CN110484838B - 一种Zr基块体非晶合金及其制备方法 - Google Patents

一种Zr基块体非晶合金及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110484838B
CN110484838B CN201910886756.3A CN201910886756A CN110484838B CN 110484838 B CN110484838 B CN 110484838B CN 201910886756 A CN201910886756 A CN 201910886756A CN 110484838 B CN110484838 B CN 110484838B
Authority
CN
China
Prior art keywords
amorphous alloy
powder
laser
substrate
slm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910886756.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110484838A (zh
Inventor
罗宇
张鹏程
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Materials of CAEP
Original Assignee
Institute of Materials of CAEP
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Materials of CAEP filed Critical Institute of Materials of CAEP
Priority to CN201910886756.3A priority Critical patent/CN110484838B/zh
Publication of CN110484838A publication Critical patent/CN110484838A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110484838B publication Critical patent/CN110484838B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/32—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/045—Alloys based on refractory metals
    • C22C1/0458—Alloys based on titanium, zirconium or hafnium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/11—Making amorphous alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C45/00—Amorphous alloys
    • C22C45/10—Amorphous alloys with molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, titanium, or zirconium or Hf as the major constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本发明提供一种Zr基块体非晶合金，属于非晶合金技术领域，所述非晶合金的成分表示为Zr60Fe10Cu20Al10，且非晶合金的临界尺寸为10mm。本发明还提供所述非晶合金的制备方法：1)取高纯度的锆、铁、铜和铝，在悬浮熔炼炉中熔化后得到预合金铸锭；2)通过气雾化法将预合金铸锭制备成粉末，过筛得粉末，并将粉末真空干燥；3)利用SLM设备在Zr基板上制备非晶合金零件，在激光加工之前，通入高纯度氩气使加工环境中氧气的含量低于100ppm；4)在基板上铺一层粉，根据非晶合金零件的几何结构，SLM控制系统采用激光快速熔凝，然后再铺一层粉在凝固的样品和基板上，继续用激光熔化凝固。通过本发明制备方法可以制造尺寸更大的非晶合金部件，更适用于复杂几何结构部件的制造。

