CN106735078B - 一种非晶合金或其复合材料的连续精密成形设备和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非晶合金或其复合材料连续精密成形设备和工艺，属于非晶态合金技术领域。该工艺是采用特定设备并通过在非晶态合金熔体凝固过程中的一定温度区间，对非晶态合金进行压力精密成形，并且有机的协调成形过程中的加热、降温、凝固和成形过程，实现了非晶合金的连续成形。该技术充分利用了合金熔体凝固过程中的过冷液态区的高粘滞流变特性、光滑的自由表面和低凝固收缩率等特点，最终的非晶合金构件尺寸精度高、表面质量好、构件内部致密、无缩孔、缩松等缺陷。本发明的工艺流程短、生产效率高、节约成本、产品质量好。

Description

一种非晶合金或其复合材料的连续精密成形设备和工艺
技术领域
本发明涉及非晶合金技术领域，具体涉及一种非晶合金或其复合材料的连续精密成形设备和工艺。
背景技术
非晶态合金及其复合材料由于其独特结构特征，使其具有诸多晶态材料所不具备的优异性能，如高比强度、高耐磨性、高耐腐蚀性、独特的变形特性等。在航天材料、国防工业、消费电子等领域具有广阔应用前景。目前，非晶态合金及其复合材料的制备技术主要包括两种，一种是液态金属直接凝固成为非晶态合金，典型代表是真空压铸成形技术，通过将合金熔体在一定压力下充入型腔内，然后实现冷却，即在液相线温度实现充型和成形。该方法能够获得结构复杂的零件，并且快速高效、成形性好，但该方法的缺点就是产品表面容易形成气孔，分布不规则、大小不一，产品芯部也容易产生气孔。此外，该方法实现高真空条件很难，无法获得高品质的产品。第二种制备方法是过冷液态区成形技术，将获得的非晶态合金加热到玻璃转变温度(Tg)和初始晶化温度(Tx)之间，在一定压力、一定速度下实现成形，即在较窄的温度范围内对非晶态合金进行变形成形。该方法首先要获得非晶态母材，因而制备工艺复杂，效率低下，温度控制和变形时间要求较苛刻，否则产品容易产生晶化，最终性能恶化，无法满足产品的使用要求。本发明综合上述两种成形工艺，在合金熔体凝固过程中，实现过冷液态区的加工成形，获得高质量产品，从而实现低成本高效率的制备技术。
发明内容
为了克服现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种非晶合金或其复合材料的连续精密成形设备和工艺，该工艺是采用特定设备在非晶态合金或者其复合材料熔体凝固过程中的过冷液态区温度区间对其进行连续的低压力精密成形，工艺流程短、生产效率高、节约成本、产品质量好。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种非晶合金或其复合材料的连续精密成形设备，该成形设备包括真空腔体、给料仓、合金熔炼系统、成形系统和工件台；所述真空腔体能够根据工艺需要抽真空或充入保护气体；所述给料仓用于向合金熔炼系统提供合金原料；所述合金熔炼系统包括加热装置和熔化平台；加热装置用于将合金原料熔化为合金熔体，合金熔体置于熔化平台中；
所述成形系统包括加载杆和成形模具，成形模具设于加载杆的下端；所述熔化平台为多个，设于工件台的上表面；所述工件台安装于真空腔体的底部，工件台的底部中心位置安装旋转杆，该旋转杆能够旋转并带动工件台以其为中心进行转动；
所述多个熔化平台到工件台中心旋转杆的距离相等，相邻两个熔化平台之间的距离相等；该设置使得带有合金熔体的熔化平台能够旋转杆带动下旋转到成形模具的正下方，熔化平台从熔化位置旋转到成形模具正下方的时候，合金熔体的温度处于合金的过冷液态区温度范围，然后加载杆驱动成形模具对合金进行压制成形。
所述合金熔炼系统中，加热装置采用感应线圈或电弧加热装置；当采用感应线圈加热时，在给料仓的下方设置熔炼坩埚，感应线圈位于坩埚外侧对其加热，熔化平台能够旋转到达坩埚正下方。当采用电弧加热装置加热时，采用机械手将给料仓中的合金原料放置于熔化平台中，电弧加热装置位于熔化平台的正上方。
所述熔炼坩埚为石英、陶瓷坩埚(氧化铝等)或者水冷铜坩埚，坩埚底部设置挡板，当合金熔炼结束后，将挡板抽开，使得合金熔体能够流到熔化平台上。
