CN114318180A - 一种3d金属骨架增强的非晶复合材料及压铸制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D金属骨架增强的非晶复合材料及压铸制备方法。该复合材料主要由锆基非晶合金和3D打印金属骨架组成。该复合材料的制备主要包括如下步骤：制备3D金属骨架；熔炼非晶母合金；熔体压铸填充；压力场耦合凝固成型。该方法利用真空高压压铸工艺高速充型高压凝固的特点，在非晶合金基体中加入3D打印的金属骨架，通过金属骨架对剪切带扩展的高效抑制作用，促使剪切带增殖萌生，降低非均匀变形的局域化程度，以提高非晶复合材料的塑性。进一步，可通过控制3D骨架单胞结构、体积分数等参数，达到控制非晶复合材料的总体性能的目的。本发明为非晶复合材料的制备提供了一种新的方法，可促进压铸非晶合金的更广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及非晶复合材料制备领域，具体地，涉及一种3D金属骨架增强的非晶复合材料及压铸制备方法。
背景技术
非晶合金是指金属熔体在超激冷的条件下冷却，原子来不及有序排列，得到的一种没有晶粒、晶界的新型金属结构材料，也被称为“金属玻璃”或者“液态金属”。非晶合金具有高强度、高硬度、高表面光洁度、高耐腐蚀性等特点，被认为是21世纪最具有革命性新的材料之一，在军工航空、电子器件、体育器材、生物医疗等前沿领域有光明的应用前景。
然而因为非晶合金具有和传统金属所不同的全程无序的原子结构特征，其塑性变形机制也和传统金属材料有所不同，当非晶合金发生屈服后，其塑性变形主要集中在数量有限且厚度仅为几十纳米的剪切带之中，并且迅速扩展为裂纹，无法承载后续的塑性变形，容易表现出灾难性的脆性断裂，限制了非晶合金在工业化应用上的进一步发展。对此，人们一般采用添加韧性第二相的方法来抑制变形过程中剪切带的迅速扩展，促进剪切带增殖，进而提高非晶合金的塑韧性。添加第二相主要有：i原位内生析出第二相；ii外加第二相两种方式。但是，内生析出第二相的方法仅限于特定的几种非晶合金的成分并且对成型时的冷却速度要求十分严格，外加韧性第二相的方法虽然打破了非晶合金成分的苛刻限制，但是对外加第二相在非晶合金基体中分布的均匀性的问题仍然难以得到有效的控制，限制着非晶复合材料在结构材料上的广泛应用。
为了解决第二相分布的问题，在最近的几年里，人们采用在非晶合金中引入三维互穿增强相的方法，例如通过在非晶合金中引入编织网以提高非晶合金的塑性(Plasticity improvement in a bulk metallic glass composed of an open-cell Cufoam as the skeleton.Compos Sci Technol,2013,75:49-54)。三维互穿非晶复合材料塑性和韧性的提高主要归功于三维连续增强相对剪切带扩展的有效约束。然而，现有的包括编织网在内的增强体的孔隙率、基本构型很难定量地控制，阻碍了非晶复合材料的设计及工业应用。此外，传统的成型方法，如吸铸或热塑性变形，所成型的三维互穿非晶复合材料塑性的孔隙率较高、生产效率低(Metal frame reinforced bulk metallic glassComposites.,Mater.Res.Lett.2020,8(2):60-67；Metallic glass properties,processing method and development perspective:areview.Int.J.Adv.Manuf.Technol.,2021,112:1231-1258)。因此，开发一种新的、更通用、更有效的方法来提高非晶合金的塑性具有巨大的工程和学术意义。
