專利名稱：一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法
技術領域：
本發明涉及冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法。
背景技術：
與傳統的晶態合金材料相比，非晶態合金由于其獨特的長程無序微觀結構，表現出更為優異的力學、物理和化學性能，如高硬度、高強度、優異的耐磨性和抗腐蝕性等。在眾多的非晶合金形成體系中，鋁基非晶合金除了具有非晶合金的諸多優點外，還具有密度小、比強度高的優勢。然而，由于鋁基非晶合金的非晶玻璃形成能力低，難以通過傳統鑄造急冷的方法制備出大尺寸鋁基非晶合金材料。目前采用銅模鑄造法制備的鋁基非晶合金的最大玻璃形成臨界尺寸為1mm。因此，雖然鋁基非晶合金所固有的諸多優異性能使其具有潛在的應用前景，但其進一步實際應用尚需解決大尺寸材料制備這個關鍵的科學與技術問題。為了解決上述限制應用的瓶頸問題，鋁基非晶合金的制備技術一直是研究人員關注的重要課題之一。與傳統的液態金屬直接凝固方法制備塊體非晶合金相比，粉末冶金方法能夠突破合金體系非晶形成能力的限制，制備出大尺寸的非晶合金材料。此外，粉末冶金方法近終成形的工藝特點也使制備非晶合金成形件成為了可能。粉末冶金工藝方法很多，通常可分為溫度場主導的高溫燒結和應力場主導的冷態成形。采用高溫燒結方法制備塊體非晶合金材料，由于燒結過程中溫度場難以精確、及時控制，往往造成非晶合金的晶化現象的發生，進而引起材料力學性能的惡化。與高溫燒結相比，冷態成形可避免由溫度引起的非晶相的結構弛豫，在得到高致密度塊體材料的同時，保持非晶相的結構特征。然而，在傳統冷態模壓的變形過程中，粉末材料與較硬的模具材料之間的摩擦會引起微觀應力場分布不均勻，進而導致塊體材料組織的不均勻，影響材料的使用性能。而采用橡膠模具的另一種常用冷態成形方法冷等靜壓則可得到相對均勻的微觀組織。但是，目前的冷等靜壓裝置很難進一步提高工作液體的靜壓力，所以冷等靜壓通常為進一步的高溫燒結提供組織均勻的預制坯。

發明內容
本發明是要解決現有傳統非晶合金材料的制備方法難以制備出大尺寸、高性能的鋁基非晶合金成形件的問題，而提出一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法。本發明中的一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法以下步驟進行一、鋁基非晶合金粉末的制備采用Ar氣霧化方法制備Al基非晶合金粉末，按質量比其成分為Al:Ni:Ce的值為(10 15) : (I 3) :1，其粒徑尺寸為300ηπΓ30 μ m ;二、彈性硅橡膠模具的制備將液體硅橡膠放入真空倉中，抽真空至壓強為I. OXKT1Pa I. OXIOPa，進行脫氣處理ltT3h后，取出一部分經脫氣處理后的液體硅橡膠注入到模具外筒與成型模芯形成的模具內腔中，另一部分經脫氣處理后的液體硅橡膠備用，將注滿模具內腔的液體硅橡膠模在溫度為50°C 150°C的條件下，固化10mirTl20min，得到彈性硅橡膠包套模具，其中模具外筒外徑為110mnTl50mm，壁厚為20mnT25mm，高度為60mm 150mm,成型模芯的直徑為IOmm 50mm,高度為IOmnTlOOmm;三、彈性硅橡膠包套的制備將驟一得到的Al基非晶合金粉末裝入經步驟二制備的彈性硅橡膠模具中，Al基非晶合金粉末的初裝粉末高度為彈性硅橡膠模具內高度，然后將此彈性硅橡膠模具放入真空倉中，抽真空至壓強為I. O X KT1PaI. OXIOPa，進行除氣處理ltT3h后，將厚度為10mnTl5mm的固化彈性硅橡膠上蓋放置于彈性硅橡膠模具上部開口端，然后用步驟二中備用的經脫氣處理后得到的液體硅橡膠對彈性硅橡膠模具的上蓋進行密封，密封后在溫度為50°C 150°C的條件下，固化5mirT60min，得到彈性硅橡膠包套；四、冷靜液機械壓制成型將經步驟三得到的彈性橡膠包套裝入冷靜液機械壓制成型設備中，加載速率O. 5mm/iT5mm/S，壓制位移為初裝粉末高度的30°/Γ50%，液壓油高度高于硅橡膠包套5mnT20mm，壓制噸位為220噸力 300噸力，壓制過程中的最大液體靜壓為500MPa llOOMPa，最大軸向壓力為2500MPa 3300MPa，壓制溫度為20°C 24°C，得到大尺寸鋁基非晶合金成形件。本發明包括以下優點I、本發明方法工藝簡單，粉末原材料利用率高、不需加熱節約能源、成本低；2、所制備的塊體鋁基材料組織結構為非晶結構，因而具有優異的力學性能；3、本發明方法可制備大尺寸鋁基非晶合金成形件；4、本發明方法制備大尺寸鋁基非晶合金成形件組織均一，致密度達99%以上。


