本發明涉及非晶合金技術領域，具體涉及一種非晶合金或其復合材料的連續精密成形設備和工藝。
背景技術：
非晶態合金及其復合材料由于其獨特結構特征，使其具有諸多晶態材料所不具備的優異性能，如高比強度、高耐磨性、高耐腐蝕性、獨特的變形特性等。在航天材料、國防工業、消費電子等領域具有廣闊應用前景。目前，非晶態合金及其復合材料的制備技術主要包括兩種，一種是液態金屬直接凝固成為非晶態合金，典型代表是真空壓鑄成形技術，通過將合金熔體在一定壓力下充入型腔內，然后實現冷卻，即在液相線溫度實現充型和成形。該方法能夠獲得結構復雜的零件，并且快速高效、成形性好，但該方法的缺點就是產品表面容易形成氣孔，分布不規則、大小不一，產品芯部也容易產生氣孔。此外，該方法實現高真空條件很難，無法獲得高品質的產品。第二種制備方法是過冷液態區成形技術，將獲得的非晶態合金加熱到玻璃轉變溫度(Tg)和初始晶化溫度(Tx)之間，在一定壓力、一定速度下實現成形，即在較窄的溫度范圍內對非晶態合金進行變形成形。該方法首先要獲得非晶態母材，因而制備工藝復雜，效率低下，溫度控制和變形時間要求較苛刻，否則產品容易產生晶化，最終性能惡化，無法滿足產品的使用要求。本發明綜合上述兩種成形工藝，在合金熔體凝固過程中，實現過冷液態區的加工成形，獲得高質量產品，從而實現低成本高效率的制備技術。
技術實現要素：
為了克服現有技術的不足之處，本發明的目的在于提供一種非晶合金或其復合材料的連續精密成形設備和工藝，該工藝是采用特定設備在非晶態合金或者其復合材料熔體凝固過程中的過冷液態區溫度區間對其進行連續的低壓力精密成形，工藝流程短、生產效率高、節約成本、產品質量好。
為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：
一種非晶合金或其復合材料的連續精密成形設備，該成形設備包括真空腔體、給料倉、合金熔煉系統、成形系統和工件臺；所述真空腔體能夠根據工藝需要抽真空或充入保護氣體；所述給料倉用于向合金熔煉系統提供合金原料；所述合金熔煉系統包括加熱裝置和熔化平臺；加熱裝置用于將合金原料熔化為合金熔體，合金熔體置于熔化平臺中；
所述成形系統包括加載桿和成形模具，成形模具設于加載桿的下端；所述熔化平臺為多個，設于工件臺的上表面；所述工件臺安裝于真空腔體的底部，工件臺的底部中心位置安裝旋轉桿，該旋轉桿能夠旋轉并帶動工件臺以其為中心進行轉動；
所述多個熔化平臺到工件臺中心旋轉桿的距離相等，相鄰兩個熔化平臺之間的距離相等；該設置使得帶有合金熔體的熔化平臺能夠旋轉桿帶動下旋轉到成形模具的正下方，熔化平臺從熔化位置旋轉到成形模具正下方的時候，合金熔體的溫度處于合金的過冷液態區溫度范圍，然后加載桿驅動成形模具對合金進行壓制成形。
所述合金熔煉系統中，加熱裝置采用感應線圈或電弧加熱裝置；當采用感應線圈加熱時，在給料倉的下方設置熔煉坩堝，感應線圈位于坩堝外側對其加熱，熔化平臺能夠旋轉到達坩堝正下方。當采用電弧加熱裝置加熱時，采用機械手將給料倉中的合金原料放置于熔化平臺中，電弧加熱裝置位于熔化平臺的正上方。
所述熔煉坩堝為石英、陶瓷坩堝(氧化鋁等)或者水冷銅坩堝，坩堝底部設置擋板，當合金熔煉結束后，將擋板抽開，使得合金熔體能夠流到熔化平臺上。
該設備中，壓制成形后的非晶合金或其復合材料通過取樣器從真空腔體中取出。
該設備中，所述熔化平臺的材質要保證不與母合金反應，不影響母合金的加熱熔化行為和隨后的凝固、成形過程。
利用所述設備進行非晶合金或其復合材料的連續精密成形工藝，過程如下：
當加熱熔化方式為感應加熱時，其工藝過程為：抽取真空，達到要求真空條件后，將所需形狀和質量的母合金裝入給料倉，進一步進給到熔煉坩堝中，將母合金加熱熔化后，停止加熱，打開底部擋板，合金熔體流到熔化平臺上，帶有合金熔體的熔化平臺旋轉到成形模具正下方位置，在旋轉過程中自由冷卻，當合金熔體冷卻到玻璃轉變溫度和液相線溫度之間的過冷液態區范圍時，采用成形模具對該狀態的合金進行壓制成形，同時對該狀態合金進行快速冷卻，最終獲得所述非晶態合金或者非晶復合材料構件；
