CN113369663A - 非晶合金的热塑性连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非晶合金的热塑性连接方法，包括依次进行的压制、表面处理、设备预热以及接头制备。本发明中的连接是在空气中进行的，使用低的压力和温度，在极短的时间内完成连接过程，采用热塑性成型技术获得完全非晶态的非晶合金连接接头，且连接接头的强度高；本发明的连接方法操作简单，生产成本低，生产效率高。

Description

非晶合金的热塑性连接方法
本申请是申请日为2019年01月08日、申请号为201910015274.0、发明名称为《非晶合金的热塑性连接方法》的分案申请，申请人为浙江大学台州研究院。
技术领域
本发明属于非晶合金材料连接技术领域，具体涉及一种非晶合金的热塑性连接方法，可用于Zr-系、Pd-系、Pt-系和Ti-系等具有较好热塑性成型能力的非晶合金的连接。
背景技术
非晶合金具有短程有序、长程无序的原子排列结构，使该类材料集众多优异性能于一身，如具有高强度、高硬度、高弹性极限、耐磨性、耐腐蚀性、优良的软磁性和超导性等方面的特性。这些优异的性能使其在航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器、电力、能源、电子、生物医学等领域都存在广泛的应用前景。然而，目前通常采用的铜模铸造法制备出的非晶态金属的尺寸仅为厘米级，严重地制约其工程化应用。另外，由于非晶态金属存在严重的室温脆性问题，其在室温下难以进行机械加工。再者，非晶态金属属于亚稳态材料，在外界高温影响下容易向更稳定的晶态发生转变，其存在难焊接的缺点，从而大大限制了其应用范围。因此，非晶合金的连接技术成为突破非晶合金工程化应用瓶颈的关键。
发明内容
本发明的目的是为解决背景技术中提及的技术问题，根据非晶合金具有的特性：几乎所有金属玻璃在升温时都表现出玻璃转变行为，这是当材料进入过冷液相区后，材料的粘度迅速降低，表现出类似液体的粘滞流动性质，在这一温度区间，金属玻璃具有非常好的超塑性，极有利于其加工成型，通过利用非晶合金的热塑性成型性提供一种非晶合金的热塑性连接方法，确定了连接工艺参数，测试了连接接头的非晶性、热和力学性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种非晶合金的热塑性连接方法，包括如下步骤：
(1)压制：将非晶合金块体采用热塑性成型方式压制成一定厚度的板状或片状非晶合金；
(2)表面处理：先将热塑性成型的非晶合金的表面用砂纸打磨，然后用金刚石抛光剂在绒布上进行抛光，最后用丙酮和无水乙醇清洗并吹干；
(3)预热设备：使用加热加压设备将上、下热压块加热到特定温度并保持恒温；
(4)制备非晶合金连接接头：将非晶合金的搭接部位放置在上、下热压块之间，再缓慢下移上热压块直至接触到非晶合金，此时停止上热压块下移并在设定的温度下保温一定的时间，然后加热加压设备对上热压块缓慢施加压力，当压力在一定的时间内达到一定的数值之后保压一定的时间再快速卸载压力，取出非晶合金连接接头立即投入水中迅速冷却，然后从水中取出非晶合金连接接头，并擦干。
进一步地，步骤(1)中所述非晶合金块体的形状为圆棒、立方体和菱形块中的任一种。
进一步地，步骤(1)中所述板状或片状非晶合金的厚度为0.5-10mm。
进一步地，所述步骤(2)中，依次用不同目数的水砂纸对热塑性成型的非晶合金的表面进行打磨，去除表面氧化层和污渍，然后用粒径为1μm的金刚石抛光剂在绒布上进行抛光，以达到所需要的表面粗糙度。
进一步地，所述加热加压设备适于对所述上、下热压块进行加热和加压，且能精准地控制加热温度和施加的压力。
进一步地，步骤(3)中所述特定温度介于非晶合金的玻璃转变温度Tg和结晶温度Tx之间。
进一步地，所述步骤(4)中，对所述上热压块缓慢施加压力，当压力在一定的时间内达到5-50kN之后保压一定的时间再快速卸载压力。
进一步地，所述步骤(1)中压制板状或片状非晶合金的时间与所述步骤(4)中非晶合金连接过程的时间之和不超过非晶合金在步骤(3)中所述特定温度下的结晶时间。
本发明的连接是在空气中进行的，使用低的压力和温度，在极短的时间内完成连接过程，采用热塑性成型技术获得完全非晶态的非晶合金连接接头，且连接接头的强度高；本发明的连接方法操作简单，生产成本低，生产效率高。
附图说明
图1为本发明一个实施例的流程图。
图2为Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金连接接头。
图3A为Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金连接接头的拉伸试样。
图3B为Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金连接接头的拉伸断口形貌。
图4为Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金连接接头的X射线衍射图谱。
图5为Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金连接接头的差示扫描量热法热分析图。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的一个实施例提供一种非晶合金的热塑性连接方法，包括如下步骤：
(1)将Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金块体在425℃恒温下缓慢施加压力进行热塑性成型，压制成厚度为0.5mm的片状非晶合金，目的是为了去除块体非晶合金中的气孔；