金属3D打印在制备零件的结构设计方面上具有高度的灵活性，逐层铺粉融化的方式可以有效地降低复杂结构零件成型的难度，同时又不降低其精度，特别适合于复杂多孔结构的定制。压铸工艺具有高速充型、高压凝固的特点，同时具有生产效率高、产品精度高等特性，适合于产品的规模化应用。如果将3D打印技术与压铸技术结合，有望克服现有技术的不足，实现具有高强韧性的非晶复合材料的制备及应用，为非晶复合材料的第二相的结构设计提供指导。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种3D金属骨架增强的非晶复合材料及压铸制备方法。具体是利用真空高压压铸工艺高速充型高压凝固的特点，在非晶合金中引入具有良好塑韧性的3D打印金属骨架，形成一种3D打印金属骨架/非晶合金网络互穿的结构。在塑性变形的过程中，通过3D金属骨架在三维方向上对于剪切带扩展的高效抑制作用，从而促进剪切带的不断增殖，形成多重剪切带，进而在不降低原本非晶合金的强度的前提下，提高非晶合金的塑韧性。本发明的原料成本低，工艺流程简单，具有较好的应用前景。
本发明的目的可以通过以下技术方案达到：
本发明提供一种3D金属骨架增强的非晶复合材料，该材料主要由锆基非晶合金和3D打印金属骨架组成。
本发明所述的一种3D金属骨架增强的非晶复合材料，以非晶合金和3D金属骨架的总体积为100％记，其中3D金属骨架的体积分数为20％～80％，优选为40％～60％。所述的3D金属骨架的单胞杆径为200μm～900μm，结构为点阵结构，包括但不限于如下结构：体心立方点阵结构(BCC)，面心立方点阵结构(FCC)及密排六方点阵结构(HCP)。所述的3D金属骨架的材料包括但不限于：不锈钢、钛合金、镍钛合金等。
本发明所述的一种3D金属骨架增强的非晶复合材料，其中锆基非晶合金部分的化学成分为：(Zr1-xTix)a(Cu1-yNiy)bAlcXd，式中，X为Be、Y、Sc、La中的一种或几种，28≤a≤75，0≤x≤1，0≤y≤1，8≤b≤62，0≤c≤15，0≤d≤35，且a+b+c+d＝100，a、b、c、d为摩尔百分数。
本发明还提供一种3D金属骨架增强的非晶复合材料的压铸制备方法，具体包括以下几个步骤：
(1)制备3D金属骨架：
金属骨架的3D打印制备的具体步骤如下：
第一步：将金属粉末放置于3D打印设备的粉仓中，所选的3D打印的金属粉末包括但不限于：不锈钢粉末、钛合金粉末、镍钛合金粉末等；
第二步：调节3D打印设备基板的预热温度，粉末的铺粉厚度，激光或电子束的功率和扫描速度、扫描间距；
第三步：用刮刀将粉末均匀铺在基板上，再用激光或电子束进行扫描照射，将粉末熔融凝固成一个整体；
第四步：重复第三步至粉末烧结成实体获得3D金属骨架。
所述3D打印设备采用通用增材制造设备，包括激光选区熔化和电子束选区熔化设备。所述的基板温度为100～200℃，铺粉厚度为20～50μm，激光或电子束的功率为80～250W，扫描速度为400～1200mm/s，扫描间距为60～100μm；
(2)清洗3D金属骨架及预置：
使用线切割将3D金属骨架和基板分离开，将3D金属骨架放入稀释的王水中超声清洗1min～10min，去掉表面的氧化层、杂质等，再放入酒精中超声清洗1min～10min，去掉表面的杂质，然后将3D金属骨架预置于高压真空压铸设备的模具型腔内。
(3)制备压铸母合金粒料：