该设备中，压制成形后的非晶合金或其复合材料通过取样器从真空腔体中取出。
该设备中，所述熔化平台的材质要保证不与母合金反应，不影响母合金的加热熔化行为和随后的凝固、成形过程。
利用所述设备进行非晶合金或其复合材料的连续精密成形工艺，过程如下：
当加热熔化方式为感应加热时，其工艺过程为：抽取真空，达到要求真空条件后，将所需形状和质量的母合金装入给料仓，进一步进给到熔炼坩埚中，将母合金加热熔化后，停止加热，打开底部挡板，合金熔体流到熔化平台上，带有合金熔体的熔化平台旋转到成形模具正下方位置，在旋转过程中自由冷却，当合金熔体冷却到玻璃转变温度和液相线温度之间的过冷液态区范围时，采用成形模具对该状态的合金进行压制成形，同时对该状态合金进行快速冷却，最终获得所述非晶态合金或者非晶复合材料构件；
当加热熔化方式为电弧加热时，其工艺过程为：抽取真空，达到要求真空条件后，将所需形状和质量的母合金装入给料仓，进一步进给到熔炼平台上，利用电极将母合金加热熔化后，停止加热，带有合金熔体的熔化平台旋转到成形模具正下方位置，在旋转过程中自由冷却，当合金熔体冷却到玻璃转变温度和液相线温度之间的过冷液态区范围时，采用成形模具对该状态的合金进行压制成形，同时对该状态合金进行快速冷却，最终获得所述非晶态合金或者非晶复合材料构件。
所述真空条件是指真空度为1×10-1～1×10-4Pa范围之间；所述母合金采用熔炼或浇铸方式制备；母合金的形状为棒状、板状、片状和/或球状规则形状；母合金的形状和质量依据所需制备的非晶构件的形状和尺寸确定。
所述快速冷却的冷却速率为10-2～102K/min；通过低温的成形模具和/或具有致冷功能的熔化平台，合金实现快速冷却，获得纯非晶或者非晶复合材料结构。
该工艺中，加热和成形过程能够同时进行，依据加热熔化和成形所需的时间长短，确定熔化平台和成形模具的平移速度，实现连续进样、熔化和成形，实现非晶合金或者复合材料的连续成形。
本发明具有以下优点：
1、本发明是将母合金熔化后，再在非晶态合金熔体凝固过程中的温度区间，即液相线(Tl)到玻璃转变(Tg)温度范围内，对该状态下合金进行低压力精密成形。该技术采用特定结构的设备并充分利用了该成形温度区间合金熔体凝固形成的光滑自由表面、良好的变形特性和低凝固收缩系数等特点，所获得非晶合金构件尺寸精度高、表面光洁度好、构件内部致密、无缩孔等缺陷。
2、本发明可以实现连续给料、熔化和成形，自动化程度高，可以实现工业化生产。
3、本发明工艺流程短、生产效率高、节约成本、产品质量好。
4、本发明成形方法适用于所有非晶合金体系构件的制备，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。还可应用于非晶基复合材料。
附图说明
图1为本发明非晶合金或其复合材料连续精密成形设备示意图；其中：(a)实施例1感应熔炼；(b)实施例2电弧熔炼。
图中：1-旋转杆、2-工件台、3-真空腔体、4-挡板、5-感应线圈、6-给料仓、7-加载杆、8-取样器、9-模具、10-成形样品、11-坩埚，12-熔融合金，13-给样机械手；14-电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明中所涉及的技术方法进行详细描述，但是应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明为非晶合金或其复合材料的连续精密成形设备和工艺，所述成形设备的结构如图1所示，该设备包括真空腔体3、给料仓6、合金熔炼系统、成形系统和工件台2；所述真空腔体3根据工艺需要抽真空或充入保护气体；所述给料仓6用于向合金熔炼系统提供合金原料；所述合金熔炼系统包括加热装置和熔化平台；加热装置用于将合金原料加热为合金熔体，熔融合金12置于熔化平台中；所述成形系统包括加载杆7和成形模具9，成形模具9设于加载杆7的下端；所述熔化平台为多个，设于工件台2的上表面；所述工件台2安装于真空腔体3的底部，工件台2的底部中心位置安装旋转杆1，该旋转杆1能够旋转并带动工件台2以其为中心进行转动；所述多个熔化平台到工件台中心旋转杆1的距离相等，相邻两个熔化平台之间的距离相等；该设置使得带有合金熔体的熔化平台能够在旋转杆1带动下旋转到成形模具9的正下方，加载杆7驱动成形模具9对合金进行压制成形，得到成形样品10。
