CN109465442A - 一种非晶合金零件的锻造/增材复合制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于非晶合金热塑性成形和增材制造技术领域，具体涉及一种非晶合金零件的锻造/增材复合制造方法，其首先利用粉末烧结技术将非晶合金粉末材料制成预锻坯，然后将该预锻坯置于闭式锻造模具内进行闭式热模锻造，得到非晶合金零件主体结构，最后在该主体结构上利用能场辅助增材制造技术加工出局部相对尺寸小的精细结构，或一些锻造不能成形的结构，如薄壁筋板类、中空壳体、随形冷却流道等。相应地获得了一种大尺寸、复杂非晶合金零件锻造/增材复合制造方法，特别是对非晶合金主体结构与局部精细结构之间的界面连接性能进行了强化和提升。

Description

一种非晶合金零件的锻造/增材复合制造方法
技术领域
本发明属于非晶合金热塑性成形和增材制造技术领域，具体涉及一种非晶合金零件的锻造/增材复合制造方法。
背景技术
随着航空航天领域的快速发展，人们对航空航天装备的性能要求不断提高。目前一些大型航天装备，如运载器、卫星、飞船、深空探测器等空间飞行器的成形制造不断朝着轻量化、整体化、复杂化、高性能化的方向发展。发动机盘、轴类零件、涡轮机匣、起落架等航空航天零部件的加工难度不断增大。这些复杂结构采用机加工、铸造、锻造或难以制造，或成本极高。传统以机加工结合焊接组装为主的制造方法，不仅重量难以降低，焊缝中存在的孔隙、微裂纹等缺陷和残余应力的存在使得零件的整体性能相对较低，而且焊缝与母材的电化学差异带来太空原子氧腐蚀，已难以满足航天装备的需求。
增材制造技术是一种基于离散材料逐层堆积成形原理的新型快速制造技术，在复杂精细结构制造、单件快速开发等方面相比于传统的制造方式具有突出优势。但是采用增材制造技术直接成形大尺寸金属零件不仅材料利用率较低，成本极高，而且增材制造技术是一种逐点或逐层沉积的长时间累加过程，成形构件尺寸越大，周期越长，内部累积的残余应力与变形越大，导致最终零件出现孔隙、微裂纹等缺陷，零件整体性能不高，表面精度和表面质量也相对较低。因此，航天领域一直在寻找新的结构材料和先进制造方法，以满足航天技术日益发展的迫切需求。
金属玻璃(又称非晶合金)是采用现代快速凝固冶金技术合成的，兼有一般金属和玻璃优异的力学、物理和化学性能的新型合金材料。非晶合金的原子在三维空间的排列是长程无序、短程有序的，且材料内部没有位错、晶界等缺陷，因而拥有一系列优异的力学、物理、化学性能，如Fe基非晶而合金由于优异的软磁性能，已经被广泛应用于制造变压器的铁芯，每年可以节约数十亿瓦的电能；目前轻质非晶合金中，钛基非晶合金的弹性极限可超过2000MPa，能够满足航天器大型展开机构苛刻的性能要求，是重要的航空航天候选材料；而且将其加热至过冷液相区时表现为类似“橡皮泥”的状态，拥有超塑性变形的能力，因此拥有优良的精密加工性能，甚至可以制备出微米甚至纳米级的结构。作为一种新型高性能材料，非晶合金在航空航天、节能环保、微纳制造等诸多领域均具有广阔的潜在前景。
由于特殊的键合结构，金属合金液体必须以极快的冷却速率快速冷却至玻璃转变温度以下才能避免晶化，形成完全非晶态的试样。由于受冷却速率的制约，通过铜模吸铸方法制备得到的非晶合金样品直径最大只能到80mm，极大地限制了非晶合金的广泛应用。截至目前，理论上能够突破非晶合金零件尺寸限制的方法主要有粉末固结成形法、焊接法和增材制造技术，但粉末固结成成形件内部存在晶化、孔隙、微裂纹等缺陷，其力学性能很难达到和铸态试样相同的水平；非晶合金焊接过程中面临焊缝处的晶化、微裂纹、热应力等问题，导致连接处力学性能下降且焊接过程难以精确控制。增材制造技术制备的非晶合金零件往往存在晶化、球化、孔隙、表面质量和精度较差等问题，且材料利用率低，生产成本较高。