按照(Zr1-xTix)a(Cu1-yNiy)bAlcXd原子比换算为质量比，进行配料。将配好的单质原料放在高纯度(99.99％)的氩气中感应熔炼成一个完整的铸锭，再用鄂式破碎机将铸锭破碎成粒径小于3cm的颗粒状母合金粒料。
(4)压铸熔炼：
将已经合金化的母合金粒料加入真空压铸设备的感应熔杯内，闭合模具。将密封仓内的真空度抽到10-3Pa～102Pa之间，启动感应熔杯，将母合金粒料熔化形成熔体，熔炼温度稳定在900℃～1200℃间。
(5)熔体浇注填充：
待熔体加热到所设定的温度稳定后，旋转感应熔杯，将熔体倒入料筒内。推动料杆，以0.5m/s～4m/s的压射速率，将熔体推入预置3D金属骨架的模具型腔内。其中，模具温度的初始温度可以根据需要设定在0℃～300℃间。
(6)压力场耦合作用下凝固成型：
充型完成后，在压射杆的作用下，熔体在5MPa～300MPa的凝固压力下凝固成型，确保非晶合金和晶态金属编织网之间可以实现良好的扩散，获得优秀的界面结合效果。
(7)开模取件：
待铸件的温度冷却到400℃以下时，开模取件。
所述的一种3D金属骨架增强的非晶复合材料的压铸制备方法，步骤(4)至步骤(6)为真空高压压铸工艺，是在真空压铸设备中完成的。所述的真空压铸设备由密封仓(1)、感应熔杯(2)、料杆(3)、料筒(4)与模具(5)机构组成，其中感应熔杯(2)在密封仓(1)中，位于料筒(4)和料杆(3)的上方，料筒(4)和料杆(3)相互配合推动熔体进入模具(5)，模具(5)位于料筒(4)的最左侧，料筒(4)直接连接至模具(5)中的型腔，模具型腔内预置金属骨架(6)。整个机构相互之间配合运作，可以实现从熔炼到填充再到凝固全程真空。设备的原理图如图1所示。
经上述制备方法即可获得所述3D金属骨架增强的非晶复合材料。
本发明的原理为：利用压铸工艺的高充型速率、高凝固压力的特性，将非晶合金的熔体挤入3D金属骨架中，在极快的冷却速率下，形成3D打印金属骨架/非晶合金互穿的复合结构。通过控制3D金属骨架的结构特征、材料、孔隙率以及真空压铸工艺中的压铸熔炼温度、压射速率、凝固压力等工艺参数等特征，调控所制备的非晶复合材料的性能，使其具有在三维方向上对剪切带扩展的高效抑制作用，促进剪切带的增殖、萌生，提高非晶合金中的剪切带数量，降低非均匀变形的局域化程度，同时在一定程度上抑制裂纹的快速失稳扩展，使得非晶复合材料的力学性能得到较大的提高。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点：
(1)3D金属骨架的结构特征具有高度可调控性，可以根据实际需要，针对其单胞结构、体积分数、粉末材料等参数进行调整，并且其在复合材料中的分布均匀性可以达到预期效果，在三维方向上都可以做到对剪切带的高效抑制作用，对复合材料性能的提升具有较大贡献。
(2)相比于传统的非晶复合材料的制备方法，在模具型腔内预置3D金属骨架，可通过3D金属骨架带走热量，提高铸件中心区域的冷却速率，提高铸件非晶形成能力，获得性能更好的非晶复合材料。
(3)真空压铸工艺具有高充型速率、高凝固压力的优点，通过压铸工艺制备的3D金属骨架/非晶合金复合材料中3D金属骨架和非晶合金之间的界面结合更加优秀、紧密，填充率更高，可以获得具有良好冶金结合界面的非晶复合材料。
(4)本发明提供的制备方法采用了真空高压压铸工艺，工艺流程简单，生产效率高，可以实现非晶复合材料的大规模工业化应用。
附图说明
图1是3D金属骨架增强的非晶复合材料的压铸工艺成型流程示意图；
图2是实施例1-3制备所得的3D金属骨架增强的非晶复合材料的XRD衍射谱图；
图3是实施例1制备所得的3D金属骨架增强的非晶复合材料形貌的SEM图像及其界面处的元素扩散图；
