CN108555302A - 一种非晶合金零件的冷增材/热锻造复合成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非晶合金零件的冷增材/热锻造复合成形方法。本发明属于非晶合金冷增材制造技术和热塑性成形领域，具体涉及一种非晶合金零件的冷增材/热锻造复合成形方法，该方法包括如下步骤：(1)利用微喷射粘结3D打印技术将非晶合金粉末材料制成预锻坯；(2)将步骤(1)所述预锻坯置于闭式锻造模具内进行闭式热模锻造，得到非晶合金零件；其中，预锻坯的轮廓尺寸和形状根据闭式锻造模具内腔的轮廓和尺寸而设计；闭式锻造模具内预留排气孔，粘结剂在热模锻造温度下气化或分解，从闭式模具内的排气孔排出。采用冷增材和热锻造复合成形方法，本发明能够用来制备大尺寸、复杂形状块体的非晶合金零件。

Description

一种非晶合金零件的冷增材/热锻造复合成形方法
技术领域
本发明属于非晶合金冷增材制造和热塑性成形技术领域，具体涉及一种非晶合金零件的冷增材/热锻造复合成形方法。
背景技术
非晶合金由于其独特的非晶态结构，具有明显优于传统晶态合金的力学、物理和化学性能，如高强度，良好的耐磨性和耐腐蚀性等性能，而且在过冷液相区还表现出超塑性，可以进行热塑性成形。在航空航天、精密器械、军事化工等诸多领域，非晶合金均具有广阔的潜在前景。
为避免凝固过程中发生结晶，合金液体需要以较快冷却速度凝固以获得具有完全非晶态结构的样品，因此制约非晶合金广泛应用的技术瓶颈之一是尺寸限制问题，采用铜模铸造或水淬法能获得的最大尺寸非晶合金仅为直径80毫米。
目前非晶合金零件的制备方法主要有热塑性成形法、粉末烧结法、焊接组装法和增材制造法等。热塑性成形法(如模压、吹塑等)难以制造形状复杂的大尺寸零件；后三种方法虽然突破了尺寸限制问题，但粉末烧结法制备的样品内部结构往往不够致密，力学性能相对较差；焊接组装时焊接部位与基体的性能差异限制了制件的应用范围，且焊接热应力容易导致组件发生变形、开裂；增材制造(如非晶粉末选区激光熔化)成形过程中存在晶化、微裂纹等难以解决的技术问题，材料利用率相对较低，成形件精度和表面质量也有待提高。因此，有必要开发新的非晶合金大尺寸复杂零件精密成形方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种非晶合金零件的冷增材/热锻造复合成形方法，其充分结合非晶合金零件的特点和需求，针对性地对非晶合金零件的成形方法进行重新设计，相应地获得了一种大尺寸、复杂零件非晶合金冷增材/热锻造复合制造成形方法，由此解决现有技术中块体非晶合金成形方法中存在的尺寸限制、形状限制以及致密程度较差等的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种非晶合金零件的冷增材/热锻造复合成形方法，包括如下步骤：
(1)利用微喷射粘结3D打印技术将非晶合金粉末材料制成预锻坯；具体为：先铺粉，然后喷射粘结剂，形成一层粘结层；重复铺粉和喷射粘结剂，直至打印出三维的粉体粘结预锻坯；
(2)将步骤(1)所述预锻坯置于闭式锻造模具内进行闭式热模锻造，得到非晶合金零件；
其中，所述预锻坯的轮廓尺寸和形状根据所述闭式锻造模具内腔的轮廓和尺寸而设计；所述闭式锻造模具内预留排气孔，所述粘结剂在热模锻造温度下气化或分解，从所述闭式模具内的排气孔排出。
优选地，所述非晶合金的成分种类的选择标准为：该非晶合金的非晶形成临界尺寸不小于10mm、过冷液相温度区间ΔTx大于50K，且热塑性成形能力指标S>0.15。
优选地，所述非晶合金粉末平均粒径为20～50μm，优选采用真空气雾化法制备得到。
优选地，所述非晶合金粉末采用真空气雾化法制备得到。
优选地，所述粘结层的厚度为0.015～0.1mm。
优选地，所述闭式锻造的上冲头装有振动装置，用以改善非晶合金的热塑性成形。
优选地，所述振动装置为超声振动装置或机械振动装置。
优选地，所述闭式热模锻造采用电阻加热棒加热、感应加热或火焰加热。
优选地，所述闭式热模锻造采用电阻加热棒加热。
优选地，所述电阻加热棒为随形分布，具体要求是随着闭式锻造模具内腔的形状布设电阻加热棒。
优选地，所述闭式热模锻造温度介于所述非晶合金的玻璃转变温度Tg和起始晶化温度Tx之间。
优选地，所述闭式热模锻造的锻造时间短于所述非晶合金在所采用的锻造温度下的晶化起始时间。
优选地，所述粘结剂为硅溶胶、聚乙烯醇或麦芽糖糊精，所述粘结剂的质量为所述非晶合金粉末质量的6％～10％。
优选地，所述粘结剂为硅溶胶。