近年来，出现了一些传统制造方法、增材制造技术相互结合的复合制造技术，充分结合传统制造方法和增材制造技术各自的特点，成为解决高效低成本制造难题的有效途径。如申请号为201810060296.4的发明专利提出了一种非晶合金零件的冷增材/热锻造复合成形方法，用于制备大尺寸，复杂形状的块体非晶合金零件,但是零件最终的形状复杂程度依然受制于最后的锻造工艺，无法成形具有精细结构特征的零件。申请号为201810088809.2的发明专利提出了一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，有效解决了金属大型锻件上精细、复杂结构部位的难成形问题，但是由于基体和精细结构结合处成分组织、性能、内应力分布不连续，热影响状态复杂，导致结合界面性能较低，且形位精度难以保证；此外，美国汉胜公司公布了一种先通过传统铸、锻或机加等方式制造转子毂体，再通过增材方式制造转子叶片的方法，仍然没有很好地解决转子毂体与转子叶片之间的界面连接性能。常规仅调控增材制造工艺参数无法从本质上改变熔池的冶金机制，难以克服锻件和增材精细结构之间的界面连接问题，最终导致零件整体性能不佳。同时对于非晶合金材料的锻造/增材复合制造过程，由于非晶合金热力学上处于亚稳态，在加热时极易发生晶化，在增材制造过程中的热量滞留和后热现象，使得非晶合金发生晶化。同时，非晶合金室温下普遍表现为脆性断裂，成形内应力过大时极易产生微裂纹甚至开裂。综上，上述复合制造技术对于大尺寸高性能、具有复杂精细、难锻造成形结构特征的非晶合金零件成形制造难题还是没有很好地解决。
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锻造/增材复合制造方法，其充分结合非晶合金零件制造技术现状、传统制造方法、增材制造技术的特点和航空航天应用需求，针对性地对非晶合金零件的制造方法进行重新设计，首先利用粉末烧结技术将非晶合金粉末材料制成预锻坯，然后将该预锻坯置于闭式锻造模具内进行闭式热模锻造，得到非晶合金零件主体结构，最后在该主体结构上利用能场辅助增材制造技术加工出局部相对尺寸小的精细结构或锻造不能成形的结构，相应地获得了一种大尺寸、复杂非晶合金零件锻造/增材复合制造方法，特别是对非晶合金主体结构与局部精细结构之间的界面连接性能进行了强化和提升，由此解决非晶合金零件制造中存在的尺寸限制、形状限制、锻件与增材精细结构之间的界面连接性能差以及整体性能较差等的技术问题。
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锻造/增材复合制造方法，包括如下步骤：
(1)利用粉末烧结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，得到非晶合金零件主体结构；
(3)在步骤(2)所述非晶合金零件主体结构上利用能场辅助增材制造技术加工出局部结构或锻造不能成形的特征；所述能场用于辅助调控零件主体结构与增材结构特征之间的界面连接性能；
其中，所述模具内预留排气孔，用于排出闭式锻造模具内的气体，降低金属在最终填充阶段的流动阻力；同时闭式锻造模具上冲头装有振动装置，促进金属流体在模具内的流动填充，使内部组织变形均匀，消除气孔或裂纹，提高零件的致密度，改善零件的力学性能。
优选地，所述步骤(1)具体为：将非晶合金粉末放入包套中通过冷等静压技术压制成冷压坯，所述冷压坯周围包一层石墨片；然后将冷压坯放入烧结用模具中，再放入放电等离子烧结炉体中，抽真空，通入氮气保护气氛，设置烧结工艺参数，通过放电等离子烧结得到预锻坯。
优选地，所述步骤(2)具体为：启动电阻加热棒加热模具至所选非晶合金粉末成分的过冷液相区预设温度，将所述预锻坯放入模具中合模；待零件升温到预设温度后启动振动装置，调节相应的工艺参数，上冲头以一定的速度和载荷作用在零件上，待预锻坯完全充满模具内腔，保压一定时间，整个过程总时间小于非晶合金在所选温度下的晶化起始时间以避免试样发生晶化。
优选地，步骤(3)所述能场辅助增材制造技术为电磁搅拌辅助激光选区烧结，超高频脉冲方波辅助电弧增材制造或高频微锤锻辅助激光选区烧结，其中，所述超高频脉冲方波的脉冲电流频率为20～100kHz，所述高频微锤锻的频率为20～80kHz。
