CN108941306A - 一种非晶合金汽爆冲击热成形方法 - Google Patents

一种非晶合金汽爆冲击热成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于非晶合金高速成形技术领域,并公开了一种面向非晶合金构件的汽爆冲击成形方法,该方法包括铜模浇注制坯、板材加热和汽爆冲击成形等环节,通过铜模浇注获得非晶合金板材,然后利用电流加热将非晶合金板材均匀加热至其过冷液相区内设定温度,同时接通电容器与铝箔组成的回路,通过电容器放电使铝箔快速汽化,利用铝箔瞬时汽化产生的高压冲击非晶合金压向模具进而使其成形。通过本发明,可实现非晶合金均匀加热,有效缩短非晶合金加热和变形时间,提高非晶合金的成形性能,有效避免非晶合金在加热和成形过程中发生晶化和氧化,同时构件成形质量好、操作及设备简单,成形成本低。

Description

一种非晶合金汽爆冲击热成形方法
技术领域
本发明属于非晶合金高速成形技术领域,更具体地,涉及一种面向非晶合金板材的汽爆冲击热成形方法。
背景技术
非晶合金构件的成形技术主要是铸造成形和热塑性成形。但是铸造成形方法在成形复杂构件时难以准确控制构件内不同部位的急冷速率以保证充型并避免晶化,且易出现空洞等缺陷,严重降低构件性能;而热塑性成形方法中具有理想成形性能并能避免晶化的工艺窗口非常窄,因此构件成形选用的温度较低、变形速度较慢,导致成形效率低。而本文说明的一种非晶合金汽爆冲击热成形方法可实现非晶合金构件快速加热和高速成形,有效缩短了构件在高温区停留的时间,避免了晶化和氧化,提高了非晶构件成形质量,有效解决了铸造成形和热塑性成形的弊端。
目前,非晶合金构件的高速成形方法主要有电磁成形和激光冲击成形。例如,CN106984717A公开了一种基于洛伦兹力的非晶合金成形方法,通过非晶合金试样内的感应电流使非晶合金升温,而后通过感应电流产生的洛伦兹力使非晶合金试样成形,其主要缺点在于非晶合金导电性差,感应电流小,因此所产生的洛仑兹力小,成形构件尺寸受到较大限制。CN102877010A公开了一种非晶合金铸件的成形方法,在氩气保护氛围下熔炼非晶合金原料,而后冷却使其成形,其主要缺点在于成形时间长且无法准确控制构件各部位冷速,容易造成构件内温度不均,难以保证各部位均为非晶,且容易出现空洞等缺陷。CN104942267A公开了一种非真空条件下非晶合金快速成形方法,在非真空条件下通过电流加热非晶合金,使其升温至过冷液相区,然后对其施加机械力使其成形,其缺点在于虽然试样加热过程耗时少,但通过机械力使试样成形,成形过程所需时间相对较长,非晶构件氧化严重,影响成形质量。CN104399978A公开了一种大尺寸复杂形状多孔非晶合金构件的3D成形方法,通过机械合金化制粉结合等离子体球化或雾化制备非晶合金粉末,然后用选择性激光烧结金属粉末,从而制备大尺寸复杂形状的多孔非晶合金构件,其缺点在于由于采用“分层制造”的增材制造工艺,层与层之间的结合不如传统浇铸而成的构件紧密,因此制备的构件使用性能较差,且工时长、成本高。CN104117672A公开了一种利用选区激光熔化制备非晶合金及其复合材料构件方法,主要步骤为:非晶粉末制备、非晶复合粉末制备、构件模型制备、基板安装、气氛保护、红光定位、激光加工、热处理。其缺点在于工艺过程复杂、成本高,冷却速率较慢,无法确保制备出的成品为完全的非晶态构件。
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的汽爆冲击热成形方法,其中通过直流电流加热有效缩短了试样的加热时间,避免了加热过程中试样的晶化和氧化,通过铝箔汽化产生的高压使试样成形,成形时间短,有效避免了成形过程中试样晶化和氧化,且设备简单,操控方便,成形过程环保无污染,成形构件质量好。
