[发明专利]一种非晶合金块体材料的制备方法

说明书

本发明提供一种非晶合金块体材料的制备方法，该制备方法以非晶合金粉末为原料，利用非晶合金加热升温粘度下降、逐渐软化且在过冷液相区呈现超塑性的特点，结合冷喷涂过程中颗粒加速快、加热温度低，热影响小，材料不易发生氧化及组织变化，热应力小且最终呈压应力状态等特点，通过过程参数优化控制，使颗粒逐层高速碰撞沉积形成块体材料；而且后续颗粒的撞击对已形成沉积体在几个颗粒厚度的尺寸范围内具有夯实和致密化作用。具有工艺简单、生产周期短、加工成本低、适应性强以及制备材料尺寸不受限制等技术优势。

技术领域

本发明属于非晶合金块体材料的制备技术领域，具体涉及一种非晶合金块体材料的制备方法。

背景技术

与传统合金材料的晶体结构不同，非晶合金原子在三维空间无序排列呈现玻璃态结构，具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。以铝基非晶合金为例，其抗拉强度超过1000MPa，是传统铝合金材料的2～3倍，并且还具有质量轻、耐摩擦良好等特性。这使得21世纪非晶合金材料在航空、航天以及工业、国防等领域可望取代一些传统金属材料，展现出广阔的应用前景。

形成非晶合金所需的临界冷却速率极高，一般在10³K/s以上，这对其制备工艺提出了较高的要求。一般用来制备非晶合金材料的方法主要有熔铸法和粉末冶金法。其中熔铸法包括铜模铸造、喷铸-吸铸法及水淬法等。但这些方法的生产效率较低，得到的非晶合金尺寸较小，对合金本身的非晶形成能力要求较高。粉末冶金工艺以雾化非晶合金粉体为原料，装入模具经过压制和烧结等步骤制成非晶合金材料，但该工艺过程复杂、较大尺寸制件存在晶化等问题。总之，由于制备非晶合金需要大的冷却速度和过冷度，需突破冷却条件的限制，传统方法制备较大尺寸块体材料难度大，工艺复杂，严重制约了新材料的实际应用。

冷喷涂技术是近些年发展起来的一种新型绿色喷涂技术，它以压缩气体(氮气、氦气或者它们的混合气体)作为加速介质，带动金属颗粒在固态下以极高的速度(300～1200m/s)碰撞基板，使颗粒发生剧烈变形而实现逐层沉积。与热喷涂工艺相比它具有喷涂温度低的特点，适合制备非晶合金等热敏感材料，沉积体致密且氧化物含量低，化学成分及微观结构能够与原材料保持一致；沉积体内部的残余应力低且为压应力，沉积效率高，可制备大尺寸二维涂层及三维块体材料。近年来研究者已开始选择一些体系的非晶合金并雾化制成粉体原料，尝试在碳钢等材料基板上冷喷涂制备非晶防护涂层，但有关冷喷涂制备块体非晶合金材料的相关工作还鲜见报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供，所述制备方法通过冷喷涂将雾化制粉生产的铁基、锆基、铜基或铝基的非晶合金粉体为原料，制备块体非晶合金材料，所述非晶合金粉体的粒度范围为5～80μm，喷涂采用的基板材料为普通的铜合金、铝合金、碳钢、不锈钢等金属基板；喷涂前基板用粗砂纸打磨以获得合适的表面粗糙度便于颗粒的沉积并经过超声波清洗去除表面油污；

进一步地，所述冷喷涂过程如下：把基板固定在X‐Y‐Z三维数控移动工作平台上，喷枪固定在工作平台的垂直正上方，喷涂时移动平台以一定速度运动；或者使用夹具把基板固定，通过固定在机械手臂上喷枪的移动，从而制备出一定尺寸的块体非晶合金材料；

进一步地，冷喷涂原理为通过把非晶合金粉体加热到其过冷液相区温度范围，使之软化，塑性提高甚至产生超塑性而实现粉体颗粒的有效沉积；

进一步地，所述冷喷涂过程中采用的工作气体为氮气、氦气或者氮气和氦气的混合气体；

进一步地，冷喷涂的工艺参数及范围为：喷涂距离为5～50mm，枪出口压力为0.5～5.0MPa，预热气体温度分别为100～900℃，基板移动速率为60～1000mm/min，送粉速率约为1～50g/min；

进一步地，对所述S3中最后制备的块体非晶材料采用纳米探针对涂层的硬度进行表征，沉积体平均硬度约为3.56GPa；