优选地，所述闭式锻造模具内预留的排气孔应根据锻造时气流的走向，在有利于将气体排出的部位开孔，且排气孔与吸气泵相连。
优选地，所述排气孔的尺寸小于0.5mm。
优选地，所述闭式热模锻造过程在保护气氛下进行，避免氧化。
优选地，所述保护气氛为惰性气氛。
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，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提出的一种非晶合金成形方法结合采用了微喷射粘结3D打印技术和闭式热模锻造技术，首先通过微喷射粘结3D打印技术将非晶合金粉末打印成预锻坯，然后将预锻坯置于闭式模具中进行热模锻造得到非晶合金零件。冷增材3D打印和闭式热模锻造的结合并非任意组合，无论是冷增材微喷射粘结技术，还是闭式热模锻造，在用于本发明的非晶合金零件成形中均具有不可替换性，且二者次序不可调换，协同配合，共同作用，冷增材3D打印和闭式热模锻造的有机结合，使得大尺寸、完全非晶态、高尺寸精度的非晶合金零件的制造成为可能。
(2)采用常规方法如铜模铸造或水淬法制得的非晶合金预锻坯尺寸严重受限，而3D打印可以突破尺寸限制，制造出结构复杂、尺寸更大的非晶合金预锻坯，因此本发明首先通过微喷射粘结3D打印技术将非晶合金粉末打印成预锻坯，再通过第二步热模锻造，可以制造出结构复杂、尺寸更大的非晶合金零件。
(3)本发明采用微喷射粘结成形方法制备非晶合金预锻坯，与热增材制造技术，比如选择性激光烧结或熔覆技术比较，本发明采用冷态微喷射粘结成形技术不用激光器，降低了成形成本，提高了成形速度和材料利用率，可以在常温下操作且成形过程不需要支撑，同时还有效避免了预锻坯制造过程中因加热而出现热影响区导致的晶化、由于热应力导致的翘曲变形或开裂等问题。
(4)本发明采用闭式模锻，锻件几何形状、尺寸精度和表面质量最大限度地接近产品，成形过程不产生飞边，减少了后续加工。与普通模锻比较，采用粉末锻造能源消耗低，材料利用率高，而且锻件尺寸精度高，内部组织致密，孔洞少，成形力低，机械性能好等优点。
(5)本发明在闭式模具的上冲头处安装超声振动或通过机械振动进行辅助成形，也能够减少成形件内部缺陷和气泡，改善材料的热塑性成形性，提高成形精度，同时促进粘结剂气化或分解后气体的排出。
(6)本发明在闭式模具的凹模内嵌入随形分布的加热电阻棒，该加热棒用于对预锻坯进行均匀加热。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的方法的流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的微喷射粘结技术所用装置的结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的闭式锻造模具结构示意图。其中：
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-喷头，2-粘结剂，3-预锻坯，4-成形缸，5-成形缸活塞，6-铺粉辊，7-送粉缸，8-送粉缸活塞；9-超声振动装置,10-上冲头，11-内层凹模，12-外层凹模，13-排气孔，14-上模，15-分型线,16-加热电阻棒。
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。
本发明提出了一种非晶合金零件的冷增材/锻造复合成形方法，包括如下步骤：
(1)利用微喷射粘结3D打印技术将非晶合金粉末材料制成预锻坯；具体为：先用铺粉辊铺一层非晶合金粉末，然后用喷头喷射粘结剂，形成一层厚度为0.015～0.1mm的粘结层，单层粘结层厚度不宜太厚，避免层与层之间堆叠产生的台阶影响预锻坯的精度；然后重复进行送粉、铺粉和喷射粘结剂，直至打印出三维的粉体粘结预锻坯。
所用非晶合金的成分种类的选择标准为：非晶形成能力强，热稳定性好且热塑性成形性能佳。其中非晶形成能力强，即该非晶合金的非晶形成临界尺寸不小于10mm；热稳定性好，即过冷液相温度区间ΔTx大于50K，其中ΔTx＝Tx-Tg，Tg为玻璃转变温度，Tx为起始晶化温度；热塑性成形性能佳，即热塑性成形能力指标S>0.15,其中S＝ΔTx/(TL-Tg)，TL为液相线温度。如Zr基、Cu基等。
非晶合金粉末平均粒径为20～50μm，优选采用真空气雾化法制备得到，真空气雾化法制备得到的非晶合金粉末球形度好，成分均匀，粒径分布均一。粘结剂为硅溶胶、聚乙烯醇或麦芽糖糊精，优选为硅溶胶；粘结剂的质量为非晶合金粉末质量的6％～10％。
