超塑成型非晶叠层复合棒材的制备装置及制备方法

摘要

本发明为一种超塑成型非晶叠层复合棒材的制备装置及制备方法，所述装置包括超声波真空箱，其内设有超声波发生器、U型座、传送机构和机械抓手。所述方法是选取金属和非晶箔带材料，对箔带材料进行相关处理，将柱状基板置于所述装置中待用，通过热分析仪确定非晶箔带的防晶化最佳温度，并对非晶箔带进行加热，对柱状基板快速加热，然后按照“金属箔带—非晶箔带”的顺序依次交替着将箔带通过传送机构输送到固结接口处进行辊扎，即可制备得到所述叠层复合棒材。本发明借助非晶合金在过冷液相区具有优异的超塑性性能，通过超声波固结增材制造方式制备出非晶带材与金属带材叠层复合的棒材，使之可承受更大吸收冲击功，强度、塑形和韧性性能更加优异。

说明书

技术领域

本发明属于叠层复合棒材制造技术领域，具体是一种超塑成型非晶叠层复合棒材的制备装置及制备方法。

背景技术

非晶合金具有普通晶态合金材料所不具备的一些特殊性能，但是由于受到非晶合金的宏观脆性和尺寸的制约，使其作为常规结构材料使用具有实际困难。采用超声波固结增材制造技术，结合超声波固结成型温度较低、界面处产生的塑形变形小等优势，将兼具有金属和玻璃双重特性的非晶合金与金属材料交替叠层固结复合在一起制备出性能良好的非晶复合型材具有很大的实用价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种超塑成型非晶叠层复合棒材的制备装置及制备方法，通过该装置及方法能够制备出致密性、超塑性、非晶利用率更好的复合棒材。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种超塑成型非晶叠层复合棒材的制备装置，包括超声波真空箱，超声波真空箱内设有超声波发生器、U型座和传送机构，U型座上安装有机械抓手，机械抓手包括设于U型座左侧板上的左顶杆和设于U型座右侧板上的右顶杆，左顶杆和右顶杆相对设置且二者之间的距离可调；超声波发生器置于左、右顶杆的正上方，传送机构紧邻左、右顶杆的后方安置，传送机构包括前、后设置的两个滚筒，两个滚筒上设有传送皮带，两个滚筒中至少有一个为主动滚筒。

本发明还提供了一种通过上述制备装置来制备超塑成型非晶叠层复合棒材的方法，包括如下步骤：

1）选取箔带材料，金属箔带选取强度高、密度小、焊接性能好的材料，非晶箔带选取超塑性好的非晶合金箔带；

2）剪裁金属箔带和非晶箔带的尺寸，尺寸大小依据柱状基板的侧向展开面积而定；

3）对柱状基板进行超声波清洗，除去其表面的杂质和氧化物，然后将柱状基板卡置在机械抓手内，柱状基板和机械抓手位于同一轴线上，即柱状基板的两端端面中心处设有与左、右顶杆端部配合的凹槽，左、右顶杆的端部分别顶置在柱状基板的两端的凹槽内，且柱状基板能够相对左、右顶杆自由转动，柱状基板与超声波发生器之间形成固结接口；

4）对金属箔带表面进行去膜处理，首先使用5-10﹪的碱性水溶液进行超声清洗3-6min，再用280-400﹟的砂纸打磨至出现金属本身固有的光泽，最后对金属箔带用丙酮清洗干净即可；对非晶箔带用220～400﹟的砂纸打磨，然后清水清洗后吹干即可；

5）采用热分析仪（DSC）对非晶箔带的玻璃转变点T_g和晶化温度T_x进行测试，然后结合非晶箔带的T-T-T曲线图，避开鼻尖时间区域，以确定防晶化的最佳温度为420℃～430℃，然后以该温度对步骤4）中经过处理的非晶箔带进行恒温加热处理；

6）将真空箱内的柱状基板快速加热至140℃～180℃，然后按照“金属箔带—非晶箔带”的顺序依次交替着将箔带通过传送机构输送到固结接口处，设置超声波发生器的参数：超声波成形施加的正压力为1700-1800N、超声波振幅为14-16μm、超声波发生器行进速度为28-32 mm/s，然后使柱状基板和超声波发生器发生异步辊扎，让箔带与柱状基板之间在界面结合处实现互相咬合，最终层层固结形成叠层复合棒材。

作为优选的技术方案，上述步骤1）中所述的金属箔带为铝合金箔带、铁合金箔带，所述的非晶箔带为Zr基箔带、Cu基箔带、Fe基箔带。

与以往制备的非晶与金属薄片的叠层复合材料相比，本发明的优势是借助于非晶合金在过冷液相区具有优异的超塑性性能，通过超声波固结增材制造方式制备出非晶带材与金属带材叠层复合的棒材，使之可承受更大吸收冲击功，强度、塑形和韧性性能更加优异的超塑性成型的非晶叠层复合棒材。