Description

一种Zr基块体非晶合金及其制备方法
技术领域
本发明属于非晶合金技术领域，具体为一种Zr基块体非晶合金及其制备方法。
背景技术
在过去的几十年里，锆基块体非晶合金由于其较高的晶体成型能力被开发的越来越多，这些锆基块状非晶合金具有很多优良的性能，比如强度高和耐腐蚀性好，这些优越的性能使得锆基块体非晶合金在很多领域都得到了应用。因此，寻找一种高效、低成本的锆基块体非晶合金的制备方法，对于提高其实际应用也是非常重要的。
相比于晶体材料，块体非晶合金内部具有不规则的原子排布，原料成分和快速冷却速率是制备块体非晶合金的关键所在。多年来，大多数的块体非晶合金都是通过铜模吸铸和喷铸法制备得到的。虽然块体非晶合金合成的最大临界尺寸在100mm左右，但在设计时，为了提高其晶体成型能力，有些块体非晶合金的临界尺寸都超过了20mm，但通过传统的铸造方法很难制备出大于该临界尺寸的块体非晶合金，因此，通过提高晶体成型能力来得到更大临界尺寸的块体非晶合金也变得越来越困难。同时，大多数块体非晶合金由于没有像晶体一样具有位错而展现出脆性，这就导致块体非晶合金很难变形成复杂的几何结构。临界尺寸和脆性的限制，使满足未来应用需求的大几何尺寸和特定形状块体非晶合金的制备成为难点，需要寻找一种新的制备块体非晶合金的方法。
选区激光融化技术(SLM)是增材制作技术中的一种，在选区激光融化技术的制备过程中，先用电脑CAD设计出一个三维部件，然后再通过铺粉的方式一层一层的制备整个部件，这种层式制作方式使得通过SLM技术制备复杂几何结构的部件变得非常容易。由于激光束与粉末之间的相互作用时间短，会发生快速熔化和凝固，从而导致非常高的加热速率和冷却速率(103-108K/s)，这种高冷却速率满足形成块体非晶合金的制备要求。SLM设备激光点的直径通常小于其他增材制造技术设备激光的直径，SLM部件的制造是覆盖由微径直径的激光点产生的小熔池的过程，这使得SLM方法绕过了其他传统方法遇到的临界尺寸问题。近年来，有研究者对通过增材制作技术制作块体非晶合金进行了一些研究，并成功制作出了Fe，Zr，Al基块体非晶合金。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Zr基块体非晶合金及其制备方法。以气体雾化无定型粉末为原料，并应有含有激光脉冲数的SLM设备制备了成分为Zr60Fe10Cu20Al10，临界尺寸为10mm的块体非晶合金，本发明制备得到的块体非晶合金具有较高的机械强度和耐腐蚀性能。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种Zr基块体非晶合金，其特征在于，所述非晶合金的成分表示为Zr60Fe10Cu20Al10，且非晶合金的临界尺寸为10mm。
进一步，所述非晶合金采用选区激光融化技术(SLM)制备得到。
一种Zr基块体非晶合金的制备方法，包括以下步骤：
1)取高纯度的锆、铁、铜和铝，在悬浮熔炼炉中熔化后得到预合金铸锭；
2)通过气雾化法将预合金铸锭制备成粉末，过筛得粉末，并将粉末真空干燥；
3)利用SLM设备在Zr基板上制备非晶合金零件，在激光加工之前，通入高纯度氩气使加工环境中氧气的含量低于100ppm；
4)在基板上铺一层粉，根据非晶合金零件的几何结构，SLM控制系统采用激光快速熔凝，然后再铺一层粉在凝固的样品和基板上，继续用激光熔化凝固；
通过上述过程即可得到Zr基块体非晶合金零件。
进一步，所述非晶合金零件的几何结构模型预先通过三维设计软件生成后导入到所述SLM设备中。
进一步，所述悬浮熔炼炉中熔化次数≥4。
进一步，所述SLM设备的激光功率为100W～200W，曝光时间t为20μs～100μs，孵化空间为80μm，点距离为70μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明突破了传统制备方法具有的临界尺寸的限制，可以制造尺寸更大的非晶合金部件，更适用于复杂几何结构部件的制造。
本发明采用每一层都用激光束融化两次的全新制备工艺，可以形成含少量晶相的近全致密试样，使孔洞和裂缝得到改善，解决常规每层用激光束融化一次所存在的孔洞和裂缝等问题。
本发明选区激光融化技术(SLM)制备方法，可以提高产品的机械性能(显微硬度)和耐化学腐蚀性。
附图说明
图1为气雾化制备得到的尺寸在15-53μm预合金铸锭粉末的XRD测试结果；
图2为气雾化制备得到的粉末的SEM图；
图3为在P＝200，t＝60μs激光能量时每层用激光束融化一次制备得到的试样图；
图4为在P＝200，t＝60μs激光能量时每层用激光束融化两次制备得到的试样图；
图5为实施例23，实施例24，实施例35，实施例26制备得到的样品与对照样品的机械性能(显微硬度)测量结果。
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。
下述实施例各激光参数如下表1所示：
表1各实施例激光参数
实施例 激光功率(w) 曝光时间(μs) 实施例 激光功率(w) 曝光时间(μs)
1 100 30 2 100 40
3 100 60 4 100 80
5 100 100 6 120 30
7 120 40 8 120 60
9 120 80 10 120 100
11 160 30 12 160 40
13 160 60 14 160 80
15 160 100 16 180 20
17 180 30 18 180 40
19 180 50 20 180 60
21 200 20 22 200 30
23 200 40 24 200 50
25 200 60 26 200 70
27 200 80 28 200 100
各实施例Zr基块体非晶合金零件的具体制备过程如下：
1)取高纯度的锆、铁、铜和铝(锆99.99％，铁99.999％，铜99.999％，铝99.999％)，在悬浮熔炼炉中熔化四次后得到预合金铸锭。
2)通过气雾化法将预合金铸锭制备成粉末，过筛得到直径为15～53μm的粉末，并将粉末在200℃下真空干燥3小时。
气雾化制备得到的尺寸在15-53μm预合金铸锭粉末的XRD测试结果如图1所示，通过图1可以观察到广泛而弥散的非晶峰，表明粉末具有完全非晶态结构；图2显示了这些气雾化粉末的几何形貌，表明非晶态粉末具有较强的流动能力。
气雾化法将预合金铸锭制备成粉末的具体过程和工艺参数等采用本领域公知的技术即可实现。
3)利用SLM设备在Zr基板上制备非晶合金零件，在激光加工之前，通入氩气使加工环境中氧气的含量低于100ppm；
4)在基板上铺一层粉，根据非晶合金零件的几何结构，SLM控制系统采用激光快速熔凝，然后再铺一层粉在凝固的样品和基板上，继续用激光熔化凝固；
通过上述过程即可得到Zr基块体非晶合金零件。
制备得到的非晶合金零件为直径为4mm，高度为30mm的圆柱形试样。
对比例
本申请采用新的SLM工艺，每一层都用激光束融化两次，可以提高制备得到的产品试样的致密度，以改善在激光能量较低或曝光时间较短时出现的孔洞和裂缝。
为了更直观的体现本发明对于SLM工艺的创新，发明人采用常规的工艺(每层用激光束融化一次)作为对比例，在相同的激光参数下，研究不同的激光束融化次数(每层)对制备得到的试样性能的影响。
图3为在P＝200，t＝60μs激光能量时采用现有的常规工艺制备得到的试样图，从图3中可以看到试样中存在着大量的孔洞和裂缝，表明在激光能量较低或曝光时间较短时，采用现有常规工艺的激光能量不足以制备出全致密的块状非晶合金。但当改为每一层都用激光束融化两次时(激光能量不变P＝200，t＝60μs)，可以形成含少量晶相的近全致密试样，使孔洞和裂缝得到改善，如图4所示。
性能测试
对照样品：在Ar气氛下通过水冷铜模吸铸法制备出直径为4mm，成分为Zr60Fe10Cu20Al10的非晶合金圆柱作为对照样品。
测试试样：对实施例23，实施例24，实施例25，和实施例26不同激光参数制备得到的试样进行机械性能(显微硬度)测试和电化学腐蚀测试。具体的测试方法采用本领域公知的测试方法。
机械性能(显微硬度)测量结果如图5所述，图5可以看出，采用SLM制备得到的试样的硬度比对照样品高，且随着曝光时间的增加，试样的硬度增加，这使得SLM试样较传统的铜模吸铸法制备得到的样品更难变形。
表2对照样品和试样腐蚀电位和腐蚀电流密度
对照样品 实施例23 实施例24 实施例25 实施例26
Ecorro/V -0.423 -0.458 -0.376 -0.377 -0.369
Icorro/A -9.77e<sup>-8</sup> -8.07e<sup>-8</sup> -2.33e<sup>-7</sup> -5.01e<sup>-7</sup> -3.21e<sup>-6</sup>
从上表2可以看出，在参数P＝200W，t＝40μs制备得到的样品其耐腐蚀能力和对照样品相近，其它三个试样的耐腐蚀能力相近，均高于在参数P＝200W，t＝40μs制备得到的样品和对比样品，且随着曝光时间的增长，这三个试样的腐蚀电流密度呈增大趋势。说明本发明采用SLM制备得到的试样相比于传统铜模吸铸法制备得到的样品具有更好的耐化学腐蚀性。
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 (1)

