[發明專利]一種提高金屬玻璃構件室溫塑性的成型方法

有效

• 申請號: 201610099865.7
• 申請日: 2016-02-23
• 公開（公告）號: CN105970125B
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 祖方遒;張啟東;王麗芳
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C22F1/00
• 分類號: C22F1/00;C22C45/00
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明屬金屬玻璃構件制造成型技術領域，尤其涉及一種提高金屬玻璃構件室溫塑性的成型方法。

背景技術

金屬玻璃（又稱非晶合金）具有比常規對應的晶態合金材料更優異的性能，比如極高的強度（ 接近理論值）、良好的彈性性能（彈性極限約為2%）、良好的抗腐蝕性、抗輻照能力以及耐磨性能等，是一類應用范圍不斷擴大并極具潛力的新型功能材料和結構材料。然而，制約金屬玻璃材料應用范圍的瓶頸之一是其室溫塑性很低甚至無塑性變形能力。然而，金屬玻璃材料具有室溫脆性，當施加外力超過其屈服強度時容易形成裂紋導致瞬間毀滅性斷裂，留下了嚴重的安全隱患；此外，由于其較低的熱導率、較高硬度，金屬玻璃的機械加工性能較差，無法通過常規的機械加工工藝獲得精密復雜形狀的工件，從而嚴重制約了金屬玻璃材料實際的工程應用。為了扭轉這一局勢，人們做了大量實驗研究工作并提出了多種有效方法，主要分為以下兩個方面：

一方面，為了改善金屬玻璃的室溫塑性，研究者們或采取引入第二晶體相形成非晶/晶體復合材料，或通過微合金化、改變成分配比來調控合金成分，或運用預壓、冷軋及噴丸等機械變形手段向金屬玻璃材料預制微小剪切帶等方法。例如，2000 年Johnson 研究組（Physical Review Letters 84.13 (2000): 2901-2904）首先在Zr-Ti-Cu-Ni-Be非晶合金基體上原位引入了Ti-Zr-Nb晶體第二相，該晶體相不僅能阻止局域化剪切帶的快速擴展、促進更多剪切帶的產生，還能通過產生位錯的滑移參與能量耗散和塑性變形，從而提高整個材料的塑性；2007年，中科院汪衛華課題組（Science 315 (2007): 1385-1388）通過調整Zr-Cu-Al-Ni塊體非晶合金成分，引入微觀不均勻性或者說微納米尺度的軟硬區，成功制備出壓縮塑性超過150%的超塑性合金體系；2010年，M.H. Lee等人（Scripta Materialia 62.9 (2010): 678-681）對Zr₄₄Ti₁₁Cu_9.8Ni_10.2Be₂₅及 Zr₅₅Ti₅Al₁₀Cu₂₀塊體非晶進行反復冷軋，預制了大量微納米尺度剪切帶，從而獲得了較大的室溫塑性。

遺憾的是，與無序態結構有關的低熱導率及高硬度依舊存在于這些增強塑性的金屬玻璃材料中，使得它們仍然很難通過以往機加工的方式被制作成所需的工程零件，從而削弱了其實際的應用價值。

另一方面，為了獲得所期望形狀的金屬玻璃構件，人們通常采用熱塑性成型方法，即首先將金屬玻璃以一定的速率加熱到其過冷液相區，使其表現出低粘度流變行為，在一定載荷作用下，將其壓入預先設計的銅模腔中，待冷卻后得到所需形狀的金屬玻璃零件。該方法可以成型出十幾納米到厘米級尺寸、形狀各異的金屬玻璃零件，比如：Jan Schroers等人（Nature 457.7231 (2009): 868-872）成功在多孔氧化鋁薄膜上壓印出直徑約為13 nm的金屬玻璃棒，以及在預先刻蝕的硅片上制作出直徑約為300 μm的非晶齒輪；William L. Johnson等人（Scripta Materialia 60.3 (2009): 160-163）將Ф19 х 20 mm 的Zr₃₅Ti₃₀Be_27.5Cu_7.5塊體非晶棒準確地壓制成2 х 10 х 60 mm板條狀。