[发明专利]一种块体金属玻璃工件的电致塑性成型方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于块体金属玻璃制造成型技术领域，特别涉及一种制备块体金属玻璃工件的电致塑性成型装置和方法。

背景技术

金属玻璃(metallic glass)又称为非晶态合金(amorphous alloy)、非结晶金属(non-crystalline metal)、玻璃化金属(glassy metal)等等，因其固态时具有短程有序、长程无序的特殊结构在许多方面具有比常规多晶合金更优异的性能，在应用上，大块非晶材料的高强度、高耐蚀性以及优异的电磁特性将在机械、化工、电子和生物工程等行业中呈现广阔的应用前景。上世纪80年代末和90年代初，日本东北大学的Inoue研究小组首先报道了一些多组元合金系在适当的成分范围内表现出很强的非晶形成能力，非晶形成的临界冷却速率可降至100K/s以下，因此通过简单的熔体水淬或铜模铸造制备出了厘米级的块体金属玻璃，而传统的非晶合金由于需要超过106K/s的极高的临界冷却速度只能制备厚度或直径不超过50μm的粉末、条带、细丝或薄膜。目前已开发出的大块非晶合金体系有La基、Mg基、Zr基、Fe基、Pd基、Ti基、Ni基、Cu基、Ce基等十余种多组元体系，最低临界冷却速率已降至0.1K/s，最大块体金属玻璃直径已超过100mm。

块体金属玻璃现有的生产方法主要有熔体水淬法、电弧熔化铜模铸造法、高压铸造法和粉末烧结等。其中水淬法是将熔融态合金淬水冷却后制得块体金属玻璃，由于冷却介质原因，不能形成结构复杂件；铜模铸造法和高压铸造法均采用金属模具冷却，可以制备出棒状、板状和一些结构比较简单的块体金属玻璃铸件，但由于金属玻璃需要一定的冷却速率，所以金属模具材料的选择受到一定的限制，以致于许多具有复杂形状工件的模具很难被加工制造出来。粉末烧结法很难制得高密度胚料，一般只有理论密度的90-95％，而且带有较多的孔隙，使其机械性能降低。这些工艺所制备出来的产品都存在一定的局限性或不足，需要特殊的设备成本很高，不能生产形状复杂度比较高的产品，不适合工业生产。

块体金属玻璃材料自身存在室温脆性，在室温下没有塑性变形，变形量小于2％，施加外力时超过屈服强度容易断裂，机械加工性能较差，无法通过常规的加工工艺获得精密复杂形状的工件。比如拉伸成形是形成弯曲形状金属工件的众所周知工艺，然而在室温或远低于块体金属玻璃超塑性变形温度(即玻璃转变温度也是软化温度，一般大于400℃)下对块体金属玻璃进行拉伸或弯曲成形几乎是非常困难的。

综上所述，由于块体金属玻璃材料自身存在室温脆性，采用现有加工方法难以生产得到形状复杂度较高且力学性质均匀的产品，从而制约了块体金属玻璃材料在实际工业领域中广阔的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种块体金属玻璃电致塑性成型装置和方法，其目的在于通过控制块体金属玻璃的温度条件进行电致塑性加工成型，由此解决现有技术中存在的块状金属玻璃复杂产品难以加工且力学性能不均匀的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种块体金属玻璃电致塑性加工成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备块体金属玻璃胚料，保证其横截面均匀；

(2)将由(1)制得的块体金属玻璃胚料置于两夹具之间贴合夹紧并在其两端连接脉冲电流源；

(3)设置脉冲电流参数：幅值电流密度为100-5000A/mm²，脉冲宽度为10-1000μs，脉冲频率为30-5000Hz，启动脉冲电流源，脉冲电流从脉冲电流源正极出发依次流经第一电极夹和第一夹具后，均匀通过块体金属玻璃胚料横截面再流经第二夹具、第二电极夹回到脉冲电流源负极，以构成完整的通电回路；通电时，均匀通过金属玻璃胚料横截面的脉冲电流产生的焦耳热量使得金属玻璃胚料升温；

(4)以步骤(3)所述的方式使得块体金属玻璃胚料温度持续升温并且使得升温的上限始终处于所述玻璃金属胚料的玻璃转变温度以下，在此成型温度状态下经由致动控制器控制致动器运动，并依次通过与致动器相连的电极夹和夹具施加成型所需的机械力至金属玻璃胚料上；

根据不同的块体金属玻璃材料选择不同的一定温度，通过控制脉冲电流参数和致动器运动，可以精确控制块体金属玻璃胚料成型所需的一定温度值及成型所需的机械力，成型过程中致动器施加的机械成型力和位移速度的选择应确保块体金属玻璃胚料整体均匀变形，避免出现“颈缩”等局域形变现象。

(5)金属玻璃胚料在机械力作用下成型后，关闭脉冲电流源，释放致动器施加在玻璃金属坯料上的机械力，冷却至室温得到块体金属玻璃工件。