为实现上述目的,按照本发明,提供了一种面向非晶合金构件的汽爆冲击成形方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:
1)非晶合金板材的制备,具体包括以下子步骤:
1.1)根据非晶合金构件名义化学成分选择金属,将这些金属加入真空电弧炉内,向真空电弧炉中通入高纯氩气,在电磁搅拌的作用下对真空电弧炉内的金属进行电弧熔炼,并反复熔炼多次,以获得成分组织均匀的母合金,然后将母合金冷却至室温;
1.2)在真空环境下将所述母合金重新熔化成金属熔体,并利用压强差将金属熔体喷入铜模中急冷成形为非晶合金板材;
2)非晶合金板材汽爆冲击热成形,具体包括以下子步骤:
2.1)将铝箔放入成形装置之中,然后将步骤1)制得的非晶合金板材放入成形装置的成形模具与铝箔之间,再利用直流加热电源给非晶合金板材加热,待非晶合金板材加热至设定温度T0
2.2)利用电容器放电使铝箔汽化产生气体和等离子体,形成的气体和等离子体膨胀,从而在非晶合金板材表面产生压力并将非晶合金压入成形装置的模具内成形,从而形成非晶合金构件。
优选地,步骤1.1)中,电弧炉在母合金重新熔化成金属熔体前抽真空至3×10-5Pa~5×10-5Pa,并且反复熔化海绵钛2~4次,以保证真空电弧炉内的氧气被耗尽。
优选地,步骤1.1)中电磁搅拌的电压保持在18V~22V。
优选地,步骤2.1)中,所述设定温度T0=1.2Tg~1.4Tg,其中Tg为所述非晶合金构件的玻璃转变温度。
优选地,步骤2.1)中,非晶合金板材和铝箔之间进行绝缘处理,以避免在给非晶板材板材加热的过程中,铝箔在非晶合金板材达到设定温度T0前汽化而影响非晶合金板材的成形。
优选地,步骤2.2)中,汽化铝箔所用电容器的放电电能为5kJ~15kJ。
优选地,步骤1.1)中,反复熔炼的次数为4~6次。
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)本发明针对现有的非晶合金成形方法所面临的多个技术问题,针对性将试样加热方式调整为直流电流加热,非晶合金的高电阻特性使其能够比常规金属更快速且均匀的被加热,能有效避免试样加热过程中的氧化等问题。试样升温速率的提高会引起玻璃转变温度Tg和晶化温度Tx均提高,材料进入粘性状态的温度升高,相应的粘度会降低,屈服强度减小,更加有利于成形。
2)本发明还围绕整个非晶合金成形过程中的工艺条件进行了设计,整个工艺流程缩短,设备简单,操控更灵活方便,降低了对设施场地的要求。
3)本发明利用铝箔快速汽化产生的高压力将试样压入模具进而成形,成形力大,且整个过程在几个微秒内完成,有效缩短了试样在高温区的停留时间,有效避免了非晶合金构件在成形过程中的氧化问题。
4)按照本发明的工艺方法效率高、操控简单、能量利用率高,成本低,且成形过程无污染,绿色环保。
附图说明
图1是按照本发明所构建的汽爆冲击热成形方法的工艺流程示意图。
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。
图1是按照本发明所构建的非晶合金汽爆冲击热成形方法的工艺流程示意图。如图所示,该工艺方法对非晶合金成形机理进行了重新研究和设计,并对其加热和成形方式等方面作出了进一步的优化改进,相应可充分利用电流快速加热和汽爆冲击热成形方法来提高非晶合金的成形能力,缩短加热时间,避免试样发生晶化和氧化等问题。下面将对其具体操作过程和作用机理等方面给出具体解释说明。
首先是非晶合金的制备步骤:
将金属放入真空电弧炉内,向真空电弧炉中通入高纯氩气,电弧炉在熔炼金属前必须抽真空至3×10-5Pa~5×10-5Pa级别,并且在熔炼金属前先反复熔化海绵钛2~4次,以保证炉内的氧气被耗尽,在电磁搅拌的作用下对不同金属进行电弧熔炼,电磁搅拌的电压是保持在18V~22V左右,以防电压过小搅拌不完全,电压过大,金属液溅出。反复熔炼4~6次以获得成分组织均匀的母合金;随后在3×10-5Pa~5×10-5Pa的高真空环境下将母合金加热重新熔化成金属熔体,利用压强差喷入铜模中急冷成形为非晶合金板材,并按所需尺寸切好;