所述合金熔炼系统中，加热装置采用感应线圈或电弧加热装置；当采用感应线圈加热时，在给料仓6的下方设置熔炼坩埚11，感应线圈5置于坩埚11外侧对其加热，熔化平台旋转到达坩埚正下方；当合金熔化完成后，打开所述熔炼坩埚底部挡板4，合金熔体流入熔化平台。当采用电弧加热装置加热时，采用给料机械手13将给料仓6中的合金原料放置于熔化平台中，电弧加热装置位于带有合金原料的熔化平台的正上方。
该设备中，熔化平台既用于装载合金熔体，又用于与模具配合对合金压制成成形，通过旋转杆带动工件台旋转，能够实现连续进样和成形；压制成形后的成形样品10(非晶合金或其复合材料)通过取样器8从真空腔体中取出。
该设备中，所述熔化平台的材质要保证不与母合金反应，不影响母合金的加热熔化行为和随后的凝固、成形过程。
成形工艺为：
当加热熔化方式为感应加热时，其工艺过程为：抽取真空，达到要求真空条件后，将所需形状和质量的母合金装入给料仓，进一步进给到熔炼坩埚中，将母合金加热熔化后，停止加热，打开底部挡板，合金熔体流到熔化平台上，带有合金熔体的熔化平台旋转到成形模具正下方位置，在旋转过程中自由冷却，当合金熔体冷却到玻璃转变温度和液相线温度之间的过冷液态区范围时，采用成形模具对该状态的合金进行压制成形，同时对该状态合金进行快速冷却，最终获得所述非晶态合金或者非晶复合材料构件。
当加热熔化方式为电弧时，其工艺过程为：抽取真空，达到要求真空条件后，将所需形状和质量的母合金装入给料仓，进一步进给到熔炼平台上，利用电极将母合金加热熔化后，停止加热，带有合金熔体的熔化平台旋转到成形模具正下方位置，在旋转过程中自由冷却，当合金熔体冷却到玻璃转变温度和液相线温度之间的过冷液态区范围时，采用成形模具对该状态的合金进行压制成形，同时对该状态合金进行快速冷却，最终获得所述非晶态合金或者非晶复合材料构件。
加热和成形过程可以同时进行，依据加热熔化和成形所需的时间长短，确定熔化平台平移速度，实现连续进样、熔化和成形，有机的协调成形过程中的加热、降温、凝固和成形过程，实现了非晶合金的连续成形。
所述母合金采用熔炼或浇铸方式制备；母合金的形状为棒状、板状、片状和/或球状规则形状。
所述熔化平台的材质要保证不与母合金反应，不影响母合金的加热熔化行为和随后的凝固、成形过程。
对母合金的加热方式为电弧加热、感应加热、电阻加热、激光加热、等离子体加热、红外加热或微波加热。
通过低温的成形模具和/或具有致冷功能的熔化平台实现合金快速冷却，获得纯非晶或者非晶复合材料结构。
实施例1
如图1(a)所示，本实施例设备设有给料仓6，实现连续给料，将真空腔体3抽至所需真空度(1×10-1～1×10-4Pa)，将母合金送入感应线圈5中的坩埚11中，在真空条件下(或者氩气气氛保护条件下)通过感应线圈5将母合金加热熔化，获得熔融合金12，随后停止加热，旋转杆1转动带动工件台2，将其转到模具9下方，自由冷却，待合金熔体冷却到玻璃转变温度(Tg)和液相线温度(Tl)之间的时候，通过加载杆7下端的成形模具9对该状态的合金进行压制成形，实现合金的冷却成形(冷却速率为10-2～102K/min)，获得成形样品10，利用取样器8将样品取出。在上述过程中，当熔融合金12转至模具9下方的同时，工件台上另一熔化平台的位置也旋转到了坩埚正下方的位置，该位置同样重复上述熔化——旋转——成形的过程。
实施例2
如图1(b)所示，本实施例设有给料仓6，实现连续给料，将真空腔体3抽至所需真空度(1×10-1～1×10-4Pa)，通过给料机械手13将母合金送入电弧熔炼装置下方(即图中电极14的下方)的熔化平台上，通过非自耗电极14将母合金加热熔化，获得熔融合金12，随后停止加热，旋转杆1转动带动工件台2，将其转到模具9下方，自由冷却，待合金熔体冷却到玻璃转变温度(Tg)和液相线温度(Tl)之间的时候，通过加载杆7下端的成形模具9对该状态的合金进行压制成形，实现合金的冷却成形(冷却速率为10-2～102K/min)，获得成形样品10，利用取样器8将样品取出。在上述过程中，当熔融合金12转至模具9下方的同时，工件台上另一熔化平台的位置也旋转到了非自耗电极14正下方的位置，该位置同样重复上述熔化——旋转——成形等过程。