圖I為實驗一中制備彈性硅橡模具的裝置示意圖；圖2為實驗一中制備彈性硅橡包套的裝置示意圖；圖3為實驗一中制備的圓柱形鋁基非晶合金成形件的照片；圖4為實驗一中制備的塊體鋁基非晶合金成形件的室溫壓縮應力-應變曲線；圖5為實驗二中制備的齒輪形鋁基非晶合金成形件的照片。
具體實施例方式本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式中的一種冷態制備大尺寸招基非晶合金成形件的方法按以下步驟進行一、鋁基非晶合金粉末的制備采用Ar氣霧化方法制備Al基非晶合金粉末，按質量比其成分為Al:Ni:Ce的值為(10 15) : (I 3) :1，其粒徑尺寸為300ηπΓ30 μ m ;二、彈性硅橡膠模具的制備將液體硅橡膠放入真空倉中，抽真空至壓強為
I.OXKT1Pa I. OXIOPa，進行脫氣處理ltT3h后，取出一部分經脫氣處理后的液體硅橡膠注入到模具外筒與成型模芯形成的模具內腔中，另一部分經脫氣處理后的液體硅橡膠備用，將注滿模具內腔的液體硅橡膠模在溫度為50°C 150°C的條件下，固化10mirTl20min，得到彈性硅橡膠包套模具，其中模具外筒外徑為110mnTl50mm，壁厚為20mnT25mm，高度為60mm 150mm,成型模芯的直徑為IOmm 50mm,高度為IOmnTlOOmm;三、彈性硅橡膠包套的制備將驟一得到的Al基非晶合金粉末裝入經步驟二制備的彈性硅橡膠模具中，Al基非晶合金粉末的初裝粉末高度為彈性硅橡膠模具內高度，然后將此彈性硅橡膠模具放入真空倉中，抽真空至壓強為I. O X KT1PaI. OXIOPa，進行除氣處理ltT3h后，將厚度為10mnTl5mm的固化彈性硅橡膠上蓋放置于彈性硅橡膠模具上部開口端，然后用步驟二中備用的經脫氣處理后得到的液體硅橡膠對彈性硅橡膠模具的上蓋進行密封，密封后在溫度為50°C 150°C的條件下，固化5mirT60min，得到彈性硅橡膠包套；四、冷靜液機械壓制成型將經步驟三得到的彈性橡膠包套裝入冷靜液機械壓制成型設備中，加載速率O. 5mm/s^5mm/s,壓制位移為初裝粉末高度的30°/Γ50%，液壓油高度高于硅橡膠包套5mnT20mm，壓制噸位為220噸力 300噸力，壓制過程中的最大液體靜壓為500MPa llOOMPa，最大軸向壓力為2500MPa 3300MPa，壓制溫度為20°C 24°C，得到大尺寸鋁基非晶合金成形件。本發明包括以下優點I、本發明方法工藝簡單，粉末原材料利用率高、不需加熱節約能源、成本低；2、所制備的塊體鋁基材料組織結構為非晶結構，因而具有優異的力學性能；3、本發明方法可制備大尺寸鋁基非晶合金成形件；4、本發明方法制備大尺寸鋁基非晶合金成形件組織均一，致密度達99%以上。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中Al基非晶合金粉末，按質量比其成分為Al:Ni:Ce的值為(12 14) : (1.5^2.5) :1，其粒徑尺寸為500ηπΓ20 μ m。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中Al基非晶合金粉末，按質量比其成分為Al:Ni:Ce的值為13:2:1，其粒徑尺寸為1μπΓ 5μπι。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟二中抽真空至壓強為O. 5Pa 5Pa，進行脫氣處理I. 5tT2. 5h。其它步驟及參數與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟二中將注滿模具內腔的液體硅橡膠模在溫度為80°C 120°C的條件下，固化30mirT90min。其它步驟及參數與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟二中將注滿模具內腔的液體硅橡膠模在溫度為100°c的條件下，固化60min。其它步驟及參數與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是步驟三中密封后在溫度為80°C 100°C的條件下，固化10mirT50min。其它步驟及參數與具體實施方式
