[发明专利]一种3D金属骨架增强的非晶复合材料及压铸制备方法

说明书

本发明公开了一种3D金属骨架增强的非晶复合材料及压铸制备方法。该复合材料主要由锆基非晶合金和3D打印金属骨架组成。该复合材料的制备主要包括如下步骤：制备3D金属骨架；熔炼非晶母合金；熔体压铸填充；压力场耦合凝固成型。该方法利用真空高压压铸工艺高速充型高压凝固的特点，在非晶合金基体中加入3D打印的金属骨架，通过金属骨架对剪切带扩展的高效抑制作用，促使剪切带增殖萌生，降低非均匀变形的局域化程度，以提高非晶复合材料的塑性。进一步，可通过控制3D骨架单胞结构、体积分数等参数，达到控制非晶复合材料的总体性能的目的。本发明为非晶复合材料的制备提供了一种新的方法，可促进压铸非晶合金的更广泛应用。

技术领域

本发明涉及非晶复合材料制备领域，具体地，涉及一种3D金属骨架增强的非晶复合材料及压铸制备方法。

背景技术

非晶合金是指金属熔体在超激冷的条件下冷却，原子来不及有序排列，得到的一种没有晶粒、晶界的新型金属结构材料，也被称为“金属玻璃”或者“液态金属”。非晶合金具有高强度、高硬度、高表面光洁度、高耐腐蚀性等特点，被认为是21世纪最具有革命性新的材料之一，在军工航空、电子器件、体育器材、生物医疗等前沿领域有光明的应用前景。

然而因为非晶合金具有和传统金属所不同的全程无序的原子结构特征，其塑性变形机制也和传统金属材料有所不同，当非晶合金发生屈服后，其塑性变形主要集中在数量有限且厚度仅为几十纳米的剪切带之中，并且迅速扩展为裂纹，无法承载后续的塑性变形，容易表现出灾难性的脆性断裂，限制了非晶合金在工业化应用上的进一步发展。对此，人们一般采用添加韧性第二相的方法来抑制变形过程中剪切带的迅速扩展，促进剪切带增殖，进而提高非晶合金的塑韧性。添加第二相主要有：i原位内生析出第二相；ii外加第二相两种方式。但是，内生析出第二相的方法仅限于特定的几种非晶合金的成分并且对成型时的冷却速度要求十分严格，外加韧性第二相的方法虽然打破了非晶合金成分的苛刻限制，但是对外加第二相在非晶合金基体中分布的均匀性的问题仍然难以得到有效的控制，限制着非晶复合材料在结构材料上的广泛应用。

为了解决第二相分布的问题，在最近的几年里，人们采用在非晶合金中引入三维互穿增强相的方法，例如通过在非晶合金中引入编织网以提高非晶合金的塑性(Plasticity improvement in a bulk metallic glass composed of an open-cell Cufoam as the skeleton.Compos Sci Technol,2013,75:49-54)。三维互穿非晶复合材料塑性和韧性的提高主要归功于三维连续增强相对剪切带扩展的有效约束。然而，现有的包括编织网在内的增强体的孔隙率、基本构型很难定量地控制，阻碍了非晶复合材料的设计及工业应用。此外，传统的成型方法，如吸铸或热塑性变形，所成型的三维互穿非晶复合材料塑性的孔隙率较高、生产效率低(Metal frame reinforced bulk metallic glassComposites.,Mater.Res.Lett.2020,8(2):60-67；Metallic glass properties,processing method and development perspective:areview.Int.J.Adv.Manuf.Technol.,2021,112:1231-1258)。因此，开发一种新的、更通用、更有效的方法来提高非晶合金的塑性具有巨大的工程和学术意义。

金属3D打印在制备零件的结构设计方面上具有高度的灵活性，逐层铺粉融化的方式可以有效地降低复杂结构零件成型的难度，同时又不降低其精度，特别适合于复杂多孔结构的定制。压铸工艺具有高速充型、高压凝固的特点，同时具有生产效率高、产品精度高等特性，适合于产品的规模化应用。如果将3D打印技术与压铸技术结合，有望克服现有技术的不足，实现具有高强韧性的非晶复合材料的制备及应用，为非晶复合材料的第二相的结构设计提供指导。

发明内容