本发明制备的叠层复合棒材的界面结合质量主要是通过线性固结密度来表征。线性固结密度是指粘合面积相对于总界面长度，而线性固结密度可能是最重要的超声波固结部件的质量属性。而在传统工艺中，通过超声波振荡器对基板上薄的箔片施加一定的法向力紧、设置一定的焊接速度等来使异质材料亲密接触。动态界面处产生切向应力导致在粗糙界面处出生塑形变形、氧化层破裂，最终导致裸露在外面的金属箔与非晶发生冶金现象，但是这种传统的超声固结线性固结密度只能达到90%左右，在界面处始终存在缺陷，破粹的氧化物最终会被挤入空洞，导致空洞无法闭合，而采用非晶超塑性超声固结，线性固结密度可以得到进一步的提高，非晶材料的超塑性变形，不仅有利于氧化物沿着界面被挤出，而且有利于空洞的进一步闭合，最终焊接出理想的复合材料，而且通过本装置的动态工艺，可以得到柱状叠层复合棒材，有利于工业生产实际应用。

相比于传统成型的板状基板制备的非晶叠层复合材料和合金棒材的结构，本发明不仅综合了二者各自的成型特点，而且对二者各自的材料性能做出了进一步的改善，使此处超声波固结增材制造所制备出的叠层复合棒材具有更加突出的优点：一方面，致密性和成型利用率等性能进一步的提高，另一方面，方便后续的的机械深加工使用，并且在工业中的应用前景也相当广泛，如可将本发明应用于包覆大型轮廓结构或皮肤轮廓的核心结构，应用于自适应结构或“智能皮肤”等的制造过程。

附图说明

此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明装置的立体结构示意图。

图2为本发明装置的主视图。

图3为本发明装置的左视图。

图4为本发明装置的俯视图。

图5为实施例1制得的叠层复合棒材的放大100倍金相图。

图6为实施例1制得的叠层复合棒材的放大200倍金相图。

图7为实施例1制得的叠层复合棒材的铝基/Fe₇₈Si₉B₁₃界面处的EDS面扫描图。

图8为实施例1制得的叠层复合棒材的钛/铝界面处的维氏硬度图。

图9为实施例1制得的叠层复合棒材的铝/非晶界面处的维氏硬度图。

图10为实施例1制得的叠层复合棒材剥离下的Fe₇₈Si₉B₁₃的XRD图。

图中：1-超声波真空箱、2- U型座、3-左顶杆、4-右顶杆、5-超声波发生器、6-滚筒、7-传送皮带、8-柱状基板、9-箔带。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明采用的技术手段和功能，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功能，进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图4所示，一种超塑成型非晶叠层复合棒材的制备装置，包括超声波真空箱1，超声波真空箱1内设有超声波发生器5、U型座2和传送机构，U型座2上安装有机械抓手，机械抓手包括设于U型座2左侧板上的左顶杆3和设于U型座2右侧板上的右顶杆4，左顶杆3和右顶杆4位于同一轴线上，二者相对设置且二者端部之间的距离可调；超声波发生器5置于左、右顶杆3、4的正上方，传送机构紧邻左、右顶杆3、4的后方安置，传送机构包括前、后设置的两个滚筒6，两个滚筒6上设有传送皮带7，两个滚筒6中至少有一个为主动滚筒。其中，所述的超声波发生器5是超声波固结机上的重要部件，超声波固结机属于焊接领域的一种常用机器，用于叠层材料的制造，具体工作原理是：超声波固结机发出超声波频率的振荡电流，振荡电流经过换能器转化为机械振动，再经过聚能器使振幅放大，并有效地用耦合杆传送给超声波发生器5，即最后把能量传送到超声波发生器5上。所述的组成机械抓手的左顶杆3和右顶杆4，二者相对的端部都设计成锥尖状，两个相对的锥尖状端部用于夹持柱状基板，且便于柱状基板相对二者可自由转动。左顶杆3和右顶杆4之间的距离可调可通过多种方式实现，最简单的一种方式就是左顶杆3与U型座2的左侧板为螺纹连接，右顶杆4与U型座2的右侧板为螺纹连接，需要调整左、右顶杆3、4之间的距离时，只需相对U型座2旋转左、右顶杆3、4即可，而且螺纹连接本身带有自锁功能，可以很好的达到使用要求。