优选地，所述电磁搅拌辅助激光选区烧结具体为：在电磁线圈中通以频率为50～200Hz的交变电流，产生垂直于试样表面的交变磁场，通过改变电流强度控制线圈中心的磁场强度，使得线圈中心处的磁场强度处于40～80mT；将该电磁线圈连接在激光发射器上并随激光束运动，电磁线圈中心始终与激光束的轴线保持重合。
优选地，所述超高频脉冲方波辅助电弧增材制造具体为：采用复合超高频脉冲方波变极性电流波或者超高频直流脉冲方波电流波；脉冲电流幅值20～100A，脉冲电流频率为20～100kHz，占空比为20％～80％，通过在电流波形中叠加超高频方波脉冲，使电弧在熔化焊丝形成熔池时，形成超高频变化的脉冲电磁力，以对熔池进行搅动。
优选地，所述高频微锤锻辅助激光选区烧结具体为：在激光扫描过后对熔池凝固组织进行高频微锻变形处理，通过引入高频力场，达到强化组织，改善界面冶金连接性能和整体力学性能；采用的高频微锤锻装置为电磁式、超声频式或机械式；所述高频微锤锻频率为20～80kHz，非晶合金经过大塑性变形处理后，结构不均匀性增加，内部自由体积浓度增大，塑性提升。
优选地，所述非晶合金粉末的成分的选择标准为：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，所述冷等静压过程的压力为100～500MPa，保压时间为10～20min，压力介质为液体。
优选地，所述放电等离子烧结过程中采用的温度介于所述非晶合金成分过冷液相温度区间，升温速率为40～100K/min，真空度为1.0×10-2Pa～5.0×10-2Pa，烧结压力为30～80MPa，烧结时间短于所述非晶合金粉末成分在所采用的烧结温度下的晶化起始时间。
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零件锻造/增材复合制造方法充分考虑了非晶合金零件制造技术现状，结合了粉末锻造和增材制造技术两种技术，首先通过粉末烧结技术将非晶合金粉末烧结成预锻坯，然后将预锻坯置于闭式锻造模具内进行闭式热模锻造，得到非晶合金零件主体结构，最后在所得的非晶合金零件主体结构上增材制造出局部相对尺寸小的精细结构或锻造不能成形的结构。粉末锻造和增材制造技术的复合并非任意组合，也不是两种技术的简单移植。无论是粉末锻造，还是增材制造技术，在用于本发明的非晶合金零件复合成形中均具有不可替换性，且二者次序不可调换。粉末锻造和增材制造的结合，使得大尺寸、高性能、具有复杂精细结构的非晶合金零件的制造成为可能。
(2)本发明采用的放电等离子烧结技术，与传统烧结工艺(热压烧结、热等静压等)相比，其烧结速度快，烧结温度低，工艺参数可控性强，更加适合于非晶合金等亚稳态材料的烧结。同时本发明采用冷等静压制冷压坯，然后再对冷压坯进行放电等离子烧结，相比于普通的放电等离子烧结(SPS)工艺，可以显著提高烧结坯的致密度、改善烧结样品中的孔隙、微裂纹等缺陷，进一步提高试样的综合性能。此外，采用粉末烧结技术，相比于非晶合金增材制造技术材料利用率更高，生产成本更低，然后通过第二步闭式热模锻造，锻合烧结坯内部孔隙，可以制造出结构复杂、尺寸更大，性能更加优异的非晶合金零件。
(3)本发明针对复杂形状零件可进行成形工艺柔性设计，将零件分成主体结构与精细/难锻造特征，进行分区复合制造，采用粉末锻造加工出大尺寸高性能简单形状基体，然后利用增材制造加工出局部相对尺寸小的精细结构或锻造不能成形的结构，可成为高效低成本制造一些具有复杂精细结构特征零件的最佳手段。相比于采用单一的增材制造技术整体成形，生产成本大幅降低，材料利用率高，且零件整体性能也能得到大幅提升。同时本发明针对零件实际应用场景对零件性能上的不同要求，采用合适的能场辅助增材铸造，相比于单一的增材制造技术，不仅可以提高增材制造精细结构部分的整体性能，而且能够显著改善零件主体部分与精细结构结合处的连接性能，为传统制造零件上增材制造精细结构提供一种新途径。