随后是非晶合金板材汽爆冲击热成形步骤,作为本发明的关键改进,该步骤更为具体地划分为以下子步骤:
首先将铝箔放入成形装置的垫板之上,然后将非晶合金板材放入上模具与铝箔中间的缝隙中,再利用直流加热电源给非晶合金板材加热,待非晶合金加热至设定温度T0后停止加热,使非晶合金板材充分软化,使其易于成形,T0=1.2Tg~1.4Tg,Tg为所述非晶合金构件的玻璃转变温度。
接着立即利用电容器放电使铝箔在几个微秒内快速汽化产生大量气体和等离子体,形成的气体和等离子体由于能量的积累继续膨胀,这会在非晶合金板材表面产生几个GPa的高压力,将非晶合金压入模具使其成形,其中,汽化铝箔所用电容器的放电电能应在5kJ~15kJ之内,在保证铝箔快速汽化的同时尽可能节能。
需要指出的是,除了以上基本作用机理之外,测试表明如电弧炉真空度、熔化电流电压、成形温度、试样的绝缘情况、电容器放电电能等关键工艺参数同样会影响到最终所获得的成品的质量。相应的,可以通过有限元数值模拟确定计算的优选设计后的一些关键工艺条件参数。
另外,非晶合金板材和铝箔之间进行绝缘处理,以避免在给非晶板材加热的过程中,铝箔在非晶合金板材达到设定温度前汽化,从而影响成形效果。
下面结合一些具体实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1
根据非晶合金构件名义化学成分Zr55Cu30Al10Ni5选择金属,然后将这些金属加入真空电弧炉内,向真空电弧炉中通入高纯氩气,在搅拌电压为18V的电磁搅拌的作用下对已配比好金属进行电弧熔炼,反复熔炼4次以获得成分组织均匀的母合金;随后反复熔化海绵钛2次,在3×10-5Pa高真空环境下将母合金加热重新熔化成金属熔体,利用压强差喷入铜模中获得非晶合金板材。
将铝箔放入成形装置的垫板之上,然后将切好的非晶合金板材放入上模具与铝箔中间的缝隙中,然后利用直流加热电源给非晶合金板材加热,待非晶合金加热至493℃(1.2Tg)后断开电源。接着立即利用储存电能为5kJ的电容器放电使铝箔在几个微秒内快速汽化产生大量气体和等离子体,形成的气体和等离子体由于能量的积累持续膨胀,利用气体和等离子体膨胀在非晶合金板材表面产生的几个GPa的高压力,将非晶合金压入模具使其成形得到Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金构件。
实施例2
根据非晶合金构件名义化学成分Zr51Cu15Ti9Be25选择金属,然后将这些金属加入真空电弧炉内,向真空电弧炉中通入高纯氩气,在搅拌电压为20V的电磁搅拌的作用下对已配比好金属进行电弧熔炼,反复熔炼5次以获得成分组织均匀的母合金;随后反复熔化海绵钛3次,在4×10-5Pa高真空环境下将母合金加热重新熔化成金属熔体,利用压强差喷入铜模中获得非晶合金板材。
将铝箔放入成形装置的垫板之上,然后将切好的非晶合金板材放入上模具与铝箔中间的缝隙中,然后利用直流加热电源给非晶合金板材加热,待非晶合金加热至414℃(1.3Tg)后断开电源。接着立即利用储存电能为10kJ的电容器放电使铝箔在几个微秒内快速汽化产生大量气体和等离子体,形成的气体和等离子体由于能量的积累持续膨胀,利用气体和等离子体膨胀在非晶合金板材表面产生的几个GPa的高压力,将非晶合金压入模具使其成形得到Zr53.5Cu26.5Ni5Al12Ag3非晶合金构件。
实施例3