(2)将步骤(1)所述预锻坯置于闭式锻造模具内进行闭式热模锻造，得到非晶合金零件。
其中，预锻坯的轮廓尺寸和形状根据闭式锻造模具内腔的尺寸和形状而设计，推荐采用二者尺寸和形状接近的设计；闭式锻造模具内预留排气孔。粘结剂在热模锻造温度下气化或分解，从闭式模具内的排气孔排出。
闭式热模锻造的上冲头装有振动装置，用以改善非晶合金的热塑性成形；振动装置为机械振动装置或超声振动装置。闭式热模锻造采用电阻加热棒加热、感应加热或火焰加热，优选为随行分布的电阻加热棒加热。随形分布是指随着闭式锻造模具内腔的形状布设电阻加热棒。闭式热模锻造温度介于非晶合金的玻璃转变温度Tg和起始晶化温度Tx之间。闭式热模锻造的锻造时间短于非晶合金在所采用的锻造温度下的晶化起始时间，该晶化起始时间由等温DSC实验测得。闭式热模锻造的上冲头与驱动伺服压力机相连，用于将预锻坯成形为所需的三维结构。闭式模具内预留排气孔，且排气孔与吸气泵相连，排气孔的尺寸优选为小于0.5mm。目的是吸气泵可以增加模膛内负压，加快排出粘结剂因受热而挥发或分解产生的气体，以免影响锻件成型。具体要求是排气孔应根据锻造时气流的走向和凹模内腔最后被填充部位进行设置，一般建议排气孔设置在凹模内腔最后被填充部位。这样开孔有利于气体的排出并且避免锻造过程中气孔被堵上而影响排气。
孔的直径推荐为小于0.5mm。闭式热模锻造过程可以在保护气氛下进行，避免氧化，保护气氛比如惰性气氛。通过选择合理的成形温度和成形时间等热锻工艺参数，成形后的零件仍具有完全非晶态结构。
本发明属于非晶合金冷增材制造和热塑性成形技术领域，具体涉及一种非晶合金零件的冷增材/热锻造复合成形方法。采用微喷射粘结成形方法制备非晶合金预锻坯。然后将预锻坯放到有加热电阻棒的闭式模具中在超声振动辅助下进行热锻成形。通过选择合理的成形温度和成形时间等热锻工艺参数，成形后的零件仍具有完全非晶态结构。冷增材是相对于现有技术的热增材制造(选择性激光选区烧结)而言的，选择微喷射粘结成形方法制坯，与选择性激光烧结或熔覆技术比较，微喷射粘结成形技术不用激光器，具有成形成本低，成形速度快，可以在常温下操作且成形过程不需要支撑等优点。同时，还有效避免了预锻坯制造过程中因加热而出现热影响区导致的晶化、由于热应力导致的翘曲变形或开裂等问题。本发明的微喷射粘结3D打印成形技术粉末全部用于成形，基本无浪费，传统的选择性激光烧结或熔覆技术中，由于烧结残余的粉末受到污染，不能回用，粉料利用率低于60％。另一方面，与普通模锻相比，采用粉末锻造也可以达到近净成形，能源消耗低，材料利用率高，而且锻件尺寸精度高，内部组织致密，孔洞少，成形力低，机械性能好等优点。采用增材和锻造复合成形方法，本发明能够用来制备大尺寸、复杂形状块体的非晶合金零件。
在非晶合金零件成形过程中，鉴于非晶合金本身的特性，非晶成形时间有限，成形过程不宜加热时间过长。本发明通过冷增材微喷射粘结技术制造预锻坯，冷态操作，再通过闭式热模锻造预锻坯可以很好的控制加热成形时间，强有力的保证了成形时间控制在晶化时间以内，确保成形零件完全非晶态。冷增材3D打印和闭式热模锻造的结合并非任意组合，无论是冷增材微喷射粘结技术，还是闭式热模锻造，在用于本发明的非晶合金零件成形中均具有不可替换性，且二者次序不可调换，协同配合，共同作用，一“冷”一“热”，先“冷”后“热”的有机结合，使得大尺寸、完全非晶态、高尺寸精度的非晶合金零件的制造成为可能。
以下为实施例：
实施例1
图1是按照本发明的优选实施例所构建的方法的流程图，如图1所示，一种非晶合金零件的冷增材/热锻造复合成形方法，其包括下列步骤：
步骤(1)：冷增材制造预锻坯
3D打印方法所用装置的示意图如图2所示。具体工艺过程如下：
选择由真空气雾化法制备得到的平均粒径尺寸为30μm的Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金粉末制造预锻坯。Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的形成临界尺寸大于20mm,玻璃转变温度Tg为685K,起始晶化温度Tx为765K，液相线温度TL为1164K,过冷液相区间ΔTx＝Tx-Tg＝80K，热塑性成形能力指标S＝ΔTx/(TL-Tg)＝0.167，具有较好的非晶形成能力。