(4)本发明采用的超声振动或机械振动辅助锻造成形，相比于传统的闭式锻造方法，能够促进金属流体在模具内的流动填充，使内部组织变形均匀，消除气孔、裂纹等缺陷，提高零件的致密度，改善零件的力学性能。
(5)本发明采用能场辅助增材制造在大尺寸非晶合金锻件上加工局部相对尺寸小的精细结构和一些锻造难成形特征，能场辅助增材制造技术包括电磁搅拌辅助激光选区烧结，超高频脉冲方波辅助电弧增材制造或高频微锤锻辅助激光选区烧结，其中辅助能场不仅能够显著改善零件主体部分与精细结构结合处的连接性能，实现界面处结构、性能的平缓过渡，而且辅助能场比如电磁搅拌或超高频脉冲方波均通过电磁搅拌，促进对流传热，提升熔池的冷却速率，起到防止非晶合金晶化、提升塑性，避免因内应力过大产生微裂纹等缺陷的作用。
附图说明
图1是按照本发明的非晶合金零件锻造/增材复合制造方法的流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的超声振动辅助闭式锻造模具结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的电磁场辅助激光烧结方法原理简图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的超高频强脉冲方波辅助电弧增材制造方法原理图；
图5是实施例2的复合超高频脉冲方波变极性电流波形示意图；
图6是实施例2的超高频直流脉冲方波电流波形示意图；
图7是实施例3的超声频微锻辅助激光选区烧结方法示意图。
其中：1-超声发射器，2-上冲头，3-凹模，4-补强外套，5-顶料杆，6-零件主体部分，7-上模，8-激光发射器；9-电磁线圈,10-零件主体部分，11-零件精细结构，12-电弧焊枪，13-送丝机构，14-微锻头，15-压电陶瓷振动发生器，16-电流控制器。
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。
本发明提供了一种非晶合金零件的锻造/增材复合制造方法，包括如下步骤：
(1)利用粉末烧结技术将非晶合金粉末材料制成预锻坯。一些实施例中，具体为：将非晶合金粉末放入包套中通过冷等静压技术压制成冷压坯，然后将冷压坯放入烧结用模具中，为避免非晶合金与模具材料发生反应，在冷压坯周围包一层薄石墨片，然后放入放电等离子烧结炉体中，抽真空，然后通入氮气保护气氛，设置烧结工艺参数，通过SPS烧结得到预锻坯。
(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，得到非晶合金零件主体结构。一些实施例中，具体为，启动电阻加热棒加热模具至所选非晶合金成分的过冷液相区预设温度，将所述预锻坯放入模具中合模。零件升温到预设温度后启动振动装置，调节相应的工艺参数，上冲头以一定的速度和载荷作用在零件上，待预锻坯完全充满模具内腔，保压一定时间，整个过程总时间小于非晶合金在所选温度下的晶化起始时间以避免试样发生晶化。
(3)在步骤(2)所述非晶合金零件主体结构上利用能场辅助增材制造技术加工出局部相对尺寸小或亚毫米级的精细结构，或一些锻造难成形或不能成形的结构，如薄壁筋板类、中空壳体、随形冷却流道等。所述能场用于辅助调控零件主体结构与增材精细结构特征之间的界面连接性能。具体为根据实际应用场景对零件性能的不同要求采用合适的能场辅助增材铸造。
其中，所述预锻坯的形状和尺寸根据金属流体在闭式锻造模具内的塑性流动和填充情况进行优化设计，以避免终锻件中可能产生的充不满、金属折叠、锻造裂纹等问题；为了排出闭式锻造模具内的气体，降低金属在最终填充阶段的流动阻力，模具内预留排气孔。同时闭式锻造模具上冲头装有振动装置，促进金属流体在模具内的流动填充，使内部组织变形均匀，消除气孔、裂纹等缺陷，提高零件的致密度，改善零件的力学性能。
一些实施例中，步骤(3)所述能场辅助增材制造技术为电磁搅拌辅助激光选区烧结，超高频脉冲方波辅助电弧增材制造或高频微锤锻辅助激光选区烧结，其中，所述超高频脉冲方波的脉冲电流频率为20～100kHz，所述高频微锤锻的频率为20～80kHz，优选地，