通过上述装置来制备超塑成型非晶叠层复合棒材的方法，包括如下步骤：

1）选取箔带材料，金属箔带选取强度高、密度小、焊接性能好的材料，非晶箔带选取超塑性好的非晶合金箔带；

2）剪裁金属箔带和非晶箔带的尺寸，尺寸大小依据柱状基板的侧向展开面积而定；

3）对柱状基板8进行超声波清洗，除去其表面的杂质和氧化物，然后将柱状基板8卡置在机械抓手内，柱状基板8和机械抓手位于同一轴线上，柱状基板8的两端端面中心处设有与左、右顶杆3、4锥尖状端部配合的凹槽，左、右顶杆3、4的锥尖状端部分别顶置在柱状基板8的两端的凹槽内，且柱状基板8能够相对左、右顶杆3、4自由转动，柱状基板8与超声波发生器5之间形成固结接口；

4）对金属箔带表面进行去膜处理，首先使用5-10﹪的碱性水溶液进行超声清洗3-6min，再用280-400﹟的砂纸打磨至出现金属本身固有的光泽，最后对金属箔带用丙酮清洗干净即可；对非晶箔带用220～400﹟的砂纸打磨，然后清水清洗后吹干即可；

5）采用热分析仪对非晶箔带的玻璃转变点T_g和晶化温度T_x进行测试，然后结合非晶箔带的T-T-T曲线图，避开鼻尖时间区域，以确定防晶化的最佳温度为420℃～430℃，然后以该温度对步骤4）中经过处理的非晶箔带进行恒温加热处理；

6）将超声波真空箱1内的柱状基板8快速加热至140℃～180℃，然后按照“金属箔带—非晶箔带”的顺序依次交替着将箔带通过传送机构输送到固结接口处，设置超声波发生器5的参数：超声波成形施加的正压力为1700-1800N、超声波振幅为14-16μm、超声波发生器行进速度为28-32 mm/s，然后使柱状基板8和超声波发生器5发生异步辊扎，即柱状基板8和超声波发生器5的转动方向相反，能轻松的将箔带卷入到柱状基板8和超声波发生器5之间的固结接口内，让箔带与柱状基板8之间在界面结合处实现互相咬合，最终层层固结形成叠层复合棒材。

作为优选的实施例，上述步骤1）中所述的金属箔带为铝合金箔带、铁合金箔带，所述的非晶箔带为Zr基箔带、Cu基箔带、Fe基箔带。

以下列举几个具体的叠层复合棒材的制备实施例，以对本发明作进一步的说明。

实施例1

1）选取箔带材料，金属箔带选取铝合金1100薄片，非晶箔带选取Fe₇₈Si₉B₁₃薄片；

2）将铝合金1100薄片裁剪成尺寸为的300×20×0.3mm薄片，将Fe₇₈Si₉B₁₃薄片剪裁成尺寸为300×20×0.02mm的薄片；

3）柱状基板8的材质选取钛合金TC1，对柱状基板8进行超声波清洗，除去其表面的杂质和氧化物，然后将柱状基板8卡置在超声波真空箱1内的机械抓手上待用；

4）铝合金1100薄片常温下相对比较活泼，容易氧化，所以对铝合金1100薄片表面进行去膜处理，首先使用10﹪的碱性水溶液进行超声清洗3min，再用400﹟的砂纸打磨至出现金属本身固有的光泽，最后对铝合金1100薄片用丙酮清洗干净即可；对Fe₇₈Si₉B₁₃薄片用220﹟的砂纸打磨，然后清水清洗后吹干即可；

5）采用热分析仪对Fe₇₈Si₉B₁₃薄片的玻璃转变点T_g和晶化温度T_x进行测试，然后结合Fe₇₈Si₉B₁₃薄片的T-T-T曲线图，避开鼻尖时间区域，并考虑非晶在超塑性变型固结速率因素的影响，以确定防晶化的最佳温度，在过冷液相区选择420℃，然后以该温度对步骤4）中经过处理的Fe₇₈Si₉B₁₃薄片进行恒温加热处理；

6）将超声波真空箱1内的柱状基板8快速加热至180℃，然后按照“金属箔带—非晶箔带”的顺序依次交替着将箔带通过传送机构输送到固结接口处，设置超声波发生器5的参数：超声波成形施加的正压力为1700N、超声波振幅为15μm、超声波发生器行进速度为30mm/s，然后使柱状基板8和超声波发生器5发生异步辊扎，让箔带与柱状基板8之间在界面结合处实现互相咬合，最终层层固结形成叠层复合棒材。

