[发明专利]非晶基复合材料、制备方法及超声振动热塑性成形装置

说明书

本发明公开了一种非晶基复合材料的制备方法，有限元模拟优选出最佳形状、尺寸及分布的增韧第二相空间架状结构；采用激光3D打印技术对上述空间架状结构进行打印成形；采用超声振动热塑性成形技术，将非晶合金‑增韧第二相空间架状结构‑非晶合金在一定实验条件下热压成形，制备出具有三明治结构的非晶基复合材料。本发明的制备方法，通过模拟仿真等方法获得最优形状、几何尺寸及分布的增韧第二相空间架状结构，并通过3D打印方法打印成形，解决了现有制备方法中增韧第二相不连续、空间分布不均匀，成形材料的结构与性能不可调控等难题，通过超声振动热塑性成形技术，实现了非晶相与增韧第二相的冶金结合，解决了现有技术中异质金属的界面焊接难题。

技术领域

本发明属于非晶基复合材料制备技术领域，更具体地，涉及一种非晶基复合材料、制备方法及相应的超声振动热塑性成形装置。

背景技术

非晶合金(又称金属玻璃)是上世纪中叶发展起来的一种新型金属材料，因其具有长程无序的特殊原子结构而拥有一系列明显优于晶态材料的力学、物理和化学性能。因而在机械、能源、化工和军事等领域呈现广阔的应用前景。然而，非晶合金作为结构材料应用严重受到其本征脆性的阻碍。开发非晶基复合材料是突破上述困境，实现非晶合金实际工程应用的关键。

目前，制备非晶基复合材料主要有内生法和外添第二相法。通过内生法制备非晶基复合材料，虽然能实现析出相与非晶基体间良好的界面结合，但该方法由于受到玻璃形成能力限制，严重制约了复合材料的尺寸，且该方法析出的第二相结构和分布不易调控，严重影响了所制备复合材料的性能。外添第二相法尽管能有效的控制第二相的体积比，但第二相不能连续、均匀分散在非晶基体上。并且第二相与非晶合金基体的界面结合不紧密，不能实现有效的冶金结合，难以实现复合材料的高性能与调控。

现有制备非晶基复合材料所使用的内生法，析出的第二相结构和分布不连续且不易调控，更无法形成连续的空间架状结构；外生法也未见空间架状结构增韧的相关报道，更无法实现空间架状结构几何参数可调。而且交替叠加超过三层后会给热塑性成形带来极大困难，非晶合金与第二相界面间存在间隙，即不能紧密结合，外力作用下裂纹沿界面间隙快速扩展，严重影响复合材料的性能。此外，层状第二相孤立至于非晶合金基体中，不能形成空间架状结构，这严重限制了非晶基复合材料性能与可靠性的进一步提升。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种非晶基复合材料及其制备方法，其目的在于，实现韧性第二相的连续、任意几何形状、尺寸及空间分布，有效实现非晶相与增韧第二相的冶金结合，有效解决了非晶基复合材料制备中面临的难题。

为了解决上述问题，按照本发明的一个方面，提供一种非晶基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1:设计几何形状、尺寸、分布可调的三维架状结构，并对其进行受力状态模拟仿真，获得最佳形状、尺寸及分布可调的增韧第二相空间架状结构；

S2:采用激光3D打印技术对所述增韧第二相空间架状结构打印成型采用粒径小于60μm的Ti₆Al₄V粉末作为打印原材料，按照步骤S1中的最佳的增韧第二相空间架构结构进行逐层打印，制备出钛合金空间架状结构；

S3:采用真空熔炼-吸铸技术制备出片状非晶合金，线切割成所需尺寸，砂纸磨抛去掉表面氧化物，超声清洗干净；

S4:将所述片状非晶合金与所述增韧第二相空间架状结构交替叠放后放入设计的夹具中；

S5:将夹具放入带有加载装置的加热炉中，采用超声振动热塑性成形技术，将温度升至所述片状非晶合金过冷液态区一定温度，预设一定压力；

S6:保温一定时间后，对获得的片状非晶合金和增韧第二相空间架状结构样品以恒定应变率加载；

S7:成型结束后迅速将装有样品的夹具取出并置于水中快速冷却，获得非晶基复合材料。