所述电磁搅拌辅助激光选区烧结具体为：在电磁线圈中通以频率为50～200Hz的交变电流，产生垂直于试样表面的交变磁场，通过改变电流强度控制线圈中心的磁场强度，使得线圈中心处的磁场强度处于40～80mT；将该电磁线圈连接在激光发射器上并随激光束运动，电磁线圈中心始终与激光束的轴线保持重合；激光熔池的对流传热过程随着外加磁场的引入得到增强，使得熔池的冷却速率大幅提升，避免非晶合金发生晶化且提升其塑性，避免因内应力而导致微裂纹或者开裂的问题，同时界面润湿状态改善，促进界面原子扩散，提高冶金结合强度。由于锻造与增材工艺过程的不同，使得锻件与增材部分性能存在较大差异，如冷却速率不同导致非晶合金自由体积含量不同，使得锻件与增材精细结构部分性能、内应力分布不连续等。通过电磁搅拌作用，使得凝固组织更加均匀，减小零件内应力，且能场、激光选区烧结工艺参数根据工艺、材料柔性调节，以实现界面处性能、内应力平缓过渡，改善界面处组织性能和零件整体性能。
所述超高频脉冲方波辅助电弧增材制造具体为：脉冲电流幅值20～100A，脉冲电流频率为20～100kHz，占空比为20％～80％，采用复合超高频脉冲方波变极性电流波或者超高频直流脉冲方波电流波；通过在电流波形中叠加超高频方波脉冲，使电弧在熔化焊丝形成熔池时，形成超高频变化的脉冲电磁力，以对熔池进行搅动，促进对流传热过程，避免非晶合金发生晶化，熔池内部温度梯度减小，减小内应力减少微裂纹的产生，同时对能场、增材工艺参数进行柔性调节以实现界面性能、内应力分布平缓过渡，同时促进气孔逸出，减少凝固组织缺陷的目的；另一方面由于电弧超声效应，有助于改善界面润湿性能，提升界面连接性能和零件整体性能。
所述高频微锤锻辅助激光选区烧结具体为：在激光扫描过后对熔池凝固组织进行高频微锻变形处理，通过引入高频力场，达到强化组织，改善界面冶金连接性能和整体力学性能；非晶合金经过大塑性变形处理后，结构不均匀性增加，内部自由体积浓度增大，塑性提升，克服非晶合金室温脆性难题，避免因成形内应力过大导致产生微裂纹甚至开裂；采用的高频微锤锻装置为电磁式、超声频式或机械式，高频微锤锻频率为20～80kHz。
上述能场辅助增材制造技术中各能场之间可以相互再次复合，如电磁场搅拌与超高频强脉冲方波的复合、高频微锤锻与超高频强脉冲方波的复合等。
本发明所述的激光选区烧结或电弧增材制造技术、能场的相关工艺参数，随时间可以柔性调节，针对非晶合金增材制造过程中的热量滞留、后热效应，相应参数在合理范围内可以相应调节以避免组织发生晶化，如激光扫描速度增大、电弧热输入减少等。
当对零件局部精细结构形位精度要求高时，采用热影响区小的激光选区烧结并辅助以电磁力搅拌减小熔池温度梯度的增材制造策略，避免零件(尤其是薄壁件)产生复杂的变形，降低复合制造构件的精度；当对零件局部精细结构要求内应力低时，采用超高频方波强脉冲辅助提高凝固组织均匀性、抑制气孔和裂纹等内部缺陷、提升界面润湿性的电弧增材制造策略；当对零件局部精细结构的综合性能要求高时，采用高频微锤锻强化组织的能场辅助激光选区烧结策略，突破传统增材制造在组织致密均匀性和力学性能等方面的局限性。所述辅助能场的相关工艺参数可调节，以便获得更高的零件使用性能。
一些实施例中，电弧增材制造技术所用非晶合金丝材成分与所述非晶合金粉末成分相同，丝材直径为0.5～2mm。
本发明所述非晶合金粉末的成分的选择标准为：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。优选实施例中，所述非晶合金粉末平均粒径为20～50μm，采用真空感应惰性气体雾化法制备得到。
一些实施例中，所述冷等静压过程的压力为100～500MPa，保压时间为10～20min，压力介质为液体。所述冷等静压过程使用的包套材质是硅橡胶或天然橡胶。