该实施例制得的叠层复合棒材的金相如图5、6所示，放大倍数分别为100倍和200倍下观察，可以看出钛合金TC1—铝合金1100薄片—Fe₇₈Si₉B₁₃薄片三者之间界面结合良好，为了进一步了解界面结合情况，在图6所示虚框界面处的铝基/Fe₇₈Si₉B₁₃进行EDS面扫描，如图7所示，可以看出图中中间的竖向线条区域为原子互扩散导致界面形成冶金结合，形成了宽度为1μm左右的扩散区域。图8、9所示分别为钛/铝、铝/非晶界面处维氏硬度，界面处的硬度压痕尖端处没有产生裂纹，表明界面处具有较好的韧性，起到了很好的过渡效应。最后对叠层复合棒材进行剥离，对Fe₇₈Si₉B₁₃进行XRD衍射分析，图谱如图10所示，该图谱表明不存在布拉格衍射峰，且在2θ为35°～45°之间有表征非晶的漫散峰。

实施例2

1）选取箔带材料，金属箔带选取铝合金3003薄片，非晶箔带选取Cu₄₀Zr₄₄Ag₈Al₈薄片；

2）将铝合金3003薄片裁剪成尺寸为的300×20×0.2mm薄片，将Cu₄₀Zr₄₄Ag₈Al₈薄片剪裁成尺寸为300×20×0.025mm的薄片；

3）柱状基板8的材质选取钛合金TC1，对柱状基板8进行超声波清洗，除去其表面的杂质和氧化物，然后将柱状基板8卡置在超声波真空箱1内的机械抓手上待用；

4）铝合金3003薄片常温下相对比较活泼，容易氧化，所以对铝合金3003薄片表面进行去膜处理，首先使用7﹪的碱性水溶液进行超声清洗4min，再用280﹟的砂纸打磨至出现金属本身固有的光泽，最后对铝合金3003薄片用丙酮清洗干净即可；对Cu₄₀Zr₄₄Ag₈Al₈薄片用350﹟的砂纸打磨，然后清水清洗后吹干即可；

5）采用热分析仪对Cu₄₀Zr₄₄Ag₈Al₈薄片的玻璃转变点T_g和晶化温度T_x进行测试，然后结合Cu₄₀Zr₄₄Ag₈Al₈薄片的T-T-T曲线图，避开鼻尖时间区域，并考虑非晶在超塑性变型固结速率因素的影响，以确定防晶化的最佳温度，在过冷液相区选择430℃，然后以该温度对步骤4）中经过处理的Cu₄₀Zr₄₄Ag₈Al₈薄片进行恒温加热处理；

6）将超声波真空箱1内的柱状基板8快速加热至140℃，然后按照“金属箔带—非晶箔带”的顺序依次交替着将箔带通过传送机构输送到固结接口处，设置超声波发生器5的参数：超声波成形施加的正压力为1800N、超声波振幅为16μm、超声波发生器行进速度为28mm/s，然后使柱状基板8和超声波发生器5发生异步辊扎，让箔带与柱状基板8之间在界面结合处实现互相咬合，最终层层固结形成叠层复合棒材。

实施例3

1）选取箔带材料，金属箔带选取铁合金430薄片，非晶箔带选取Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀薄片；

2）将铁合金430薄片裁剪成尺寸为的300×20×0.15mm薄片，将Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀薄片剪裁成尺寸为300×20×0.03mm的薄片；

3）柱状基板8的材质选取钛合金TC1，对柱状基板8进行超声波清洗，除去其表面的杂质和氧化物，然后将柱状基板8卡置在超声波真空箱1内的机械抓手上待用；

4）铁合金430薄片常温下相对比较活泼，容易氧化，所以对铁合金430薄片表面进行去膜处理，首先使用5﹪的碱性水溶液进行超声清洗6min，再用350﹟的砂纸打磨至出现金属本身固有的光泽，最后对铁合金430薄片用丙酮清洗干净即可；对Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀薄片用400﹟的砂纸打磨，然后清水清洗后吹干即可；

5）采用热分析仪对Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀薄片的玻璃转变点T_g和晶化温度T_x进行测试，然后结合Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀薄片的T-T-T曲线图，避开鼻尖时间区域，并考虑非晶在超塑性变型固结速率因素的影响，以确定防晶化的最佳温度，在过冷液相区选择425℃，然后以该温度对步骤4）中经过处理的Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀薄片进行恒温加热处理；

6）将超声波真空箱1内的柱状基板8快速加热至160℃，然后按照“金属箔带—非晶箔带”的顺序依次交替着将箔带通过传送机构输送到固结接口处，设置超声波发生器5的参数：超声波成形施加的正压力为1750N、超声波振幅为14μm、超声波发生器行进速度为32mm/s，然后使柱状基板8和超声波发生器5发生异步辊扎，让箔带与柱状基板8之间在界面结合处实现互相咬合，最终层层固结形成叠层复合棒材。

上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。