當加熱熔化方式為電弧加熱時，其工藝過程為：抽取真空，達到要求真空條件后，將所需形狀和質量的母合金裝入給料倉，進一步進給到熔煉平臺上，利用電極將母合金加熱熔化后，停止加熱，帶有合金熔體的熔化平臺旋轉到成形模具正下方位置，在旋轉過程中自由冷卻，當合金熔體冷卻到玻璃轉變溫度和液相線溫度之間的過冷液態區范圍時，采用成形模具對該狀態的合金進行壓制成形，同時對該狀態合金進行快速冷卻，最終獲得所述非晶態合金或者非晶復合材料構件。
所述真空條件是指真空度為1×10-1～1×10-4Pa范圍之間；所述母合金采用熔煉或澆鑄方式制備；母合金的形狀為棒狀、板狀、片狀和/或球狀規則形狀；母合金的形狀和質量依據所需制備的非晶構件的形狀和尺寸確定。
所述快速冷卻的冷卻速率為10-2～102K/min；通過低溫的成形模具和/或具有致冷功能的熔化平臺，合金實現快速冷卻，獲得純非晶或者非晶復合材料結構。
該工藝中，加熱和成形過程能夠同時進行，依據加熱熔化和成形所需的時間長短，確定熔化平臺和成形模具的平移速度，實現連續進樣、熔化和成形，實現非晶合金或者復合材料的連續成形。
本發明具有以下優點：
1、本發明是將母合金熔化后，再在非晶態合金熔體凝固過程中的溫度區間，即液相線(Tl)到玻璃轉變(Tg)溫度范圍內，對該狀態下合金進行低壓力精密成形。該技術采用特定結構的設備并充分利用了該成形溫度區間合金熔體凝固形成的光滑自由表面、良好的變形特性和低凝固收縮系數等特點，所獲得非晶合金構件尺寸精度高、表面光潔度好、構件內部致密、無縮孔等缺陷。
2、本發明可以實現連續給料、熔化和成形，自動化程度高，可以實現工業化生產。
3、本發明工藝流程短、生產效率高、節約成本、產品質量好。
4、本發明成形方法適用于所有非晶合金體系構件的制備，如：Zr基非晶合金、Ti基非晶合金、Fe基非晶合金、Ni基非晶合金、Al基非晶合金、Mg基非晶合金、Pd基非晶合金、Ag基非晶合金、Au基非晶合金、Hf基非晶合金、Ca基非晶合金、Pt基非晶合金、Cu基非晶合金、Co基非晶合金和稀土基非晶合金。還可應用于非晶基復合材料。
附圖說明
圖1為本發明非晶合金或其復合材料連續精密成形設備示意圖；其中：(a)實施例1感應熔煉；(b)實施例2電弧熔煉。
圖中：1-旋轉桿、2-工件臺、3-真空腔體、4-擋板、5-感應線圈、6-給料倉、7-加載桿、8-取樣器、9-模具、10-成形樣品、11-坩堝，12-熔融合金，13-給樣機械手；14-電極。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明中所涉及的技術方法進行詳細描述，但是應當理解本發明的保護范圍并不受具體實施方式的限制。
本發明為非晶合金或其復合材料的連續精密成形設備和工藝，所述成形設備的結構如圖1所示，該設備包括真空腔體3、給料倉6、合金熔煉系統、成形系統和工件臺2；所述真空腔體3根據工藝需要抽真空或充入保護氣體；所述給料倉6用于向合金熔煉系統提供合金原料；所述合金熔煉系統包括加熱裝置和熔化平臺；加熱裝置用于將合金原料加熱為合金熔體，熔融合金12置于熔化平臺中；所述成形系統包括加載桿7和成形模具9，成形模具9設于加載桿7的下端；所述熔化平臺為多個，設于工件臺2的上表面；所述工件臺2安裝于真空腔體3的底部，工件臺2的底部中心位置安裝旋轉桿1，該旋轉桿1能夠旋轉并帶動工件臺2以其為中心進行轉動；所述多個熔化平臺到工件臺中心旋轉桿1的距離相等，相鄰兩個熔化平臺之間的距離相等；該設置使得帶有合金熔體的熔化平臺能夠在旋轉桿1帶動下旋轉到成形模具9的正下方，加載桿7驅動成形模具9對合金進行壓制成形，得到成形樣品10。
所述合金熔煉系統中，加熱裝置采用感應線圈或電弧加熱裝置；當采用感應線圈加熱時，在給料倉6的下方設置熔煉坩堝11，感應線圈5置于坩堝11外側對其加熱，熔化平臺旋轉到達坩堝正下方；當合金熔化完成后，打開所述熔煉坩堝底部擋板4，合金熔體流入熔化平臺。當采用電弧加熱裝置加熱時，采用給料機械手13將給料倉6中的合金原料放置于熔化平臺中，電弧加熱裝置位于帶有合金原料的熔化平臺的正上方。