一些实施例中，所述放电等离子烧结过程中采用的温度介于所述非晶合金成分过冷液相温度区间，升温速率为40～100K/min，真空度为(1.0～5.0)×10-2Pa，烧结压力为30～80MPa，烧结时间短于所述非晶合金粉末成分在所采用的烧结温度下的晶化起始时间。所述放电等离子烧结过程结束以后采用的冷却方式为随炉冷却。所述放电等离子烧结过程中采用的模具为材质为硬质合金。
一些实施例中，所述闭式锻造模具的上冲头装有超声振动或机械振动装置，用以促进金属流体在模具内的流动填充，使内部组织变形均匀，消除气孔、裂纹等缺陷，提高零件的致密度，改善零件的力学性能。
一些实施例中，所述超声振动或机械振动的振幅、频率、功率等参数应根据实际情况合理选择，具体为充分考虑引入振动能量导致的温度场变化、应力场变化，避免在锻造过程导致非晶合金锻件发生纳米晶化现象。
一些实施例中，所述闭式锻造模具采用电阻加热棒加热或感应加热，且为了实现快速均匀加热，电阻加热棒根据闭式锻造模具内部形状合理布置。
一些实施例中，所述闭式锻造温度介于所述非晶合金成分的过冷液相温度区间，锻造时间短于所述非晶合金成分在所采用的锻造温度下的晶化起始时间。
一些实施例中，所述闭式锻造模具预留的排气孔应在有利于气体排出的位置排布，且排气孔外部与吸气泵相连，所述排气孔的尺寸0.3～0.5mm。
一些实施例中，所述闭式锻造模具材质为热作模具钢，模具内表面涂抹润滑剂为水溶性胶体石墨。
一些实施例中，所述闭式热模锻造过程在惰性气体保护气氛下进行，避免氧化。
一些实施例中，所述激光选区烧结具体工艺参数为，激光功率为300～500W，光斑直径为0.05～0.15mm，扫描速度为800～1500mm/s，铺粉厚度为0.02～0.06mm，采用辊式铺粉机构。
以下为实施例：
实施例1
图1是按照本发明的一种非晶合金零件锻造/增材复合制造方法构建的流程图，如图1所示，其包括如下步骤：
(1)选择由真空感应惰性气体雾化技术制备得到粒径为35μm的Zr55Cu25Al10Ni10非晶合金粉末制成预锻坯。Zr55Cu25Al10Ni10非晶合金的形成临界尺寸大于10mm,玻璃转变温度Tg为652K,起始晶化温度Tx为757K，液相线温度TL为1121K,过冷液相区间ΔTx＝Tx-Tg＝105K，热塑性成形能力指标S＝ΔTx/(TL-Tg)＝0.224，具有较好的非晶形成能力。首先将所选非晶合金粉末装入包套中，通过冷等静压技术压制成冷压坯，温度为室温，压力为100～500MPa，保压时间10～30min，压力介质为液体，包套所使用的材质为硅橡胶或天然橡胶。然后将冷压坯放入烧结用模具中，在试样表面包裹一层石墨薄片以避免非晶试样与硬质合金模具发生反应污染试样，损坏模具。抽真空到预定真空度后，通入氮气保护气体，设置烧结工艺参数，通过SPS技术烧结得到预锻坯，烧结温度介于所选非晶合金粉末成分的过冷液相温度区间，烧结总时间短于所选非晶合金成分在所选烧结温度下的晶化起始时间，升温速率为40～100K/min,真空度为(1.0～5.0)×10-2Pa，烧结压力为30～80MPa，保温时间为10～20min，烧结使用模具材质为硬质合金，烧结结束后随炉冷却。
(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，得到非晶合金零件主体结构。图2是本实施例所构建的超声振动辅助闭式锻造模具结构示意图；1-超声发射器，2-上冲头，3-凹模，4-补强外套，5-顶料杆，6-零件主体部分，7-上模。启动电阻加热棒将模具加热至锻造温度，将预锻坯放入锻造模具中合模。采用热电偶测量模具内腔温度，非晶合金预锻坯升温至锻造温度后，启动超声发射器1，调节超声振动的振动频率、振幅等工艺参数，闭式锻造的上冲头2与伺服压力机相连，上冲头以合适的速度和载荷作用于预锻坯。零件完全充满模具内腔后保压一定时间。锻造温度介于非晶合金成分的过冷液相温度区间，锻造总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。