图4是实施例1-3制备所得的3D金属骨架增强的非晶复合材料的压缩力学性能图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合各实施例进行详细的阐述，但本发明的实施方式并不限于此。
请参阅图1至图4，对本发明提供的制备3D金属骨架增强的非晶复合材料的方法进行说明。需要说明的是，本发明所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如无特殊说明，本发明的实施例中的原料均通过商业途径购买，即工业级原料。
实施例1
请参阅图1，本实施例提供了一种3D金属骨架增强的非晶复合材料及压铸制备方法，所述方法包括以下步骤S1～S7。
步骤S1：制备3D金属骨架：
金属粉末选用316L不锈钢粉末，粉末的颗粒直径为15～53μm，在Ar氛围下进行激光选区熔化打印，打印的设备为EOS280，3D打印的参数为基板温度100℃、激光功率195W、扫描速度1083mm/s、扫描间距为90μm、铺粉厚度为30μm。所打印的金属骨架的结构为BCC晶格点阵结构，杆径为475μm，体积分数为30％。本实施例中使用的实体尺寸为Φ7mm×18mm的圆柱。
步骤S2：清洗3D金属骨架及预置：
使用线切割将3D金属骨架和基板分离开，将3D金属骨架放入稀释的王水(其中王水与水的体积配比为1:10)中超声清洗1min，去掉表面的氧化层、杂质，再放入酒精中超声清洗10min，去掉表面的杂质，然后将3D金属骨架预置于高压真空压铸设备的模具型腔内。
步骤S3：制备压铸母合金粒料：
按照Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5原子比换算为质量比，配料5Kg，其中单质Zr为3.130Kg，单质Ti为0.550Kg,单质Cu为0.662Kg,单质Ni为0.489Kg,单质Be为0.169Kg。将配好的单质原料放在高纯度(99.99％)的氩气中感应熔炼成一个完整的铸锭，再用鄂式破碎机将铸锭破碎成粒径小于3cm的颗粒状母合金粒料。
步骤S4：压铸熔炼：
将已经合金化的母合金粒料加入真空压铸设备的感应熔杯内，闭合模具。将密封仓内的真空度抽到10-1Pa，启动感应熔杯，将母合金粒料熔化形成熔体，熔炼温度为900℃。
步骤S5：熔体浇注填充：
待熔体加热到所设定的温度稳定后，旋转感应熔杯，将熔体倒入料筒内。推动料杆，以0.5m/s的压射速率，将熔体推入模具型腔内。其中，模具温度的初始温度设定在100℃。
步骤S6：压力场耦合作用下凝固成型：
充型完成后，在压射杆的作用下，熔体在5MPa的凝固压力下凝固，确保非晶合金和晶态金属编织网之间可以实现良好的扩散，获得优秀的界面结合效果。
步骤S7：开模取件：
待铸件的温度冷却到400℃以下时，开模取件。
X射线衍射法(XRD)试验：
本实施例所得的非晶复合材料的结构特征通过X射线衍射方法(XRD)确定(实施例2、实施例3制备得到的材料均按此方法进行结构表征)。图2显示了本实施例BCC结构的3D金属骨架增强的非晶复合材料的XRD衍射谱图，结果显示，和纯非晶合金相比，本实施例的BCC结构的3D金属骨架增强的非晶复合材料的衍射峰上可以明显地观察到非晶衍射的“馒头峰”和不锈钢的衍射峰，其中不锈钢的衍射峰由奥氏体和马氏体两种结构的衍射峰组成。证明了该复合材料主要由非晶合金材料和3D打印金属骨架材料组成。
扫描电子显微镜(SEM)试验：