(2)将热塑性成型的Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金连接试样的表面先依次用400目、800目、1500目、2000目、2500目的水砂纸打磨，去除表面氧化层和污渍，然后用粒径为1μm的金刚石抛光剂进行抛光，以达到所需要的表面粗糙度，最后用丙酮和无水乙醇清洗并吹干；
(3)将上下热压块加热到Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金的玻璃转变温度Tg＝350℃和结晶温度Tx＝471℃之间的425℃温度，保持恒温；
(4)将Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金连接试样的搭接部位放置在上下热压块之间，再缓慢下移上热压块接触到连接试样，此时停止上热压块下移并在425℃温度下保温30s，后对上热压块缓慢施加压力，当压力在30s内达到10kN之后保压60s再快速卸载压力，取出非晶合金连接接头立即投入水中迅速冷却；从水中取出Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金连接接头(图2)，并擦干。
本发明的实施例是对两个一定厚度的板状或片状非晶合金之间进行搭接，压制的目的是去除由铸造获得的非晶合金块体中的气孔。压制过程利用的是热塑性成型技术，连接过程也采用的是热塑性成型技术，这里的连接是同种材料的自身连接，不需要采取钎料之类的材料。
Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金连接接头的力学性能、非晶性和热分析如下：
拉伸性能测试结果：在室温下，将搭接部位的长为10mm，宽为5mm，厚度为0.5mm的连接接头试样(如图3A所示)在Instron 5542万能力学性能试验机上进行拉伸测试，拉伸速率为5×10-3s-1。在载荷为1841.65N下将连接接头试样拉断，连接接头试样的抗拉剪强度能达到736.66MPa。采用光学显微镜(OM)对连接接头拉伸试样的断口形貌进行观察，结果如图3B所示。连接接头拉伸试样的断裂位置坐落在搭接部位处，是沿着连接接头横截面断裂而不是两个连接试样之间的撕裂，说明连接接头的强度高。
X射线衍射(XRD)结果：将连接接头的搭接部位处依次用400目、800目、1500目、2000目、2500目的水砂纸仔细打磨。使用X射线衍射仪(Rigaku SmartLab，采用CuKα射线)对连接接头的搭接部位进行非晶性分析，扫描步长为0.02°，扫描速度为3°min-1，扫描角度2θ的范围从20°到80°。测试结果(图4)显示连接接头的搭接部位是非晶态。
差示扫描量热法(DSC)结果：采用差示扫描量热分析仪(Perkin Elmer，DiamondDSC)对连接接头的搭接部位进行热分析，加热速率为20℃min-1，测试结果如图5所示。从图5可见连接接头搭接部位的Tg、Tx和ΔH基本上与母材的Tg、Tx和ΔH相同。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.非晶合金的热塑性连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)压制：将非晶合金块体采用热塑性成型技术压制成一定厚度的板状或片状非晶合金；
(2)表面处理：先将热塑性成型的非晶合金的表面用砂纸打磨，然后用金刚石抛光剂在绒布上进行抛光，最后用丙酮和无水乙醇清洗并吹干；
(3)预热设备：使用加热加压设备将上、下热压块加热到特定温度并保持恒温；
(4)制备非晶合金连接接头：将非晶合金的搭接部位放置在上、下热压块之间，再缓慢下移上热压块直至接触到非晶合金，此时停止上热压块下移并在设定的温度下保温一定的时间，然后加热加压设备对上热压块缓慢施加压力，当压力在一定的时间内达到一定的数值之后保压一定的时间再快速卸载压力，取出非晶合金连接接头立即投入水中迅速冷却，然后从水中取出非晶合金连接接头，并擦干；
所述步骤(4)中，对所述上热压块缓慢施加压力，当压力在一定的时间内达到5～50kN之后保压一定的时间再快速卸载压力；
所述步骤(1)中压制板状或片状非晶合金的时间与所述步骤(4)中非晶合金连接过程的时间之和不超过非晶合金在步骤(3)中所述特定温度下的结晶时间。
2.根据权利要求1所述的非晶合金的热塑性连接方法，其特征在于：所述非晶合金包括Zr-系、Pd-系、Pt-系和Ti-系中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的非晶合金的热塑性连接方法，其特征在于：步骤(1)中所述非晶合金块体的形状为圆棒、立方体和菱形块等中的任一种。
4.根据权利要求1所述的非晶合金的热塑性连接方法，其特征在于：步骤(1)中所述板状或片状非晶合金的厚度为0.5～10mm。
5.根据权利要求1所述的非晶合金的热塑性连接方法，其特征在于：所述步骤(2)中，依次用不同目数的水砂纸对热塑性成型的非晶合金的表面进行打磨，去除表面氧化层和污渍，然后用粒径为1μm的金刚石抛光剂在绒布上进行抛光，以达到所需要的表面粗糙度。
6.根据权利要求1所述的非晶合金的热塑性连接方法，其特征在于：所述步骤(3)中加热加压设备适于对所述上、下热压块进行加热和加压，且能精准地控制加热温度和施加的压力。
7.根据权利要求1所述的非晶合金的热塑性连接方法，其特征在于：步骤(3)中所述特定温度介于非晶合金的玻璃转变温度Tg和结晶温度Tx之间。
8.根据权利要求1所述的非晶合金的热塑性连接方法，其特征在于：步骤(4)中所述保温的时间为30s；
所述加压的时间为30s；
所述保压的时间为60s。
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