根据非晶合金构件名义化学成分Zr35Ti30Cu8.25Be26.75选择金属,然后将这些金属加入真空电弧炉内,向真空电弧炉中通入高纯氩气,在搅拌电压为22V的电磁搅拌的作用下对已配比好金属进行电弧熔炼,反复熔炼6次以获得成分组织均匀的母合金;随后反复熔化海绵钛4次,在5.0×10-5Pa高真空环境下将母合金加热重新熔化成金属熔体,利用压强差喷入铜模中获得非晶合金板材。
将铝箔放入成形装置的垫板之上,然后将切好的非晶合金板材放入上模具与铝箔中间的缝隙中,然后利用直流加热电源给非晶合金板材加热,待非晶合金加热至435℃(1.4Tg)后断开电源。接着立即利用储存电能为15KJ的电容器放电使铝箔在几个微秒内快速汽化产生大量气体和等离子体,形成的气体和等离子体由于能量的积累持续膨胀,利用气体和等离子体膨胀在非晶合金板材表面产生的几个GPa的高压力,将非晶合金压入模具使其成形得到Zr35Ti30Cu8.25Be26.75非晶合金构件。
综上,本发明与现有方案相比,通过对加热方式和成形工艺等方面的研究设计,充分利用电流快速加热使非晶合金在几个毫秒内快速均匀的被加热至成形温度,使试样具有良好的流动性并有效避免氧化,提高成形质量,同时利用铝箔汽化产生的高压波在试样表面产生数个GPa的高压力将试样快速压入模具中进而成形,实现试样的加热、成形一体化,有效缩短了加热和成形时间,避免了非晶合金氧化和晶化,制备的构件具有很高的表面质量和精度,且设备简单、实施方便、成本低,能够有效提高非晶合金的成形效率。
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 (7)

1.一种面向非晶合金构件的汽爆冲击成形方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:
1)非晶合金板材的制备,具体包括以下子步骤:
1.1)根据非晶合金构件名义化学成分选择金属,将这些金属加入真空电弧炉内,向真空电弧炉中通入高纯氩气,在电磁搅拌的作用下对真空电弧炉内的金属进行电弧熔炼,并反复熔炼多次,以获得成分组织均匀的母合金,然后将母合金冷却至室温;
1.2)在真空环境下将所述母合金重新熔化成金属熔体,并利用压强差将金属熔体喷入铜模中急冷成形为非晶合金板材;
2)非晶合金板材汽爆冲击热成形,具体包括以下子步骤:
2.1)将铝箔放入成形装置之中,然后将步骤1)制得的非晶合金板材放入成形装置的成形模具与铝箔之间,再利用直流加热电源给非晶合金板材加热,待非晶合金板材加热至设定温度T0
2.2)利用电容器放电使铝箔汽化产生气体和等离子体,形成的气体和等离子体膨胀,从而在非晶合金板材表面产生压力并将非晶合金压入成形装置的模具内成形,从而形成非晶合金构件。
2.如权利要求1所述的非晶合金板材汽爆冲击热成形方法,其特征在于,步骤1.1)中,电弧炉在母合金重新熔化成金属熔体前抽真空至3×10-5Pa~5×10-5Pa,并且反复熔化海绵钛2~4次,以保证真空电弧炉内的氧气被耗尽。
3.如权利要求1所述的非晶合金板材汽爆冲击热成形方法,其特征在于,步骤1.1)中电磁搅拌的电压保持在18V~22V。
4.如权利要求1所述的非晶合金板材汽爆冲击热成形方法,其特征在于,步骤2.1)中,所述设定温度T0=1.2Tg~1.4Tg,其中Tg为所述非晶合金构件的玻璃转变温度。
5.如权利要求1所述的非晶合金板材汽爆冲击热成形方法,其特征在于,步骤2.1)中,非晶合金板材和铝箔之间进行绝缘处理,以避免在给非晶板材板材加热的过程中,铝箔在非晶合金板材达到设定温度T0前汽化而影响非晶合金板材的成形。
6.如权利要求1所述的非晶合金板材汽化热冲击成形方法,其特征在于,步骤2.2)中,汽化铝箔所用电容器的放电电能为5kJ~15kJ。
7.如权利要求1所述的非晶合金板材汽化热冲击成形方法,其特征在于,步骤1.1)中,反复熔炼的次数为4~6次。
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