本实施例所得的非晶复合材料经过180目、600目、1000目、1500目、2000目的砂纸依次打磨后再用2.5μm、1.0μm、0.5μm的抛光液在抛光机抛光后，在扫描电子显微镜下可以观测到形貌特征和元素分布情况。图3中的(a)显示了实施例1的BCC结构的3D不锈钢骨架增强的非晶复合材料的SEM图像，可以清晰地看到3D骨架有规律地分布在非晶基体之中。同时在非晶基体和不锈钢骨架的界面上进行线扫描后可以发现，3D不锈钢骨架和非晶基体之间存在着明显的元素扩散，Fe和Zr元素都存在着很明显的过渡区域，如图3中的(b)所示，说明制备出来的非晶复合材料具有良好的冶金结合界面。
塑性性能评价实验：
在万能试验机上进行压缩试验，测得本实施例制备的BCC结构的3D金属骨架增强非晶复合材料的室温塑性，应变速率为5×10-4m·s-1，压缩试样的长宽高分别为8×8×16mm(实施例2、实施例3制备得到的材料均按此方法进行压缩试验)。所得的压缩应力应变曲线如图4所示，和纯非晶合金相比，本实施例成型后非晶复合材料的室温塑性得到了显著的提高，塑性达到了40％以上。这说明，非晶复合材料在塑性变形的过程中，3D金属骨架起到了限制剪切带快速扩展，非晶合金迅速失稳的问题，促进了剪切带的多重化增殖，实现了利用3D金属骨架增强非晶复合材料，获得性能更好的非晶复合材料的目的。
经上述真空压铸成型过程即可获得BCC不锈钢骨架结构增强Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金的复合材料。该复合材料主要由非晶合金和奥氏体/马氏体不锈钢相组成(如图2)，屈服强度为650MPa，塑性为48％(如图4)。
实施例2
步骤S1：制备3D金属骨架：
金属粉末选用316L不锈钢粉末，粉末的颗粒直径为15～53μm，在Ar氛围下进行激光选区熔化打印，打印的设备为EOS280，3D打印的参数为基板温度150℃、激光功率205W、扫描速度1090mm/s、扫描间距为100μm、铺粉厚度为40μm。所打印的金属骨架的结构为FCC晶格点阵结构，杆径为850μm，体积分数为30％。本实施例中使用的实体尺寸为Φ7mm×18mm的圆柱。
步骤S2：清洗3D金属骨架及预置：
使用线切割将3D金属骨架和基板分离开，将3D金属骨架放入稀释的王水(其中王水与水的体积配比为1:10)中超声清洗2min，去掉表面的氧化层、杂质，再放入酒精中超声清洗10min，去掉表面的杂质，然后将3D金属骨架预置于高压真空压铸设备的模具型腔内。
步骤S3：制备压铸母合金粒料：
按照Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5原子比换算为质量比，配料5Kg，其中单质Zr为3.130Kg,单质Ti为0.550Kg,单质Cu为0.662Kg,单质Ni为0.489Kg,单质Be为0.169Kg。将配好的单质原料放在高纯度(99.99％)的氩气中感应熔炼成一个完整的铸锭，再用鄂式破碎机将铸锭破碎成粒径小于3cm的颗粒状母合金粒料。
步骤S4：压铸熔炼：
将已经合金化的母合金粒料加入真空压铸设备的感应熔杯内，闭合模具。将密封仓内的真空度抽到102Pa，启动感应熔杯，将母合金粒料熔化形成熔体，熔炼温度为1000℃。
步骤S5：熔体浇注填充：
待熔体加热到所设定的温度稳定后，旋转感应熔杯，将熔体倒入料筒内。推动料杆，以1m/s的压射速率，将熔体推入模具型腔内。其中，模具温度的初始温度为100℃。
步骤S6：压力场耦合作用下凝固成型：
充型完成后，在压射杆的作用下，熔体在100MPa的凝固压力下凝固，确保非晶合金和晶态金属编织网之间可以实现良好的扩散，获得优秀的界面结合效果。
步骤S7：开模取件：
待铸件的温度冷却到400℃以下时，开模取件。