1.一种Zr基块体非晶合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)取高纯度的锆、铁、铜和铝，在悬浮熔炼炉中熔化后得到预合金铸锭；所述悬浮熔炼炉中熔化次数≥4；
2)通过气雾化法将预合金铸锭制备成粉末，过筛得粉末，并将粉末真空干燥；
3)利用SLM设备在Zr基板上制备非晶合金零件，在激光加工之前，通入高纯度氩气使加工环境中氧气的含量低于100ppm；所述非晶合金零件的几何结构模型预先通过三维设计软件生成后导入到所述SLM设备中；
4)在基板上铺一层粉，根据非晶合金零件的几何结构，SLM控制系统采用激光快速熔凝，然后再铺一层粉在凝固的样品和基板上，继续用激光熔化凝固；所述SLM设备的激光功率为100W～200W，曝光时间为20μs～100μs；
通过上述过程即可得到Zr基块体非晶合金零件；
所述非晶合金的成分表示为Zr60Fe10Cu20Al10，且非晶合金的临界尺寸为10mm。
CN201910886756.3A 2019-09-19 2019-09-19 一种Zr基块体非晶合金及其制备方法 Active CN110484838B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910886756.3A CN110484838B (zh) 2019-09-19 2019-09-19 一种Zr基块体非晶合金及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910886756.3A CN110484838B (zh) 2019-09-19 2019-09-19 一种Zr基块体非晶合金及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110484838A CN110484838A (zh) 2019-11-22
CN110484838B true CN110484838B (zh) 2020-12-01

