技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于塊體金屬玻璃制造成型技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種制備塊體金屬玻璃工件的電致塑性成型裝置和方法。

背景技術(shù)

金屬玻璃(metallic glass)又稱為非晶態(tài)合金(amorphous alloy)、非結(jié)晶金屬(non-crystalline metal)、玻璃化金屬(glassy metal)等等，因其固態(tài)時具有短程有序、長程無序的特殊結(jié)構(gòu)在許多方面具有比常規(guī)多晶合金更優(yōu)異的性能，在應(yīng)用上，大塊非晶材料的高強(qiáng)度、高耐蝕性以及優(yōu)異的電磁特性將在機(jī)械、化工、電子和生物工程等行業(yè)中呈現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。上世紀(jì)80年代末和90年代初，日本東北大學(xué)的Inoue研究小組首先報道了一些多組元合金系在適當(dāng)?shù)某煞址秶鷥?nèi)表現(xiàn)出很強(qiáng)的非晶形成能力，非晶形成的臨界冷卻速率可降至100K/s以下，因此通過簡單的熔體水淬或銅模鑄造制備出了厘米級的塊體金屬玻璃，而傳統(tǒng)的非晶合金由于需要超過106K/s的極高的臨界冷卻速度只能制備厚度或直徑不超過50μm的粉末、條帶、細(xì)絲或薄膜。目前已開發(fā)出的大塊非晶合金體系有La基、Mg基、Zr基、Fe基、Pd基、Ti基、Ni基、Cu基、Ce基等十余種多組元體系，最低臨界冷卻速率已降至0.1K/s，最大塊體金屬玻璃直徑已超過100mm。

塊體金屬玻璃現(xiàn)有的生產(chǎn)方法主要有熔體水淬法、電弧熔化銅模鑄造法、高壓鑄造法和粉末燒結(jié)等。其中水淬法是將熔融態(tài)合金淬水冷卻后制得塊體金屬玻璃，由于冷卻介質(zhì)原因，不能形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜件；銅模鑄造法和高壓鑄造法均采用金屬模具冷卻，可以制備出棒狀、板狀和一些結(jié)構(gòu)比較簡單的塊體金屬玻璃鑄件，但由于金屬玻璃需要一定的冷卻速率，所以金屬模具材料的選擇受到一定的限制，以致于許多具有復(fù)雜形狀工件的模具很難被加工制造出來。粉末燒結(jié)法很難制得高密度胚料，一般只有理論密度的90-95％，而且?guī)в休^多的孔隙，使其機(jī)械性能降低。這些工藝所制備出來的產(chǎn)品都存在一定的局限性或不足，需要特殊的設(shè)備成本很高，不能生產(chǎn)形狀復(fù)雜度比較高的產(chǎn)品，不適合工業(yè)生產(chǎn)。

塊體金屬玻璃材料自身存在室溫脆性，在室溫下沒有塑性變形，變形量小于2％，施加外力時超過屈服強(qiáng)度容易斷裂，機(jī)械加工性能較差，無法通過常規(guī)的加工工藝獲得精密復(fù)雜形狀的工件。比如拉伸成形是形成彎曲形狀金屬工件的眾所周知工藝，然而在室溫或遠(yuǎn)低于塊體金屬玻璃超塑性變形溫度(即玻璃轉(zhuǎn)變溫度也是軟化溫度，一般大于400℃)下對塊體金屬玻璃進(jìn)行拉伸或彎曲成形幾乎是非常困難的。

綜上所述，由于塊體金屬玻璃材料自身存在室溫脆性，采用現(xiàn)有加工方法難以生產(chǎn)得到形狀復(fù)雜度較高且力學(xué)性質(zhì)均勻的產(chǎn)品，從而制約了塊體金屬玻璃材料在實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域中廣闊的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種塊體金屬玻璃電致塑性成型裝置和方法，其目的在于通過控制塊體金屬玻璃的溫度條件進(jìn)行電致塑性加工成型，由此解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的塊狀金屬玻璃復(fù)雜產(chǎn)品難以加工且力學(xué)性能不均勻的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一方面，提供了一種塊體金屬玻璃電致塑性加工成形方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)制備塊體金屬玻璃胚料，保證其橫截面均勻；

(2)將由(1)制得的塊體金屬玻璃胚料置于兩夾具之間貼合夾緊并在其兩端連接脈沖電流源；

(3)設(shè)置脈沖電流參數(shù)：幅值電流密度為100-5000A/mm²，脈沖寬度為10-1000μs，脈沖頻率為30-5000Hz，啟動脈沖電流源，脈沖電流從脈沖電流源正極出發(fā)依次流經(jīng)第一電極夾和第一夾具后，均勻通過塊體金屬玻璃胚料橫截面再流經(jīng)第二夾具、第二電極夾回到脈沖電流源負(fù)極，以構(gòu)成完整的通電回路；通電時，均勻通過金屬玻璃胚料橫截面的脈沖電流產(chǎn)生的焦耳熱量使得金屬玻璃胚料升溫；

(4)以步驟(3)所述的方式使得塊體金屬玻璃胚料溫度持續(xù)升溫并且使得升溫的上限始終處于所述玻璃金屬胚料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下，在此成型溫度狀態(tài)下經(jīng)由致動控制器控制致動器運(yùn)動，并依次通過與致動器相連的電極夾和夾具施加成型所需的機(jī)械力至金屬玻璃胚料上；

根據(jù)不同的塊體金屬玻璃材料選擇不同的一定溫度，通過控制脈沖電流參數(shù)和致動器運(yùn)動，可以精確控制塊體金屬玻璃胚料成型所需的一定溫度值及成型所需的機(jī)械力，成型過程中致動器施加的機(jī)械成型力和位移速度的選擇應(yīng)確保塊體金屬玻璃胚料整體均勻變形，避免出現(xiàn)“頸縮”等局域形變現(xiàn)象。

(5)金屬玻璃胚料在機(jī)械力作用下成型后，關(guān)閉脈沖電流源，釋放致動器施加在玻璃金屬坯料上的機(jī)械力，冷卻至室溫得到塊體金屬玻璃工件。