经上述真空压铸成型过程即可获得FCC不锈钢骨架结构增强Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金的复合材料。该复合材料主要由非晶合金和奥氏体/马氏体不锈钢相组成(如图2)，屈服强度为740MPa，塑性为48％(如图4)。
实施例3
步骤S1：制备3D金属骨架：
金属粉末选用316L不锈钢粉末，粉末的颗粒直径为15～53μm，在Ar氛围下进行激光选区熔化打印，打印的设备为EOS280，3D打印的参数为基板温度200℃、激光功率220W、扫描速度1100mm/s、扫描间距为80μm、铺粉厚度为50μm。所打印的金属骨架的结构为HCP晶格点阵结构，杆径为550μm，体积分数为30％。本实施例中使用的实体尺寸为Φ7mm×18mm的圆柱。
步骤S2：清洗3D金属骨架及预置：
使用线切割将3D金属骨架和基板分离开，将3D金属骨架放入稀释的王水(其中王水与水的体积配比为1:10)中超声清洗3min，去掉表面的氧化层、杂质，再放入酒精中超声清洗10min，去掉表面的杂质，然后将3D金属骨架预置于高压真空压铸设备的模具型腔内。
步骤S3：制备压铸母合金粒料：
按照Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5原子比换算为质量比，配料5Kg，其中单质Zr为3.130Kg，单质Ti为0.550Kg，单质Cu为0.662Kg,单质Ni为0.489Kg,单质Be为0.169Kg。将配好的单质原料放在高纯度(99.99％)的氩气中感应熔炼成一个完整的铸锭，再用鄂式破碎机将铸锭破碎成粒径小于3cm的颗粒状母合金粒料。
步骤S4：压铸熔炼：
将已经合金化的母合金粒料加入真空压铸设备的感应熔杯内，闭合模具。将密封仓内的真空度抽到10-2Pa，启动感应熔杯，将母合金粒料熔化形成熔体，熔炼温度为1100℃。
步骤S5：熔体浇注填充：
待熔体加热到所设定的温度稳定后，旋转感应熔杯，将熔体倒入料筒内。推动料杆，以2m/s的压射速率，将熔体推入模具型腔内。其中，模具温度的初始温度设定为250℃。
步骤S6：压力场耦合作用下凝固成型：
充型完成后，在压射杆的作用下，熔体在200MPa的凝固压力下凝固，确保非晶合金和晶态金属编织网之间可以实现良好的扩散，获得优秀的界面结合效果。
步骤S7：开模取件：
待铸件的温度冷却到400℃以下时，开模取件。
经上述真空压铸成型过程即可获得HCP不锈钢骨架结构增强Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金的复合材料。该复合材料主要由非晶合金和奥氏体/马氏体不锈钢相组成(如图2)，屈服强度为840MPa，塑性为38％(如图4)。
实施例4
步骤S1：制备3D金属骨架：
金属粉末选用TC4钛合金粉末，粉末的颗粒直径为15～53μm，在Ar氛围下进行激光选区熔化打印，打印的设备为EBM Q10，3D打印的参数为基板温度180℃、激光功率185W、扫描速度1110mm/s、扫描间距为70μm、铺粉厚度为20μm。本实施例中使用的实体尺寸为Φ7mm×18mm的圆柱。
步骤S2：清洗3D金属骨架及预置：
使用线切割将3D金属骨架和基板分离开，将3D金属骨架放入稀释的王水(其中王水与水的体积配比为1:10)中超声清洗5min，去掉表面的氧化层、杂质，再放入酒精中超声清洗10min，去掉表面的杂质，然后将3D金属骨架预置于高压真空压铸设备的模具型腔内。
步骤S3：制备压铸母合金粒料：