一至六之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟三中密封后在溫度為90°C的條件下，固化30min。其它步驟及參數與具體實施方式
一至七之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟四中加載速率為lmm/slmm/s，壓制位移為初裝粉末高度的35°/Γ45%，液壓油高度高于硅橡膠包套8mm 15mm，壓制噸位為240噸力 280噸力，壓制過程中的最大液體靜壓為600MPa lOOOMPa，最大軸向壓力為2700MPa 3100Mpa。其它步驟及參數與具體實施方式
一至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟四中加載速率為2. 5mm/s，壓制位移為初裝粉末高度的40%，液壓油高度高于硅橡膠包套10mm，壓制噸位為260噸力，壓制過程中的最大液體靜壓為800MPa，最大軸向壓力為2900MPa。其它步驟及參數與具體實施方式
一至八之一相同。為了驗證本發明的有益效果，進行了以下實驗實驗一一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法按以下步驟進行一、鋁基非晶合金粉末的制備采用Ar氣霧化方法制備Al基非晶合金粉末，按質量比其成分為Al:Ni:Ce的值為13:2:1，其粒徑尺寸為1μπΓ 5μπι;二、彈性硅橡膠模具的制備制備彈性硅橡膠模具的設備如圖I所示，圖中I為上蓋，2為模具外筒，3為成型模芯，4為模具內腔，5為下蓋，6為導流孔。將國產的液體硅橡膠(熱硫化型HTV)放入真空倉中，抽真空至壓強為IPa，進行脫氣處理2h后，取出一部分經脫氣處理后的液體硅橡膠注入到模具外筒與成型模芯形成的模具內腔4中，另一部分經脫氣處理后的液體硅橡膠備用，將注滿模具內腔4的液體硅橡膠模在溫度為100°C的條件下，固化120min，得到彈性硅橡膠包套模具，其中模具外筒外徑為90mm，壁厚為20mm，高度為115mm,成型模芯3的形狀為圓柱形,其直徑為30mm,高度為50mm,模具外筒與成型模芯為不銹鋼，上蓋和下蓋為不銹鋼或45號鋼；三、彈性硅橡膠包套的制備將驟一得到的Al基非晶合金粉末裝入經步驟二制備的彈性硅橡膠模具中，Al基非晶合金粉末的初裝粉末高度為彈性硅橡膠模具內高度，然后將此彈性硅橡膠模具放入真空倉中，抽真空至壓強為5Pa，進行除氣處理I. 5h后，將厚度為15mm的固化彈性硅橡膠上蓋給彈性硅橡膠模具蓋上，然后用步驟二中備用的經脫氣處理后得到的液體硅橡膠對彈性硅橡膠模具的上蓋進行密封，密封后在溫度為100°C的條件下，固化30min，得到彈性硅橡膠包套，圖2為制備彈性硅橡包套的裝置示意圖，圖中I為液體硅橡膠，2為真空倉，3為電阻絲，4為Al基非晶合金粉末，5為彈性硅橡包套的上蓋，6為進氣管，7為排氣管；四、冷靜液機械壓制成型將經步驟三得到的彈性橡膠包套裝入冷靜液機械壓制成型設備中，加載速率O. 5mm/s，壓制位移為初裝粉末高度的50%，即25mm，液壓油高度高于硅橡膠包套15mm，壓制噸位為300噸力，壓制過程中的最大液體靜壓為800MPa，最大軸向壓力為2900MPa，壓制溫度為22°C，得到大尺寸圓柱形鋁基非晶合金成形件，其中冷靜液機械壓制成型設備為專利號是ZL200910217461. 3的專利所公開的冷靜液機械壓制成型設備，冷靜液機械壓制成型設備與彈性硅橡包套之間加2個聚氨酯墊環，圖3為大尺寸圓柱形鋁基非晶合金成形件的照片。圓柱形鋁基非晶合金成形件的室溫壓縮力學性能的測試是按照以下步驟進行的采用電火花切割方法從塊體材料中得到直徑3mm，高度6mm的測試試樣，應變速率為2X10-4S-1。