[發明專利]一種放電等離子燒結制備大塊非晶合金的方法

在審

• 申請號: 201510411840.1
• 申請日: 2015-07-14
• 公開（公告）號: CN105039761A
• 公開（公告）日: 2015-11-11
• 發明（設計）人: 趙占奎;孫悅庭;王明罡;李好峰
• 申請（專利權）人: 長春工業大學
• 主分類號: C22C1/04
• 分類號: C22C1/04;C22C45/02
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

技術領域

本發明涉及非晶合金的制備技術領域，尤其涉及一種放電等離子燒結制備大塊非晶合金的方法。

背景技術

非晶合金是一種長程無序短程有序的非平衡亞穩金屬材料。因而沒有傳統晶體材料內的晶粒、晶界、位錯等缺陷，它宏觀均勻、各向同性，但結構和成分具有微觀不均勻性，結構最小特征可以達到原子量級。特殊的原子級結構使其具有高的硬度、耐磨性，接近理論極限的屈服強度(最高達6GPa)，低的機械阻尼、彈性模量和高的回彈性(可達2％)。很小的塑性變形卻具有極高的斷裂韌性和沖擊韌性，因其獨特的形變和斷裂行為，塊體非晶合金是迄今為止發現的最強、最硬、最軟(過冷液相溫區超塑性)、最韌、最彈的金屬結構材料。

然而，由于非晶合金具有明顯的弱點：室溫脆性明顯，難以大尺寸應用；具有亞穩性，熱加工不宜超過玻璃轉變溫度。盡管發現了一些臨界冷卻速率較慢的強玻璃形成能力體系，但多數體系大塊金屬玻璃的非晶形成能力還較弱。因此，對于多數體系的大塊金屬玻璃適合以較小尺寸形態考慮應用，非晶合金工程應用的小尺寸瓶頸問題尚未得到解決。

非晶合金塊體材料可以在其過冷液相溫區通過粉末冶金技術制備，但加熱均勻性差、較窄的過冷液相溫區和大的壓力限制了該方法。放電等離子燒結是一種利用通-斷直流脈沖電流直接通電燒結的加壓燒結法。通-斷式直流脈沖電流的主要作用是產生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場擴散作用。在放電等離子燒結過程中，電極通入直流脈沖電流時瞬間產生的放電等離子體，使燒結體內部各個顆粒均勻地自身產生焦耳熱并使顆粒表面活化。放電等離子燒結過程可以看作是顆粒放電、導電加熱和加壓綜合作用的結果。除加熱和加壓這兩個促進燒結的因素外，在放電等離子燒結技術中，顆粒間的有效放電可產生局部高溫，使顆粒表面局部熔化、表面物質剝落；高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質(如去除表層氧化物等)和吸附的氣體。因此，顆粒界面間的燒結發生在很短的時間范圍內。然而，對于非晶形成能力較差的非晶合金體系，過小的過冷液相溫區和高的粘滯系數使良好的界面結合與避免非晶晶化在動力學上經常出現矛盾，非晶合金粉末冶金過程中良好界面結合與非晶合金亞穩結構難以同時兼顧。

目前，有關放電等離子燒結制備塊體非晶合金的報道很多，但尚未見有關低占空比工藝的報道。

發明內容

本發明的目的是為了解決非晶合金粉末冶金過程中良好界面結合與非晶合金亞穩結構難以同時兼顧的技術問題，提供了一種放電等離子燒結制備大塊非晶合金的方法。

放電等離子燒結設備中，脈沖占空比既直流脈沖的通-斷比的調節范圍圍為99:1～1:9。在一定的功率下，脈沖波形的高度將隨著脈沖占空比的減小而增加，隨之瞬時功率將增加。這種集中在顆粒界面微區的瞬時高能量有助于燒結頸部的形成。并且形成一個有利于非晶合金組織與性能的微觀加熱冷卻條件。基于放電等離子燒結技術，通過降低脈沖占空比(降低直流脈沖的通-斷比例)，來制備非晶合金塊體材料。利用本發明制備工藝，可使微區瞬時能量提高、冷卻時間增長，同時依賴于加熱速率的玻璃轉變溫度和晶化溫度也隨之增加，從而制備界面結合強度高，致密度高，非晶特性保持良好的大塊體非晶合金。

本發明包括以下步驟：

1)脈沖占空比的選擇

在放電等離子燒結中，脈沖占空比的設置范圍從99:1～1:9。盡可能小的脈沖占空比有利于局域微區瞬時大功率的產生，并且冷卻時間相對較長。這有利于實現界面結合與維持非晶亞穩特性的同時獲得。所述的脈沖占空比為直流脈沖的通-斷比。

2)脈沖波形的測量

借助樣品上下端面電壓實時在線精密監測裝置，獲得組裝體實時電壓變化與燒結組裝進程的關系。為了更好的測量粉體兩端的脈沖信號，除與粉體接觸的部分外，其他與模具接觸的地方均覆蓋起絕緣作用的氮化硼。

3)放電等離子燒結致密化

采用放電等離子燒結方法，在適宜的小占空比條件下進行粉末冷壓坯的致密化燒結成形，燒結過程在實現高強度燒結的同時達到致密化且不發生晶化。

本發明的有益效果

本發明基于放電等離子燒結技術，通過降低脈沖占空比(降低直流脈沖的通-斷比例)，來制備非晶合金塊體。利用本發明制備工藝，可使微區瞬時能量提高、冷卻時間增長，同時由于動力學原因，依賴于加熱速率的玻璃轉變溫度和晶化溫度也隨之增加，從而制備界面結合強度高，致密度高，非晶特性保持良好的大塊體非晶合金。

附圖說明

圖1是放電等離子燒結脈沖信號測試原理示意圖。