳热量使得金属玻璃胚料升温，可以通过温度控制器来控制流过块体金属玻璃棒状胚料1的电流大小和/或脉宽来精确控制焦耳热量大小从而控制块体金属胚料的温度。

温度传感器6采集块体金属玻璃棒状胚料1温度，控制脉冲电流参数使得块体金属玻璃棒状胚料1在焦耳热量下升温后并始终维持在200℃，与此同时，第一致动器和第二致动器在控制器8作用下运动，并依次通过与之相连的第一电极夹3A、第二电极夹3B和第一夹具2A、第二夹具2B为块体金属玻璃棒状胚料1成曲线轮廓提供机械力，块体金属玻璃棒状胚料1受到的机械力如箭头A所示。

块体金属玻璃棒状胚料1成型完成后，关闭脉冲电流源5，释放致动器施加在坯料上的机械力，冷却至室温即得到弯曲状的块体金属玻璃工件。

本实施例适用于直径为1-10mm和长度2-25mm的块体金属玻璃棒材。

本实施例中所述的块体金属玻璃的玻璃转变温度和晶化温度利用差示扫描量热法(DSC)或者是热机械分析(TMA)测定出。

本实施例中块体金属玻璃或其复合材料中非晶相的存在可以通过X射线衍射方法(XRD)来确定。完全非晶合金的X射线衍射图的特征是具有一个宽化的弥散衍射峰，而典型的晶体结构的合金衍射图谱上对应的是尖锐的布拉格衍射峰。

实施例2：

如图2所示，一种实现块体金属玻璃电致塑性成型的装置，包括第一夹具2A、第二夹具2B、脉冲电流源5、第一电极夹3A、第二电极夹3B、温度传感器6、温度控制器8、位移传感器7、致动器9和致动控制器10。

其中，所述第一夹具2A正面和所述第二夹具2B正面始终与置于两者之间的块体金属玻璃胚料1贴合夹紧，以固定块体金属玻璃胚料并传输电流；所述第一夹具2A背面与所述第一电极夹3A正面固定连接，所述第一电极夹3A背面与所述脉冲电流源5正极电气相连；所述第二夹具2B背面与所述第二电极夹3B正面固定连接；所述第二电极夹3B背面与所述脉冲电流源5负极电气连接；脉冲电流从脉冲电流源5正极出发依次流经第一电极夹3A、第一夹具2A、块体金属玻璃胚料1、第二夹具2B、第二电极夹3B回到脉冲电流源5负极，以构成完整的电流回路；所述致动器9与所述第一电极夹3A或第二电极夹3B机械相连并与其配合操作向块体金属玻璃胚料1施加成型所需的机械力；所述位移传感器7与所述致动器9相连，用于采集致动器的位移信息；压力传感器4置于第一电极夹3A或第二电极夹3B上；所述致动控制器10一端与位移传感器7相连，另一端与压力传感器4相连，根据位移传感器7与压力传感器4采集得到的致动器位移和压力信息来控制致动器9的运动；所述温度传感器6与块体金属玻璃胚料1相连，用以测量块体金属玻璃胚料的温度；所述温度控制器8一端与温度传感器6相连，另一端与脉冲电流源5电气连接并对脉冲电流参数进行控制，当块体金属玻璃胚料在成型过程中发生变化时对脉冲电流参数进行调节以维持稳定的温度状态。

本实施例中第一夹具2A、第二夹具2B、第一电极夹3A、第二电极夹3B还可以选用高导电性和导热性材料为铜、镍，或者至少含有95％以上的铜合金或镍的合金，或不锈钢材料制成，致动器9可以是液压致动器、气动致动器、机电致动器中的一种或组合，致动器9配合第一夹具2A和第二夹具2B产生施加到块体金属玻璃工件上的机械力可以是拉伸、压缩、弯曲和扭转等其中任何一种或组合，第一电极夹3A和第二电极夹3B还配有冷却散热块。温度传感器可以是与玻璃金属坯料连通的热电偶、红外测温仪或其他温度测量装置中的一种。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种块体金属玻璃工件电致塑性加工成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备块体金属玻璃胚料，保证其横截面均匀；

(2)将由步骤(1)制得的块体金属玻璃胚料置于两夹具之间贴合夹紧并在其两端连接脉冲电流源；

(3)设置脉冲电流参数：幅值电流密度为100-5000A/mm²，脉冲宽度为10-1000μs，脉冲频率为30-5000Hz，启动脉冲电流源，脉冲电流从脉冲电流源正极出发依次流经第一电极夹和第一夹具后，均匀通过块体金属玻璃胚料横截面再流经第二夹具、第二电极夹回到脉冲电流源负极，以构成完整的通电回路；

(4)以步骤(3)的方式使得块体金属玻璃胚料温度持续升温并且使得升温的上限始终处于所述金属玻璃胚料的玻璃转变温度以下，在此成型温度状态下经由控制器控制致动器运动，并依次通过与致动器相连的电极夹和夹具施加成型所需的机械力至金属玻璃胚料上；成型温度状态为始终低于所述金属玻璃胚料的玻璃转变温度50度；

(5)金属玻璃胚料在机械力作用下成型后，关闭脉冲电流源，冷却至室温获得所需的块体金属玻璃工件。

2.如权利要求1所述的块体金属玻璃工件电致塑性加工成型方法，其特征在于，所述步骤(1)中，块体金属玻璃胚料采用下列方法中的任意一种制备：水淬法、熔体浇铸法、熔体吸铸法、热等静压粉末烧结法或者电火花粉末烧结法制备。

3.如权利要求1所述的块体金属玻璃工件电致塑性加工成型方法，其特征在于，所述步骤(1)中，块体金属玻璃胚料为具有均匀横截面的几何形状简单的片状、棒状或块状的坯料。

4.如权利要求1所述的块体金属玻璃工件电致塑性加工成形方法，其特征在于，所述块体金属玻璃基片选择下列基片中的任意一种或组合：Zr基、Ti基、Cu基、Mg基、Pd基、Ni基或Fe基。

5.一种用于执行如权利要求1-4任意一项所述方法的块体金属玻璃工件电致塑性成型装置，其特征在于，包括用于贴合夹紧金属玻璃胚料的第一夹具和第二夹具、用于提供脉冲电流的脉冲电流源、与第一夹具固定相连并与脉冲电流源正极电气相连的第一电极夹、与第二夹具固定相连并与脉冲电流源负极电气相连的第二电极夹、用于采集金属玻璃胚料温度的温度传感器、用于稳定温度的温度控制器、用于施加成形所需机械力的致动器以及用于采集致动器位移的位移传感器、用于采集致动器机械力的压力传感器和控制致动器运动的致动控制器。

6.如权利要求5所述的块体金属玻璃工件电致塑性成型装置，其特征在于，所述第一电极夹和所述第二电极夹选择高导电性和导热性的材料制备。

7.如权利要求6所述的块体金属玻璃工件电致塑性成型装置，其特征在于，所述高导电性和导热性材料为铜、镍，或者至少含有95％以上的铜合金或镍的合金，或不锈钢材料。

8.如权利要求5所述的块体金属玻璃工件电致塑性成型装置，其特征在于，所述第一电极夹和第二电极夹还配有冷却散热块。

9.如权利要求5所述的块体金属玻璃工件电致塑性成型装置，其特征在于，所述致动器是液压致动器、气动致动器、机电致动器中的一种或组合。