[发明专利]一种放电等离子烧结制备大块非晶合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及非晶合金的制备技术领域，尤其涉及一种放电等离子烧结制备大块非晶合金的方法。

背景技术

非晶合金是一种长程无序短程有序的非平衡亚稳金属材料。因而没有传统晶体材料内的晶粒、晶界、位错等缺陷，它宏观均匀、各向同性，但结构和成分具有微观不均匀性，结构最小特征可以达到原子量级。特殊的原子级结构使其具有高的硬度、耐磨性，接近理论极限的屈服强度(最高达6GPa)，低的机械阻尼、弹性模量和高的回弹性(可达2％)。很小的塑性变形却具有极高的断裂韧性和冲击韧性，因其独特的形变和断裂行为，块体非晶合金是迄今为止发现的最强、最硬、最软(过冷液相温区超塑性)、最韧、最弹的金属结构材料。

然而，由于非晶合金具有明显的弱点：室温脆性明显，难以大尺寸应用；具有亚稳性，热加工不宜超过玻璃转变温度。尽管发现了一些临界冷却速率较慢的强玻璃形成能力体系，但多数体系大块金属玻璃的非晶形成能力还较弱。因此，对于多数体系的大块金属玻璃适合以较小尺寸形态考虑应用，非晶合金工程应用的小尺寸瓶颈问题尚未得到解决。

非晶合金块体材料可以在其过冷液相温区通过粉末冶金技术制备，但加热均匀性差、较窄的过冷液相温区和大的压力限制了该方法。放电等离子烧结是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。在放电等离子烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀地自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。放电等离子烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外，在放电等离子烧结技术中，颗粒间的有效放电可产生局部高温，使颗粒表面局部熔化、表面物质剥落；高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去除表层氧化物等)和吸附的气体。因此，颗粒界面间的烧结发生在很短的时间范围内。然而，对于非晶形成能力较差的非晶合金体系，过小的过冷液相温区和高的粘滞系数使良好的界面结合与避免非晶晶化在动力学上经常出现矛盾，非晶合金粉末冶金过程中良好界面结合与非晶合金亚稳结构难以同时兼顾。

目前，有关放电等离子烧结制备块体非晶合金的报道很多，但尚未见有关低占空比工艺的报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决非晶合金粉末冶金过程中良好界面结合与非晶合金亚稳结构难以同时兼顾的技术问题，提供了一种放电等离子烧结制备大块非晶合金的方法。

放电等离子烧结设备中，脉冲占空比既直流脉冲的通-断比的调节范围围为99:1～1:9。在一定的功率下，脉冲波形的高度将随着脉冲占空比的减小而增加，随之瞬时功率将增加。这种集中在颗粒界面微区的瞬时高能量有助于烧结颈部的形成。并且形成一个有利于非晶合金组织与性能的微观加热冷却条件。基于放电等离子烧结技术，通过降低脉冲占空比(降低直流脉冲的通-断比例)，来制备非晶合金块体材料。利用本发明制备工艺，可使微区瞬时能量提高、冷却时间增长，同时依赖于加热速率的玻璃转变温度和晶化温度也随之增加，从而制备界面结合强度高，致密度高，非晶特性保持良好的大块体非晶合金。

本发明包括以下步骤：

1)脉冲占空比的选择

在放电等离子烧结中，脉冲占空比的设置范围从99:1～1:9。尽可能小的脉冲占空比有利于局域微区瞬时大功率的产生，并且冷却时间相对较长。这有利于实现界面结合与维持非晶亚稳特性的同时获得。所述的脉冲占空比为直流脉冲的通-断比。

2)脉冲波形的测量

借助样品上下端面电压实时在线精密监测装置，获得组装体实时电压变化与烧结组装进程的关系。为了更好的测量粉体两端的脉冲信号，除与粉体接触的部分外，其他与模具接触的地方均覆盖起绝缘作用的氮化硼。

3)放电等离子烧结致密化

采用放电等离子烧结方法，在适宜的小占空比条件下进行粉末冷压坯的致密化烧结成形，烧结过程在实现高强度烧结的同时达到致密化且不发生晶化。

本发明的有益效果

本发明基于放电等离子烧结技术，通过降低脉冲占空比(降低直流脉冲的通-断比例)，来制备非晶合金块体。利用本发明制备工艺，可使微区瞬时能量提高、冷却时间增长，同时由于动力学原因，依赖于加热速率的玻璃转变温度和晶化温度也随之增加，从而制备界面结合强度高，致密度高，非晶特性保持良好的大块体非晶合金。

附图说明

图1是放电等离子烧结脉冲信号测试原理示意图。