按照Zr55Cu30Ni5Al10原子比换算为质量比，配料5Kg，其中单质Zr为3.351Kg，单质Cu为1.273Kg,单质Ni为0.196Kg,单质Al为0.180Kg。将配好的单质原料放在高纯度(99.99％)的氩气中感应熔炼成一个完整的铸锭，再用鄂式破碎机将铸锭破碎成粒径小于3cm的颗粒状母合金粒料。
步骤S4：压铸熔炼：
将已经合金化的母合金粒料加入真空压铸设备的感应熔杯内，闭合模具。将密封仓内的真空度抽到10-1Pa，启动感应熔杯，将母合金粒料熔化形成熔体，熔炼温度为1200℃。
步骤S5：熔体浇注填充：
待熔体加热到所设定的温度稳定后，旋转感应熔杯，将熔体倒入料筒内。推动料杆，以2.5m/s的压射速率，将熔体推入模具型腔内。其中，模具温度的初始温度为260℃。
步骤S6：压力场耦合作用下凝固成型：
充型完成后，在压射杆的作用下，熔体在250MPa的凝固压力下凝固，确保非晶合金和晶态金属编织网之间可以实现良好的扩散，获得优秀的界面结合效果。
步骤S7：开模取件：
待铸件的温度冷却到400℃以下时，开模取件。
经上述真空压铸成型过程即可获得TC4骨架结构增强Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的复合材料。屈服强度为900MPa，塑性为20％。
实施例5
步骤S1：制备3D金属骨架：
金属粉末选用TC4钛合金粉末，粉末的颗粒直径为15～53μm，在Ar氛围下进行激光选区熔化打印，打印的设备为EBM Q10，3D打印的参数为基板温度200℃、激光功率210W、扫描速度1110mm/s、扫描间距为50μm、铺粉厚度为40μm。本实施例中使用的实体尺寸为Φ7mm×18mm的圆柱。
步骤S2：清洗3D金属骨架及预置：
使用线切割将3D金属骨架和基板分离开，将3D金属骨架放入稀释的王水(其中王水与水的体积配比为1:10)中超声清洗5min，去掉表面的氧化层、杂质，再放入酒精中超声清洗10min，去掉表面的杂质，然后将3D金属骨架预置于高压真空压铸设备的模具型腔内。
步骤S3：制备压铸母合金粒料：
按照Zr65.2Cu15.6Ni11.7Al3.7Ti3.3Y0.5原子比换算为质量比，配料5Kg，其中单质Zr为3.751Kg，单质Cu为0.625Kg，单质Ni为0.433Kg，单质Al为0.063Kg，单质Ti为0.100Kg，单质Y为0.028Kg。将配好的单质原料放在高纯度(99.99％)的氩气中感应熔炼成一个完整的铸锭，再用鄂式破碎机将铸锭破碎成粒径小于3cm的颗粒状母合金粒料。
步骤S4：压铸熔炼：
将已经合金化的母合金粒料加入真空压铸设备的感应熔杯内，闭合模具。将密封仓内的真空度抽到10-1Pa，启动感应熔杯，将母合金粒料熔化形成熔体，熔炼温度为1050℃。
步骤S5：熔体浇注填充：
待熔体加热到所设定的温度稳定后，旋转感应熔杯，将熔体倒入料筒内。推动料杆，以2.5m/s的压射速率，将熔体推入模具型腔内。其中，模具温度的初始温度为260℃。
步骤S6：压力场耦合作用下凝固成型：
充型完成后，在压射杆的作用下，熔体在200MPa的凝固压力下凝固，确保非晶合金和晶态金属编织网之间可以实现良好的扩散，获得优秀的界面结合效果。
步骤S7：开模取件：
待铸件的温度冷却到400℃以下时，开模取件。
经上述真空压铸成型过程即可获得TC4骨架结构增强Zr65.2Cu15.6Ni11.7Al3.7Ti3. 3Y0.5非晶合金的复合材料。屈服强度为1200MPa，塑性为15％。
Claims (10)
1.一种3D金属骨架增强的非晶复合材料的压铸制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备3D金属骨架；