Family

ID=68558678

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910886756.3A Active CN110484838B (zh) 2019-09-19 2019-09-19 一种Zr基块体非晶合金及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110484838B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112570717A (zh) * 2020-11-25 2021-03-30 南方科技大学 一种非晶合金增材以及一种非晶合金部件的制备方法
CN112981209B (zh) * 2021-02-06 2022-06-03 四川大学 一种half-Heusler打印件及打印方法
CN113403553B (zh) * 2021-06-21 2022-01-18 上海大学 一种选区激光熔化制备锆基金属玻璃的方法及产品
CN114381674A (zh) * 2021-12-24 2022-04-22 盘星新型合金材料(常州)有限公司 ZrCu基非晶合金粉末及其制备方法
CN115255390B (zh) * 2022-09-26 2022-12-23 中国人民解放军北部战区总医院 基于slm的锆基非晶合金自膨胀主动脉覆膜支架的制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1372918A4 (en) * 2001-03-07 2004-11-03 Liquidmetal Technologies SHARP EDGE CUTTING TOOLS
JP5244282B2 (ja) * 2001-06-07 2013-07-24 リキッドメタル テクノロジーズ，インコーポレイティド 電子機器用およびフラットパネルディスプレー用の改良金属フレーム
CN1295371C (zh) * 2001-09-07 2007-01-17 液态金属技术公司 形成具有高弹性极限的非晶态合金模制品的方法
EP1632584A1 (en) * 2004-09-06 2006-03-08 Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Amorphous alloys on the base of Zr and their use
CN101787501B (zh) * 2010-02-05 2012-08-29 北京科技大学 具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料
JP5760222B2 (ja) * 2011-03-31 2015-08-05 地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所 金属ガラス成形体の製造方法
CN102430745B (zh) * 2011-08-18 2015-11-25 比亚迪股份有限公司 非晶合金与异质材料结合的方法及复合体
CN110157996B (zh) * 2019-05-10 2021-11-09 河北工业大学 一种新型耐蚀锆基合金及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110484838A (zh) 2019-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110484838B (zh) 一种Zr基块体非晶合金及其制备方法
CN107130124B (zh) 一种增材制造技术成形高熵合金的方法
Frigola et al. Fabricating copper components with electron beam melting
CN109112346B (zh) 一种增材制造用铜合金粉末的制备方法
CN111957967B (zh) 一种3d打印制备多尺度陶瓷相增强金属复合材料的方法
CN108486431A (zh) 选区激光熔化技术用Al-Si-Mg系铝合金组合物及成型件制备方法
CN103121105B (zh) 一种制备微细球形Nb-W-Mo-Zr合金粉末的方法
CN106623959A (zh) 一种增材制造用Waspalloy球形粉末的制备方法
CN105537582A (zh) 一种用于3d打印技术的316l不锈钢粉末及其制备方法
CN105689730A (zh) 一种制备Inconel 625合金球形粉末的方法
EP3187285A1 (en) Powder for layer-by-layer additive manufacturing, and process for producing object by layer-by-layer additive manufacturing
US20230175102A1 (en) Rare earth aluminum alloy powder applicable for additive manufacturing and preparation method thereof
CN110791686A (zh) 一种用于增材制造的铝合金粉末材料、制备方法及应用
CN108393492A (zh) 一种利用增材制造成形复杂NiTi合金构件的方法
CN109338182A (zh) 一种Al-Mg-Er-Zr系列铝合金及制备方法
CN108339984B (zh) 基于丝材3d打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法
CN111235417A (zh) 一种基于激光选区熔化成形的高性能铝基复合材料及其制备方法
CN104525960A (zh) 一种用于3D打印Fe-Mn系金属粉末材料制备方法
CN112853168A (zh) 一种AlSi10Mg粉末及激光选区熔化制造工艺
CN115430844B (zh) 一种变层厚金属零件激光选区熔化成形方法
CN108330321A (zh) 一种易偏析高弹性Cu-Ni-Sn合金的增材制造方法
CN112191843A (zh) 一种激光选区熔化制备Ti-1Al-8V-5Fe合金材料的方法
GB2563333A (en) Manufacture of metal articles
CN107617749B (zh) 一种利用tc4钛合金废料制备球形粉末的方法
CN114574739B (zh) 一种3d打印铝锂合金及其应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant