一種鋯基非晶合金的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非晶合金制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鋯基非晶合金的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]非晶合金具有比相同或相似成分的晶態(tài)合金更加優(yōu)異的力學(xué)性能、物理化學(xué)性能，超高的耐磨耐蝕性以及良好的加工性能等特點(diǎn)。這些優(yōu)異的性能使得非晶合金在功能材料領(lǐng)域和結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域均展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)使得非晶合金作為一種新型材料逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。
[0003]雖然非晶合金的研發(fā)目前已經(jīng)取得了相當(dāng)卓著的成就，從無到有，從小到大。但是與傳統(tǒng)金屬晶體材料相比，非晶合金的三維尺寸受到限制，只能制得很細(xì)或很薄的絲、片和粉末狀的非晶態(tài)合金，塊體非晶合金顯然是限制非晶合金應(yīng)用一大瓶頸，所以開發(fā)制備更大尺寸的非晶合金已然成為將非晶合金工業(yè)化的必經(jīng)之路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種鋯基非晶合金的制備方法，包括以下步驟:
[0005]I)、將基體材料的一端與反應(yīng)器的側(cè)壁固定相連，另一端可旋轉(zhuǎn)地懸吊于所述反應(yīng)器中，向反應(yīng)器中通入冷卻介質(zhì)，直至至少1/3所述基體材料的橫斷截面浸入所述冷卻介質(zhì)中；
[0006]2)、將鋯基混合細(xì)粉通過送粉控制裝置勻速送粉至所述基體材料的上表面，并位于激光器的激光加工頭的正下方；所述鋯基混合細(xì)粉包括質(zhì)量比為(580?585): (30?31): (100?102): (48?49)的鋯細(xì)粉、鋁細(xì)粉、鎳細(xì)粉和銅細(xì)粉；所述鋯基混合細(xì)粉的粒徑為300目?500目；
[0007]3)、打開激光器，激光加工頭與氣體保護(hù)裝置相連接，激光加工頭出光，激光逐點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)基體材料的上表面，對(duì)上表面相應(yīng)點(diǎn)及送粉裝置傳送到所述上表面相應(yīng)點(diǎn)的鋯基混合細(xì)粉進(jìn)行高溫點(diǎn)加熱，間歇關(guān)閉激光器，形成非晶點(diǎn)；
[0008]4)、勻速旋轉(zhuǎn)所述基體材料，使得已凝固的所述非晶點(diǎn)浸入冷卻介質(zhì)中進(jìn)行后冷處理；重復(fù)此步驟，在基體材料上表面形成鋯基非晶合金。
[0009]進(jìn)一步地，步驟I之前還包括:對(duì)基體材料的上表面進(jìn)行預(yù)處理的步驟，具體為:
[0010]采用噴砂機(jī)噴砂粗化處理基體材料的上表面，上得表面表面粗糙度為2.50 ym?5.0 μ m ；
[0011]用清洗溶劑清洗所述上表面，自然晾干所述上表面作為工作表面。
[0012]進(jìn)一步地，鋯基混合細(xì)粉由如下方法制備:
[0013]分別研磨鋯粉、鋁粉、鎳粉和銅粉，分別過150目?250目篩，分別得到鋯細(xì)粉、鋁細(xì)粉、鎳細(xì)粉和銅細(xì)粉；
[0014]將所述鋯細(xì)粉、鋁細(xì)粉、鎳細(xì)粉和銅細(xì)粉按照(580?585): (30?31): (100?102): (48?49)的質(zhì)量比混合均勻，過300目?500目篩。
[0015]進(jìn)一步地，步驟4)還包括:持續(xù)向所述反應(yīng)器中通入冷卻介質(zhì)，使至少1/3所述基體材料的橫斷截面始終浸入冷卻介質(zhì)中。
[0016]進(jìn)一步地，所述基體材料為碳素鋼棒。
[0017]進(jìn)一步地，所述鋯基混合細(xì)粉中，鋯細(xì)粉、鋁細(xì)粉、鎳細(xì)粉和銅細(xì)粉的質(zhì)量比為582: 30.8: 101: 48.3。
[0018]進(jìn)一步地，所述冷卻介質(zhì)為液氮；所述保護(hù)氣體為氬氣、氮?dú)饣蚝狻?br>[0019]進(jìn)一步地，步驟4)得到的鋯基非晶合金的非晶化體積分?jǐn)?shù)為60%?70%;所述鋯基非晶合金的厚度為500 μ m?1000 μ m。
[0020]進(jìn)一步地，步驟3)中，所述高溫加熱的時(shí)間為I?2s，間歇關(guān)閉時(shí)間為I?2s ;激光功率為2500W?3800W，激光束掃描速度為140mm/min?220mm/min，聚焦光斑直徑為2.8mm ?3.5mm0
[0021]進(jìn)一步地，步驟3)中，步驟4)中勾速旋轉(zhuǎn)所述基體材料的速度為30mm/s?35mm/
So
[0022]本發(fā)明利用激光能量密度高、激光快速加熱快速冷卻的特點(diǎn)，與冷卻介質(zhì)的超低溫冷卻相結(jié)合，獲得極快速的冷卻凝固速率，以使得一定比例的鋯基混合粉末快速加熱極快速冷卻，制備塊體鋯基非晶合金。本發(fā)明具有明顯的先進(jìn)性，它是以改善合金熔體的冷卻條件及提高合金熔體的冷卻速度為出發(fā)點(diǎn)，將激光高溫加熱與快速冷卻相結(jié)合，以鋯基混合粉末為原材料，采用旋轉(zhuǎn)浸液方式與激光增材制造技術(shù)相結(jié)合，提高金屬熔體的冷卻速度，以降低熔體的形核率，提高鋯基非晶的形成能力，獲得鋯基非晶合金。本發(fā)明非晶合金的形成能力高，操作簡(jiǎn)單精確，是較為理想的制備鋯基非晶合金的方法。
【附圖說明】
[0023]構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0024]圖1為本發(fā)明可采用的反應(yīng)系統(tǒng)示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例所得鋯基非晶合金的形貌；
[0026]圖3為本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例所得鋯基非晶合金的顯微硬度曲線。
[0027]1、激光加工頭；2、反應(yīng)器；3、冷卻介質(zhì)；4、碳素鋼棒；5、送粉裝置；6、送粉控制裝置；7、旋轉(zhuǎn)控制裝置；8、氣體保護(hù)裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0028]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0029]在凝固理論中認(rèn)為，在液態(tài)冷卻到固態(tài)的過程中，所有物質(zhì)只要它的冷卻速度能快到讓原子被“凍結(jié)”的程度，混亂的原子排列特征就會(huì)被保留下來。據(jù)此，本申請(qǐng)發(fā)明人考慮以提高冷卻速率為手段制備鋯基非晶合金，以獲得尺寸較大的鋯基非晶合金。
[0030]本發(fā)明提供一種鋯基非晶合金的制備方法，具體包括以下步驟:
[0031]I)、將基體材料的一端與反應(yīng)器的側(cè)壁固定相連，另一端可旋轉(zhuǎn)地懸吊于所述反應(yīng)器中，向反應(yīng)器中通入冷卻介質(zhì)，直至至少1/3所述基體材料的橫斷截面浸入所述冷卻介質(zhì)中；
[0032]2)、將鋯基混合細(xì)粉通過送粉控制裝置勻速送粉至所述基體材料的上表面，并位于的激光加工頭的正下方；所述鋯基混合細(xì)粉包括質(zhì)量比為(580?585): (30?31): (100?102): (48?49)的鋯細(xì)粉、鋁細(xì)粉、鎳細(xì)粉和銅細(xì)粉；所述鋯基混合細(xì)粉的粒徑為300目?500目；
[0033]3)、打開激光器，激光加工頭與氣體保護(hù)裝置相連接，激光加工頭出光，激光逐點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)基體材料的上表面，對(duì)上表面相應(yīng)點(diǎn)及送粉裝置傳送到所述上表面相應(yīng)點(diǎn)的鋯基混合細(xì)粉進(jìn)行高溫點(diǎn)加熱，間歇關(guān)閉激光器，形成非晶點(diǎn)；
[0034]4)、勻速旋轉(zhuǎn)所述基體材料，使得已凝固的所述非晶點(diǎn)浸入冷卻介質(zhì)中進(jìn)行后冷處理；重復(fù)此步驟，在基體材料上表面形成鋯基非晶合金。
[0035]步驟I之前還優(yōu)選包括對(duì)基體材料的上表面進(jìn)行預(yù)處理的步驟，具體為:
[0036]采用噴砂機(jī)噴砂粗化處理基體材料的上表面，上得表面表面粗糙度為2.50 μ m?5.0 μπι ;以利于其對(duì)激光的吸收及非晶熔體的附著固化；
[0037]用清洗溶劑清洗所述上表面，自然晾干所述上表面作為工作表面。上述清洗溶劑可以為濃度為99.7%的無水乙醇C2H60或丙酮CH3COCH3-。
[0038]本發(fā)明提供的制備方法中使用的基體材料優(yōu)選為碳素鋼棒。進(jìn)一步地，該棒狀碳素鋼的化學(xué)成分重量百分比組成為:c，0.12?0.20 ;Si，( 0.30 ;Μη，0.30?0.70 ;S，彡 0.045 ;P，彡 0.045 ;其余為 Fe。
[0039]本發(fā)明提供的制備方法中使用的冷卻介質(zhì)優(yōu)選為液氮。具體可以采用純度為99%的液氮，溫度為-196 °C?-186 °C。
[0040]進(jìn)一步地，步驟2)中使用的鋯基混合細(xì)粉可以由如下方法制備:
[0041]201)、分別研磨鋯粉、鋁粉、鎳粉和銅粉，分別過150目?250目篩，分別得到鋯細(xì)粉、銷細(xì)粉、鎳細(xì)粉和銅細(xì)粉；
[0042]202)、將鋯細(xì)粉、鋁細(xì)粉、鎳細(xì)粉和銅細(xì)粉按照(580?585): (30?31): (100?102): (48?49)的質(zhì)量比混合均勻，過300目?500目篩。
[0043]上述研磨具體可以為采用球磨機(jī)進(jìn)行研磨。更優(yōu)選的，還可以包括將過300目?500目篩后的混合細(xì)粉進(jìn)行干燥的步驟。干燥的可以除去鋯基混合細(xì)粉中的水汽。干燥溫度可以為90?130°C，干燥時(shí)間可以為200?280min。上述鋯基混合粉末中Zr、Al、Ni和Cu質(zhì)量比例優(yōu)選為1:1:1: 1，進(jìn)一步地，上述鋯基混合細(xì)粉中，鋯細(xì)粉、鋁細(xì)粉、鎳細(xì)粉和銅細(xì)粉的質(zhì)量比為582: 30.8: 101: 48.3。
[0044]上述步驟3)中，高溫加熱的時(shí)間優(yōu)選為I?2s，間歇關(guān)閉時(shí)間優(yōu)選為I?2s。上述加熱和關(guān)閉的時(shí)間可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。類似的，所述激光加工頭的移動(dòng)也可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，即可以通過計(jì)算機(jī)控制控制激光束掃描點(diǎn)加熱區(qū)域的形狀，從而實(shí)現(xiàn)三維自動(dòng)操作。
[0045]激光功率可以為2500W?3800W，激光束掃描速度可以為140mm/min?220mm/min，聚焦光斑直徑為可以2.8mm?3.5mm。上述激光器具體可以為C02氣體激光器。進(jìn)一步地，步驟4)中勾速旋轉(zhuǎn)所述基體材料的速度優(yōu)選為30mm/s?35mm/s。
[0046]作為優(yōu)選方案，步驟3)中的送粉具體可以為同軸送粉。所述同軸送粉具體是指送粉的方向與碳素鋼棒4的軸向呈45°放置。送粉速度可以為18?22mL/min。
[0047]步驟3)中氣體保護(hù)裝置中的保護(hù)氣體可以為氬氣、氮?dú)饣蚝狻?br>[0048]步驟4)還優(yōu)選包括:持續(xù)向所述反應(yīng)器中通入冷卻介質(zhì)，使至少1/3所述碳素鋼棒的橫斷截面始終浸入冷卻介質(zhì)中。
[0049]按照步驟4)可以在基體材料上表面制得層狀鋯基非晶合金。該鋯基非晶合金的非晶化體積分?jǐn)?shù)大于60%，進(jìn)一步可以為60%?70%。所述鋯基非晶合金的厚度可以為500 μ m ?1000 μ mD
[0050]在步驟4)后，可以進(jìn)進(jìn)行如下操作:
[0051]將基體材料冷卻后，經(jīng)砂紙?zhí)幚硭鰧訝頩rNiAlCu非晶合金，無水乙醇清洗，自然晾干。經(jīng)測(cè)試，層狀ZrNiAlCu非晶合金表面粗糙度為0.63 μ m?1.25 μ m，顯微硬度范圍為828.2HV?829.3HV，形貌特征為表面呈現(xiàn)高亮的金屬光澤。
[0052]本發(fā)明利用激光能量密度高、快速加熱的特點(diǎn)，與快速冷卻相結(jié)合，獲得極快速的冷卻凝固速率，以使得一定比例的鋯基混合粉末快速加熱極快