(2)清洗3D金属骨架，然后预置于真空压铸设备的模具型腔内；
(3)制备压铸母合金粒料；
(4)将母合金粒料放入真空压铸设备的感应熔杯内真空感应熔炼形成熔体；
(5)将熔体压射入预置3D金属骨架的模具型腔内；
(6)在压力场耦合作用下凝固成型；
(7)开模取件，获得3D金属骨架增强的非晶复合材料。
2.根据权利要求1所述的3D金属骨架增强的非晶复合材料的压铸制备方法，其特征在于，所述3D金属骨架增强的非晶复合材料以非晶合金和3D金属骨架的总体积为100％记，其中3D金属骨架的体积分数为20％～80％。
3.根据权利要求1所述的3D金属骨架增强的非晶复合材料的压铸制备方法，其特征在于，步骤(1)所述3D金属骨架的结构为点阵结构，杆径为200μm～900μm。
4.根据权利要求1所述的3D金属骨架增强的非晶复合材料的压铸制备方法，其特征在于，步骤(1)所述3D金属骨架所用的金属粉末包括不锈钢粉末、钛合金粉末、镍钛合金粉末一种以上。
5.根据权利要求1所述的3D金属骨架增强的非晶复合材料的压铸制备方法，其特征在于，步骤(1)中，制备3D金属骨架的具体步骤如下：
第一步：将金属粉末放置于3D打印设备的粉仓中；
第二步：调节3D打印设备基板的预热温度、粉末的铺粉厚度、激光或电子束的功率和扫描速度、扫描间距；
第三步：用刮刀将粉末均匀铺在基板上，再用激光或电子束进行扫描照射，将粉末熔融凝固成一个整体；
第四步：重复第三步至粉末烧结成实体获得3D金属骨架。
6.根据权利要求5所述的3D金属骨架增强的非晶复合材料的压铸制备方法，其特征在于，3D打印设备基板的温度为100～200℃，铺粉厚度为20～50μm，激光或电子束的功率为80～250W，扫描速度为400～1200mm/s，扫描间距为60～100μm。
7.根据权利要求1所述的3D金属骨架增强的非晶复合材料的压铸制备方法，其特征在于，步骤(3)中，制备压铸母合金粒料的具体步骤如下：
按照(Zr1-xTix)a(Cu1-yNiy)bAlcXd原子比换算为质量比，进行配料，将配好的单质原料放在高纯度氩气中感应熔炼成一个完整的铸锭，再将铸锭破碎成粒径小于3cm的颗粒状母合金粒料；所述母合金粒料的成分组成为(Zr1-xTix)a(Cu1-yNiy)bAlcXd，式中，X为Be、Y、Sc、La中的一种或几种，28≤a≤75，0≤x≤1，0≤y≤1，8≤b≤62，0≤c≤15，0≤d≤35，且a+b+c+d＝100，a、b、c、d为摩尔百分数。
8.根据权利要求1所述的3D金属骨架增强的非晶复合材料的压铸制备方法，其特征在于，步骤(4)至步骤(6)在真空压铸设备中完成；所述的真空压铸设备由密封仓(1)、感应熔杯(2)、料杆(3)、料筒(4)与模具(5)机构组成，其中感应熔杯(2)在密封仓(1)中，位于料筒(4)和料杆(3)的上方，料筒(4)和料杆(3)相互配合推动熔体进入模具(5)，模具(5)位于料筒(4)的最左侧，料筒(4)直接连接至模具(5)中的型腔，整个机构相互之间配合运作，可以实现从熔炼到填充再到凝固全程真空。
9.根据权利要求1所述的3D金属骨架增强的非晶复合材料的压铸制备方法，其特征在于，步骤(4)中，熔炼的真空度为10-3Pa～102Pa，熔炼温度为900℃～1200℃；步骤(5)中，模具温度的初始温度为0℃～300℃，料杆推动熔体的压射速率为0.5m/s～4m/s；步骤(6)中，凝固成型的压力为5MPa～300Mpa。
10.权利要求1～9任一项所述的制备方法制备得到的一种3D金属骨架增强的非晶复合材料。
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