(3)在步骤(2)所述非晶合金零件主体结构上利用能场辅助增材制造技术加工出局部相对尺寸小或亚毫米级的精细结构。图3是按照本发明的优选实施例所构建的电磁场辅助激光烧结方法原理简图，其中8-激光发射器；9-电磁线圈,10-零件主体部分，11-零件精细结构。电磁线圈9连接在激光发射器8上并可随激光束运动，线圈中心始终与激光束的轴线保持重合。在电磁线圈9中通以60Hz的工频交变电流，产生垂直于试样表面的交变磁场。激光熔池的对流传热过程随着外加磁场的引入得到增强，致使激光熔池的温度梯度显著减小，从而减小快速凝固过程中的热应力，避免零件(尤其是薄壁件)产生翘曲变形。同时增强对流传热过程，提高冷却速率，避免非晶合金在凝固过程发生晶化。首先将同轴送粉喷嘴和电磁搅拌装置置于激光头上，然后开启电磁搅拌器的开关，调节频率和磁场强度至预设值。最后依次开启送粉器的开关和激光发射器，调节参数至预设值，按照预设的规划路径扫描成形。具体工艺参数为，激光功率为300～500W，光斑直径为0.05～0.15mm，扫描速度为800～1500mm/s，铺粉厚度为0.02～0.06mm，采用辊式铺粉机构。
采用上述电磁场辅助激光选区烧结方法获得的零件，由于电磁场对熔池的搅拌作用，使得熔池温度梯度减小，促进熔池对流传热，避免非晶合金发生晶化，降低热应力，使得界面连接性能改善，避免产生构件局部翘曲变形，提高零件整体精度。
实施例2：
本实施例用于制备内应力要求较低、承受交变载荷作用的非晶零件，制备该零件时，同实施例1的方法，先利用粉末烧结技术将非晶合金粉末材料制成预锻坯，再将预锻坯置于闭式锻造模具内进行闭式热模锻造，得到非晶合金零件主体结构。然后选用超高频强脉冲方波辅助电弧增材制造技术在该零件主体结构上增材制备精细结构。
图4是按照本发明的优选实施例构建的超高频强脉冲方波辅助电弧增材制造方法原理图。其中，12-电弧焊枪，13-送丝机构，16-电流控制器。通过电流控制器16获得不同的脉冲方波电流，通过在电流波形中叠加超高频方波脉冲，使电弧在熔化焊丝形成熔池时，形成超高频变化的脉冲电磁力，以对熔池进行搅动，从而达到促进气孔逸出，减少凝固组织缺陷的目的，另一方面由于电弧超声效应，有助于改善界面润湿性能，提升界面连接性能和零件整体性能。送丝机构13固定在电弧焊枪12上，控制非晶合金丝材的送丝速度，开启电源和电流控制器16，调节电流波形，电弧焊枪12按照预先确定的路径行进。具体工艺参数为：脉冲电流幅值20～100A，脉冲电流频率为20～100kHz，占空比为20％～80％，采用复合超高频脉冲方波变极性电流波或者超高频直流脉冲方波电流波，对应的典型波形图如图5和图6所示。
通过复合超高频脉冲方波，产生高频脉冲电磁力，对熔池产生搅拌作用，减少凝固组织缺陷，降低内应力；同时由于电弧超声效应，改善界面润湿性能和界面冶金连接状态。
实施例3：
本实施例用于制备力学性能要求较高的非晶零件，制备该零件时，同实施例1的方法，先利用粉末烧结技术将非晶合金粉末材料制成预锻坯，再将预锻坯置于闭式锻造模具内进行闭式热模锻造，得到非晶合金零件主体结构。然后采用高频微锤锻辅助激光增材制造技术。
图7所示是按照本发明的优选实施例构建的超声频微锻辅助激光增材制造方法原理图。其中，14-微锻头，15-压电陶瓷振动发生器。首先开启控制电源，借助压电陶瓷振动发生器产生超声频振动，微锻头14的路径与激光发生器一致，微锻头对熔池金属熔体微锻变形处理，强化组织性能，改善界面冶金连接状态。同时非晶合金组织经过大塑性变形处理后，内部结构不均匀性增加，自由体积浓度增大，塑性提升。具体激光工艺参数与实施例1所述相同。
通过超声频微锻处理，引入高频力场，能够避免零件组织发生开裂、气孔等组织缺陷，同时强化界面之间的冶金连接状态，改善非晶合金组织塑性、韧性，进而提高零件整体力学性能。
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锻造/增材复合制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用粉末烧结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，得到非晶合金零件主体结构；