保證測試試樣上下兩平面平行的條件下對上下兩平面進行研磨與拋光。圖4為實驗一中制備的圓柱形鋁基非晶合金成形件的室溫壓縮應力-應變曲線，從圖4可知，實驗一得到的圓柱形鋁基非晶合金成形件具有高強度，其壓縮斷裂強度可以達到I. IGPa0實驗二 一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法按以下步驟進行—、鋁基非晶合金粉末的制備采用Ar氣霧化方法制備Al基非晶合金粉末，按質量比其成分為Al:Ni:Ce的值為13:2:1，其粒徑尺寸為1μπΓ 5μπι;二、彈性硅橡膠模具的制備制備彈性硅橡膠模具的設備如圖I所示，圖中I為上蓋，2為模具外筒，3為成型模芯，4為模具內腔，5為下蓋，6為導流孔。將國產的液體硅橡膠(熱硫化型HTV)放入真空倉中，抽真空至壓強為IPa，進行脫氣處理2h后，取出一部分經 脫氣處理后的液體硅橡膠注入到模具外筒與成型模芯形成的模具內腔4中，另一部分經脫氣處理后的液體硅橡膠備用，將注滿模具內腔4的液體硅橡膠模在溫度為100°C的條件下，固化120min，得到彈性硅橡膠包套模具，其中模具外筒外徑為55mm，壁厚為20mm，高度為65mm，成型模芯3的形狀為齒輪形，設計模數為1，齒數為10，壓力角為20度，高度為16mm，模具外筒與成型模芯為不銹鋼，上蓋和下蓋為不銹鋼或45號鋼；三、彈性硅橡膠包套的制備將驟一得到的Al基非晶合金粉末裝入經步驟二制備的彈性硅橡膠模具中，Al基非晶合金粉末的初裝粉末高度為彈性硅橡膠模具內高度，然后將此彈性硅橡膠模具放入真空倉中，抽真空至壓強為5Pa，進行除氣處理I. 5h后，將厚度為15mm的固化彈性硅橡膠上蓋給彈性硅橡膠模具蓋上，然后用步驟二中備用的經脫氣處理后得到的液體硅橡膠對彈性硅橡膠模具的上蓋進行密封，密封后在溫度為100°C的條件下，固化30min,得到彈性娃橡膠包套；四、冷靜液機械壓制成型將經步驟三得到的彈性橡膠包套裝入冷靜液機械壓制成型設備中，加載速率2mm/s，壓制位移為8mm，液壓油高度高于硅橡膠包套5mm，壓制噸位為270噸力，壓制過程中的最大液體靜壓為720MPa，最大軸向壓力為2870MPa，壓制溫度為22°C，得到大尺寸齒輪形鋁基非晶合金成形件，其中冷靜液機械壓制成型設備為專利號是ZL200910217461. 3的專利所公開的冷靜液機械壓制成型設備，冷靜液機械壓制成型設備與彈性硅橡包套之間加2個聚氨酯墊環，圖5為大尺寸齒輪形鋁基非晶合金成形件的照片。
權利要求
1.一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法，其特征在于它是通過以下步驟實現的 一、鋁基非晶合金粉末的制備采用Ar氣霧化方法制備Al基非晶合金粉末，按質量比其成分為Al:Ni:Ce的值為(10 15) : (I 3) :1，其粒徑尺寸為300nm"30 u m ； 二、彈性硅橡膠模具的制備將液體硅橡膠放入真空倉中，抽真空至壓強為I.O X KT1PaI. O X lOPa，進行脫氣處理Ihlh后，取出一部分經脫氣處理后的液體硅橡膠注入到模具外筒與成型模芯形成的模具內腔中，另一部分經脫氣處理后的液體硅橡膠備用，將注滿模具內腔的液體硅橡膠模在溫度為50°C 150°C的條件下，固化10mirTl20min，得到彈性硅橡膠包套模具，其中模具外筒外徑為110mnTl50mm，壁厚為20mnT25mm，高度為60mm 150mm,成型模芯的直徑為IOmm 50mm,高度為10mm 100mm ; 三、彈性硅橡膠包套的制備將驟一得到的Al基非晶合金粉末裝入經步驟二制備的彈性硅橡膠模具中，Al基非晶合金粉末的初裝粉末高度為彈性硅橡膠模具內高度，然后將此彈性硅橡膠模具放入真空倉中，抽真空至壓強為I. OX KT1PaI. OX 10Pa，進行除氣處理Ihlh后，將厚度為10mnTl5mm的固化彈性硅橡膠上蓋放置于彈性硅橡膠模具上部開口端，然后用步驟二中備用的經脫氣處理后得到的液體硅橡膠對彈性硅橡膠模具的上蓋進行密封，密封后在溫度為50°C 150°C的條件下，固化5mirT60min，得到彈性硅橡膠包套； 四、冷靜液機械壓制成型將經步驟三得到的彈性橡膠包套裝入冷靜液機械壓制成型設備中，加載速率0. 5mm/jT5mm/S，壓制位移為初裝粉末高度的30% 50%，液壓油高度高于硅橡膠包套5mnT20mm，壓制噸位為220噸力 300噸力，壓制過程中的最大液體靜壓為500MPa llOOMPa，最大軸向壓力為2500MPa 3300MPa，壓制溫度為20°C 24°C，得到大尺寸鋁基非晶合金成形件。