該設備中，熔化平臺既用于裝載合金熔體，又用于與模具配合對合金壓制成成形，通過旋轉桿帶動工件臺旋轉，能夠實現連續進樣和成形；壓制成形后的成形樣品10(非晶合金或其復合材料)通過取樣器8從真空腔體中取出。
該設備中，所述熔化平臺的材質要保證不與母合金反應，不影響母合金的加熱熔化行為和隨后的凝固、成形過程。
成形工藝為：
當加熱熔化方式為感應加熱時，其工藝過程為：抽取真空，達到要求真空條件后，將所需形狀和質量的母合金裝入給料倉，進一步進給到熔煉坩堝中，將母合金加熱熔化后，停止加熱，打開底部擋板，合金熔體流到熔化平臺上，帶有合金熔體的熔化平臺旋轉到成形模具正下方位置，在旋轉過程中自由冷卻，當合金熔體冷卻到玻璃轉變溫度和液相線溫度之間的過冷液態區范圍時，采用成形模具對該狀態的合金進行壓制成形，同時對該狀態合金進行快速冷卻，最終獲得所述非晶態合金或者非晶復合材料構件。
當加熱熔化方式為電弧時，其工藝過程為：抽取真空，達到要求真空條件后，將所需形狀和質量的母合金裝入給料倉，進一步進給到熔煉平臺上，利用電極將母合金加熱熔化后，停止加熱，帶有合金熔體的熔化平臺旋轉到成形模具正下方位置，在旋轉過程中自由冷卻，當合金熔體冷卻到玻璃轉變溫度和液相線溫度之間的過冷液態區范圍時，采用成形模具對該狀態的合金進行壓制成形，同時對該狀態合金進行快速冷卻，最終獲得所述非晶態合金或者非晶復合材料構件。
加熱和成形過程可以同時進行，依據加熱熔化和成形所需的時間長短，確定熔化平臺平移速度，實現連續進樣、熔化和成形，有機的協調成形過程中的加熱、降溫、凝固和成形過程，實現了非晶合金的連續成形。
所述母合金采用熔煉或澆鑄方式制備；母合金的形狀為棒狀、板狀、片狀和/或球狀規則形狀。
所述熔化平臺的材質要保證不與母合金反應，不影響母合金的加熱熔化行為和隨后的凝固、成形過程。
對母合金的加熱方式為電弧加熱、感應加熱、電阻加熱、激光加熱、等離子體加熱、紅外加熱或微波加熱。
通過低溫的成形模具和/或具有致冷功能的熔化平臺實現合金快速冷卻，獲得純非晶或者非晶復合材料結構。
實施例1
如圖1(a)所示，本實施例設備設有給料倉6，實現連續給料，將真空腔體3抽至所需真空度(1×10-1～1×10-4Pa)，將母合金送入感應線圈5中的坩堝11中，在真空條件下(或者氬氣氣氛保護條件下)通過感應線圈5將母合金加熱熔化，獲得熔融合金12，隨后停止加熱，旋轉桿1轉動帶動工件臺2，將其轉到模具9下方，自由冷卻，待合金熔體冷卻到玻璃轉變溫度(Tg)和液相線溫度(Tl)之間的時候，通過加載桿7下端的成形模具9對該狀態的合金進行壓制成形，實現合金的冷卻成形(冷卻速率為10-2～102K/min)，獲得成形樣品10，利用取樣器8將樣品取出。在上述過程中，當熔融合金12轉至模具9下方的同時，工件臺上另一熔化平臺的位置也旋轉到了坩堝正下方的位置，該位置同樣重復上述熔化——旋轉——成形的過程。
實施例2
如圖1(b)所示，本實施例設有給料倉6，實現連續給料，將真空腔體3抽至所需真空度(1×10-1～1×10-4Pa)，通過給料機械手13將母合金送入電弧熔煉裝置下方(即圖中電極14的下方)的熔化平臺上，通過非自耗電極14將母合金加熱熔化，獲得熔融合金12，隨后停止加熱，旋轉桿1轉動帶動工件臺2，將其轉到模具9下方，自由冷卻，待合金熔體冷卻到玻璃轉變溫度(Tg)和液相線溫度(Tl)之間的時候，通過加載桿7下端的成形模具9對該狀態的合金進行壓制成形，實現合金的冷卻成形(冷卻速率為10-2～102K/min)，獲得成形樣品10，利用取樣器8將樣品取出。在上述過程中，當熔融合金12轉至模具9下方的同時，工件臺上另一熔化平臺的位置也旋轉到了非自耗電極14正下方的位置，該位置同樣重復上述熔化——旋轉——成形等過程。