[发明专利]一种制备/成形非晶合金及其复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于非晶合金制备及成形制造领域，具体涉及一种制备/成形非晶合金及其复合材料。

背景技术

非晶合金(又称金属玻璃)是上世纪中叶发展起来的一种新型金属材料，因其具有长程无序的特殊原子结构而拥有一系列明显优于晶态材料的力学、物理和化学性能。因而在机械、能源、化工和军事等领域呈现广阔的应用前景。

然而，非晶合金作为结构材料应用不仅受其玻璃形成能力(或制备尺寸)限制，而且遭遇成形制造的瓶颈。目前，只有部分合金体系能制备出毫米及厘米尺度非晶合金，至今世界上能制备出的非晶合金最大尺寸仅为直径约80mm，大部分非晶合金体系的最大成形尺寸仍局限在厘米甚至毫米尺寸以下，这大大限制了非晶合金的工业应用范围。此外，由于非晶合金具有高强度，在室温下成形加工性能差，难以进行常规手段的机械加工。目前，非晶合金零件的制造主要采用铜模铸造成形和热塑性成形，但这两种方法难以实现大尺寸和三维复杂零件的成形制造。

如何制备/成形出非晶纯度高、无明显结构缺陷、几何结构完整的非晶合金及其复合材料是这一技术的重要关键。

文献1(Nobuyuki Nishiyama,Kana Takenaka,Haruko Miura,Noriko Saidoh,Yuqiao Zeng,Akihisa Inoue.The world's biggest glassy alloy ever made,Intermetallics,2012,30,19-24)公开了一种采用水淬的方法制备世界上直径最大的Pd_42.5Cu₃₀Ni_7.5P₂₀非晶合金。但是，该方法仅适合临界冷却速率较低(0.067 K/s)的Pd基合金，并非适合其他体系非晶合金的制备。

文献2(Jan Schroers.Processing of bulk metallic glass,Advance Material,2009,21,1–32)公开了采用铜模铸造成形和热塑性成形方法对非晶合金进行加工，但这种方法难以实现大尺寸和三维复杂零件的成形制造。

发明內容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种制备/成形非晶合金及其复合材料的方法，其可以制备/成形出尺寸较大、形状复杂、几何结构完整、无明显结构缺陷的非晶合金及其复合材料，克服目前无法制备/成形非晶纯度高、无明显结构缺陷、几何结构完整和大尺寸的三维复杂非晶合金零件的问题。

按照本发明的第一方面，提供一种制备/成形非晶合金和/或其复合材料的方法，其通过激光选区熔化制备出非晶合金或其复合材料，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：

(1)非晶合金粉末制备

根据所选非晶合金体系，将金属原料按一定的原子比进行配比，熔融均匀后采用水雾法或气体雾化法得到纯非晶合金粉末，粉末干燥后再过筛，获得所需粒径的粉末。

(2)非晶复合粉末制备

将上述纯非晶合金粉末与市售等粒径金属粉末按一定比例混合，低速球磨混合均匀后获得非晶基复合粉末。

(3)零件几何结构设计

采用三维设计软件绘制所需几何结构，保存为STL格式并导入SLM控制系统。

(4)基板安装、装粉

将金属基板固定在工作缸台面上，调整工作缸高度，使送粉棍与基板相切。将非晶合金或非晶--金属复合粉末加入送粉缸或落粉斗。

(5)气氛保护

腔体密闭后抽真空，再通入高纯Ar气。

(6)红光定位

用红光扫描模拟激光扫描路径，调整红光扫描区域基板几何范围内。

(7)激光加工

首先采用激光对基板重复扫描、预热，再铺粉、进行SLM打印成形。成形结束后，却到室温后取出。

(8)热处理

对3D打印零件进行退火处理，释放残余应力，促使微裂纹愈合，消除结构缺陷。

按照本发明的另一方面，提供一种利用上述方法制备的非晶合金和/或其复合材料。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明中，SLM技术不仅具有能量密度高，激光光斑小，熔池小(熔池约为120μm)等特点，而且冷却速率可达10⁴-10⁵K/s。对大部分非晶合金体系，这一冷却速率足以保证熔池中的合金熔体完全转变为非晶。