(3)在步骤(2)所述非晶合金零件主体结构上利用能场辅助增材制造技术加工出局部结构或锻造不能成形的结构；所述能场用于辅助调控零件主体结构与增材结构之间的界面连接性能；
其中，所述模具内预留排气孔，用于排出闭式锻造模具内的气体，降低金属在最终填充阶段的流动阻力；同时闭式锻造模具上冲头装有振动装置，促进金属流体在模具内的流动填充，使内部组织变形均匀，消除气孔或裂纹，提高零件的致密度，改善零件的力学性能。
2.如权利要求1所述的复合制造方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：将非晶合金粉末放入包套中通过冷等静压技术压制成冷压坯，所述冷压坯周围包一层石墨片；然后将冷压坯放入烧结用模具中，然后放入放电等离子烧结炉体中，抽真空，通入氮气保护气氛，设置烧结工艺参数，通过放电等离子烧结得到预锻坯。
3.如权利要求1所述的复合制造方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：启动电阻加热棒加热模具至所选非晶合金粉末成分的过冷液相区预设温度，将所述预锻坯放入模具中合模；待零件升温到预设温度后启动振动装置，调节相应的工艺参数，上冲头以一定的速度和载荷作用在零件上，待预锻坯完全充满模具内腔，保压一定时间，整个过程总时间小于非晶合金在所选温度下的晶化起始时间以避免试样发生晶化。
4.如权利要求1所述的复合制造方法，其特征在于，步骤(3)所述能场辅助增材制造技术为电磁搅拌辅助激光选区烧结，超高频脉冲方波辅助电弧增材制造或高频微锤锻辅助激光选区烧结；其中，所述超高频脉冲方波的脉冲电流频率为20～100kHz，所述高频微锤锻的频率为20～80kHz。
5.如权利要求4所述的复合制造方法，其特征在于，所述电磁搅拌辅助激光选区烧结具体为：在电磁线圈中通以频率为50～200Hz的交变电流，产生垂直于试样表面的交变磁场，通过改变电流强度控制线圈中心的磁场强度，使得线圈中心处的磁场强度处于40～80mT；将该电磁线圈连接在激光发射器上并随激光束运动，电磁线圈中心始终与激光束的轴线保持重合。
6.如权利要求4所述的复合制造方法，其特征在于，所述超高频脉冲方波辅助电弧增材制造具体为：采用复合超高频脉冲方波变极性电流波或者超高频直流脉冲方波电流波；脉冲电流幅值20～100A，脉冲电流频率为20～100kHz，占空比为20％～80％，通过在电流波形中叠加超高频方波脉冲，使电弧在熔化焊丝形成熔池时，形成超高频变化的脉冲电磁力，以对熔池进行搅动。
7.如权利要求4所述的复合制造方法，其特征在于，所述高频微锤锻辅助激光选区烧结具体为：在激光扫描过后对熔池凝固组织进行高频微锻变形处理，通过引入高频力场，达到强化组织，改善界面冶金连接性能和整体力学性能；采用的高频微锤锻装置为电磁式、超声频式或机械式；所述高频微锤锻频率为20～80kHz，非晶合金经过大塑性变形处理后，结构不均匀性增加，内部自由体积浓度增大，塑性提升。
8.如权利要求1所述的复合制造方法，其特征在于，所述非晶合金粉末的成分的选择标准为：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。
9.如权利要求2所述的复合制造方法，其特征在于，所述冷等静压过程的压力为100～500MPa，保压时间为10～20min，压力介质为液体。
10.如权利要求2所述的复合制造方法，其特征在于，所述放电等离子烧结过程中采用的温度介于所述非晶合金成分过冷液相温度区间，升温速率为40～100K/min，真空度为1.0×10-2Pa～5.0×10-2Pa，烧结压力为30～80MPa，烧结时间短于所述非晶合金粉末成分在所采用的烧结温度下的晶化起始时间。
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