Claims (4)

1.一种非晶合金或其复合材料的连续精密成形工艺，其特征在于：利用连续精密成形设备进行非晶合金或其复合材料的连续精密成形工艺；所述连续精密成形设备包括真空腔体、给料仓、合金熔炼系统、成形系统和工件台；所述真空腔体能够根据工艺需要抽真空或充入保护气体；所述给料仓用于向合金熔炼系统提供合金原料；所述合金熔炼系统包括加热装置和熔化平台；加热装置用于将合金原料熔化为合金熔体，合金熔体置于熔化平台中；
所述成形系统包括加载杆和成形模具，成形模具设于加载杆的下端；所述熔化平台为多个，设于工件台的上表面；所述工件台安装于真空腔体的底部，工件台的底部中心位置安装旋转杆，该旋转杆能够旋转并带动工件台以其为中心进行转动；
所述多个熔化平台到工件台中心旋转杆的距离相等，相邻两个熔化平台之间的距离相等；该设置使得带有合金熔体的熔化平台能够在旋转杆带动下旋转到成形模具的正下方，熔化平台从熔化位置旋转到成形模具正下方的时候，合金熔体的温度处于合金的过冷液态区温度范围，然后加载杆驱动成形模具对合金进行压制成形；
所述合金熔炼系统中，加热装置采用感应线圈或电弧加热装置；当采用感应线圈加热时，在给料仓的下方设置熔炼坩埚，感应线圈位于坩埚外侧对其加热，熔化平台能够旋转到达坩埚正下方；所述熔炼坩埚为石英、陶瓷坩埚或者水冷铜坩埚，坩埚底部设置挡板，当合金熔炼结束后，将挡板抽开，使得合金熔体能够流到熔化平台上；
所述合金熔炼系统中，当采用电弧加热装置加热时，采用机械手将给料仓中的合金原料放置于熔化平台中，电弧加热装置位于熔化平台的正上方；
所述非晶合金或其复合材料的连续精密成形工艺如下：
当加热熔化方式为感应加热时，其工艺过程为：抽取真空，达到要求真空条件后，将所需形状和质量的母合金装入给料仓，进一步进给到熔炼坩埚中，将母合金加热熔化后，停止加热，打开底部挡板，合金熔体流到熔化平台上，带有合金熔体的熔化平台旋转到成形模具正下方位置，在旋转过程中自由冷却，当合金熔体冷却到玻璃转变温度和液相线温度之间的过冷液态区范围时，采用成形模具对该状态的合金进行压制成形，同时对该状态合金进行快速冷却，最终获得所述非晶合金或者非晶复合材料构件；
当加热熔化方式为电弧加热时，其工艺过程为：抽取真空，达到要求真空条件后，将所需形状和质量的母合金装入给料仓，进一步进给到熔炼平台上，利用电极将母合金加热熔化后，停止加热，带有合金熔体的熔化平台旋转到成形模具正下方位置，在旋转过程中自由冷却，当合金熔体冷却到玻璃转变温度和液相线温度之间的过冷液态区范围时，采用成形模具对该状态的合金进行压制成形，同时对该状态合金进行快速冷却，最终获得所述非晶合金或者非晶复合材料构件；
所述真空条件是指真空度为1×10-1～1×10-4Pa范围之间；所述母合金采用熔炼或浇铸方式制备；母合金的形状为棒状、板状、片状和/或球状规则形状；母合金的形状和质量依据所需制备的非晶构件的形状和尺寸确定；
所述快速冷却的冷却速率为10-2～102K/min；通过低温的成形模具和/或具有致冷功能的熔化平台，合金实现快速冷却，获得纯非晶或者非晶复合材料结构。
2.根据权利要求1所述的非晶合金或其复合材料的连续精密成形工艺，其特征在于：该设备中，压制成形后的非晶合金或其复合材料通过取样器从真空腔体中取出。
3.根据权利要求1所述的非晶合金或其复合材料的连续精密成形工艺，其特征在于：该设备中，所述熔化平台的材质要保证不与母合金反应，不影响母合金的加热熔化行为和随后的凝固、成形过程。
4.根据权利要求1所述的非晶合金或其复合材料的连续精密成形工艺，其特征在于：该工艺中，加热和成形过程能够同时进行，依据加热熔化和成形所需的时间长短，确定熔化平台和成形模具的平移速度，实现连续进样、熔化和成形，实现非晶合金或者复合材料的连续成形。
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