2.如權利要求I所述的一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法，其特征在于步驟一中Al基非晶合金粉末，按質量比其成分為A1 :Ni :Ce的值為(12 14): (I. 5^2. 5):1,其粒徑尺寸為500nnT20 u m。
3.如權利要求I所述的一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法，其特征在于步驟一中Al基非晶合金粉末，按質量比其成分為Al:Ni:Ce的值為13:2:1，其粒徑尺寸為I u m 15 u m0
4.如權利要求I至3中任一項所述的一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法，其特征在于步驟二中抽真空至壓強為0. 5Pa 5Pa，進行脫氣處理I. 5h 2. 5h。
5.如權利要求4所述的一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法，其特征在于步驟二中將注滿模具內腔的液體硅橡膠模在溫度為80°C 120°C的條件下，固化30min 90mino
6.如權利要求4所述的一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法，其特征在于步驟二中將注滿模具內腔的液體硅橡膠模在溫度為100°c的條件下，固化60min。
7.如權利要求6所述的一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法，其特征在于步驟三中密封后在溫度為80°C 100°C的條件下，固化10mirT50min。
8.如權利要求6所述的一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法，其特征在于步驟三中密封后在溫度為90°C的條件下，固化30min。
9.如權利要求7所述的一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法，其特征在于步驟四中加載速率為lmm/s 4mm/S，壓制位移為初裝粉末高度的35% 45%，液壓油高度高于娃橡膠包套8mm 15mm,壓制噸位為240噸力 280噸力，壓制過程中的最大液體靜壓為600MPa lOOOMPa，最大軸向壓力為 2700MPa 3100Mpa。
10.如權利要求7所述的一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法，其特征在于步驟四中加載速率為2. 5mm/s，壓制位移為初裝粉末高度的40%，液壓油高度高于硅橡膠包套10mm，壓制噸位為260噸力，壓制過程中的最大液體靜壓為800MPa，最大軸向壓力為·2900MPa。
全文摘要
一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法，它涉及冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法，本發明要解決現有傳統非晶合金材料的制備方法難以制備出大尺寸、高性能的鋁基非晶合金成形件的問題。本發明中一種冷態制備大尺寸鋁基非晶合金成形件的方法按以下步驟進行一、鋁基非晶合金粉末的制備；二、彈性硅橡膠模具的制備；三、彈性硅橡膠包套的制備；四、冷靜液機械壓制成型。采用本發明方法制備的大尺寸鋁基非晶合金成形件組織均一，力學性能優異，致密度達99%以上。本發明可應用于冷態制備大尺寸非晶合金或非晶與晶態復合合金成形件的工程領域。
文檔編號C22C1/04GK102978540SQ201210543548
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者沈軍, 王東君, 魏先順 申請人:哈爾濱工業大學