将非晶合金粉末放到送粉缸7中，用铺粉辊6先铺一层设定层厚的非晶合金粉末，然后利用喷头1将硅溶胶粘结剂2喷射在预先铺好的非晶合金粉末上面，形成一层厚度为0.05mm的粘结体。上一层粘结完毕后，成型缸活塞5下降0.05mm,送粉缸活塞8上升0.05mm，由铺粉辊6从送粉缸7推出若干粉末到成型缸4，铺平并被压实。喷头1在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊6铺粉后多余的粉末被集粉装置收集。如此过程反复进行，不断送粉，铺粉和喷射粘结剂，直到预锻坯3被三维立体打印出来。3D打印出来的预锻坯轮廓尺寸要与最终锻造型腔凹模尺寸接近。
步骤(2)：热态闭式模锻
闭式锻造模具示意图如图3所示。
闭模锻造装置由上模和下模两大部分组成，其中上模14由超声振动装置9和上冲头10组成。下模由内层凹模11和外层凹模12组成，15为分型线，16为加热电阻棒，其中，加热电阻棒16为随形分布。
在成形时，先合模，然后启动电阻加热棒16给模具加热，当温度介于非晶合金的玻璃转变温度Tg和起始晶化温度Tx之间的730K时开模，将步骤(1)中3D打印的预锻坯3放入内层凹模11的内部，然后合模保温，启动超声振动装置9，以其设定的频率和振幅振动，保温期间打开与排气孔13相连的吸气泵，增加负压，加快排出粘结剂因受热而挥发或分解产生的气体。730K温度下保温2min，下模保持不动，上冲头10和上模14以设定的载荷50MPa和加载速率1mm/min向下运行，直至预锻坯3完全充填内层凹模11的内腔，保压3min。然后关闭超声振动装置9和电阻加热棒16，成型过程结束，整个成形过程耗时5min。根据等温DSC实验测得Zr55Cu30Ni5Al10在730K保温8min不会发生晶化现象，因此，本实施例通过采用上述方法和装置可以得到尺寸大，形状复杂且为完全非晶态结构的零件。
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 (10)

1.一种非晶合金零件的冷增材/热锻造复合成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用微喷射粘结3D打印技术将非晶合金粉末材料制成预锻坯；具体为：先铺粉，然后喷射粘结剂，形成一层粘结层；重复铺粉和喷射粘结剂，直至打印出三维的粉体粘结预锻坯；
(2)将步骤(1)所述预锻坯置于闭式锻造模具内进行闭式热模锻造，得到非晶合金零件；
其中，所述预锻坯的轮廓尺寸和形状根据所述闭式锻造模具内腔的轮廓和尺寸而设计；所述闭式锻造模具内预留排气孔，所述粘结剂在热模锻造温度下气化或分解，从所述闭式模具内的排气孔排出。
2.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述非晶合金的成分种类的选择标准为：该非晶合金的非晶形成临界尺寸不小于10mm、过冷液相温度区间ΔTx大于50K，且热塑性成形能力指标S>0.15。
3.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述非晶合金粉末平均粒径为20～50μm。
4.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述粘结层的厚度为0.015～0.1mm。
5.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述闭式锻造的上冲头装有振动装置，用以改善非晶合金的热塑性成形。
6.如权利要求5所述的成形方法，其特征在于，所述振动装置为超声振动装置或机械振动装置。
7.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述闭式热模锻造温度介于所述非晶合金的玻璃转变温度Tg和起始晶化温度Tx之间。
8.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述闭式热模锻造的锻造时间短于所述非晶合金在所采用的锻造温度下的晶化起始时间。
9.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述粘结剂为硅溶胶、聚乙烯醇或麦芽糖糊精，优选为硅溶胶；所述粘结剂的质量为所述非晶合金粉末质量的6％～10％。
10.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述闭式锻造模具内预留的排气孔应根据锻造时气流的走向，在有利于将气体排出的部位开孔，且排气孔与吸气泵相连，所述排气孔的尺寸优选为小于0.5mm。
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