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大块的 本 科 生 课 程 论 文(2013-2014学年第二学期)
大块非晶合金超塑性成形技术及研究现状
曾昭源
提交日期：
2014、
6、2 学生签名：曾昭源
学号
201330084016
学院
机械与汽车工程学院
课程编号
课程名称
塑性加工及模具计算机技术
学位类别
学士
任课教师
夏琴香教授
教师评语：
成绩评定：分任课教师签名：年月日
大块非晶合金超塑性成形技术及研究现状
曾昭源
摘要：与晶态合金相比，大块非晶合金成形出来的零件在表面光洁度、强度、硬度、冲击断裂性能以及耐腐蚀性等方面具有十分明显的优势。但是大块非晶合金的高强度、高硬度的特点使得其在室温下机加工困难、可塑性差、延伸率几乎为零，这大大制约了非晶合金的广泛应用。超塑性成形方法是利用大块非晶合金在过冷液相区下呈现牛顿粘性流动状态或近似的牛顿粘性流动状态而表现出优良的塑性的特点，实现对大块非晶合金的塑性加工。本文从大块非晶合金的超塑成形原理、影响非晶合金超塑性的因素以及该技术在精细零部件中的应用等方面对大块非晶合金超塑性成形技术进行综述，介绍大块非晶合金在上述三方面的研究现状，指出目前研究主要考虑了温度和应变速率对大块非晶合金超塑性的影响，而对应力应变状态、加热速率等研究却很少涉及。
同时说明了理论体系建立落后于实验研究是目前大块非晶合金超塑成形技术的主要问题。
关键词：大块非晶合金；过冷液相区；超塑性成形；温度；应变速率；精细零部件
1大块非晶合金超塑性成形机理及其特点
大块非晶合金是指在结构上具有长程无序、短程有序和各向同性的特点，其原子在空间排列上不具有周期性和平移性，不存在晶态合金所特有的各种晶体缺陷的一类合金。
[1]大块非晶合金在热力学上属于亚稳态材料，当温度升高时，会发生玻璃化转变，进而发生晶化反应。在玻璃转化温度与晶化开始温度之间存在一个 50 ~150C 的温度区间，这个区间被称为过冷液相区。
正是这一特殊区域的存在，使大块非晶合金可以在保持类似于液体结构的同时表现出具有一定粘度的与氧化物玻璃极为相似的性质，呈现牛顿粘性流动状态或近似的牛顿粘性流动状态，表现出优良的超塑性能。[2]因此，对于大块非晶合金，所谓的超塑性成形是指把合金的温度控制在过冷液相区的塑性成形。与传统的成形工艺相比，大块非晶合金超塑性成形机理成形出来的零件具有高强度、高精度、高表面光洁度的特点，适合应用于国防装备、航空航天器件、精密机械等领域精密零部件的制造。
2 影响大块非晶合金超塑性的因素
2.1 温度对大块非晶合金超塑变形的影响
以Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金为例[3]，由其图1所示为采用NETzsCH DSC204热分析仪测得的该非晶合金的示差扫描量热分析(DSC)曲线可看出该大块非晶合金的过冷温度域为635.6K——710.4K。
如图2为实验测得的zr基非晶合金在不同温度下的应力一应变曲线。
图2
由图2可以看出，在573K（不在过冷温度域内）的条件下，该大块非晶合金具有非常大的强度，在1 GPa以上。但是在632K—678K的过冷温度条件下，该大块非晶合金具有较小的流变应力，且随着温度的升高流变应力逐渐下降。
由这样看来在过冷温度域内，大块非晶合金的温度越高越易加工，但是在实际的制造中还需要考虑另一个重要因素随着保温时间的增加，非晶合金会发生晶化现象，晶化后的合金会失去许多优良的性能。
图3所示为通过等温DSC曲线获得的Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金在过冷温度区域的温度一时间一晶化转变曲线(各晶化转变点由第二晶化峰决定)。由图中可以看出，在过冷温度域内，随着温度的升高，合金发生晶化的时间会变短，也就是说温度越高，大块非晶合金的可加工时间会越短。因此，综合图2与图3该大块非晶合金在金在653～668 K的温度下进行超塑性成形较为理想。从上述的两个实验我们可以看出大块非晶合金的流变应力对温度是极其敏感的，在实际生产中不但要考虑温度对大块非晶合金变形的影响，还要考虑晶化现象对大块非晶合金的影响。
图3
2.2 应变速率对大块非晶合金的变形的影响
以Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金的拉伸实验为例[4]，如图4所示为不同温度下Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金的流变应力和延伸率与拉伸速率的关系。
Kawamura等综合研究了Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5和Pd40Ni40P20的高温变形行为，发现在过冷液态区，材料的变形行为强烈依赖于应变速率。如图5为Kawamura的实验结果[5]。
1964年Baclofen建立超塑性拉伸变形的指数方程：(为应力；为应变速率；k为材料常数；m为应变速率敏感性指数)[6].因此综上述两个实验和Baclofen提出的理论，应变速率直接决定了非晶合金的变形方式。在不同温度条件下，都有随着应变速率的增加，流变应力也随之增加。当应变速率超过1×10s-1时，即使非晶合金处于过冷液态区，仍然有可能出现脆性断裂。应变速率决定了制造加工的效率，但过高的流变应力又会是制造的成本上升，因此如何处理这个矛盾，还需要科研工作者不断的探索。
2.3 影响大块非晶合金粘度的因素
粘度是评价粘性流体成形性能最重要的参数，粘度大，则成形性能差，充型能力差，成形力大，粘度小，则充型能力好，容易成形。
图6所示为不同温度下Mg60Cu30Y10合金粘度与应变速率的关系。[7]
图6
Kawamura等在研究非晶合金高温变形的过程中，也研究了粘度的变化，如图7所示为Pd40Ni40P20的粘度与温度、应变速率的关系。
图7
同样，Trouton的研究表明，粘度、流动应力和应变速率之间满足这样的关系：
因此，从以上的两个实验和Trouton的研究中可以发现：随着温度升高，非晶合金的粘度下降；在温度一定的情况下，随着应变速率的升高，粘度也下降。因此，在实际的制造中，为了保证容易成型、降低大块非晶合金的粘度，应选择尽可能高的应变速率和温度。
2.4应变状态对大块非晶合金超塑成形的影响
研究发现，不同的应力状态对大块非晶合金的超塑成形会有不同的影响。CHU[8]等进行了Pd40Ni40P20非晶合金（过冷温度区范围为589K～670K)的压缩实验，并与Kawamura的拉伸实验做了对比。如图8
可以发现压缩试验与拉伸实验有许多不同：
（1）在温度和应变速率相同的情况下，压缩流动应力比拉伸实验高一些；
（2）通过对粘度的对比计算，发现流动方式的重要区别：对于压缩实验，在较低的温度区，随着应变速率的提高，变形从牛顿流变转变为非牛顿流变，而在高温区(>650K)，变形为牛顿流变。而对于拉伸实验，在所有温度范围内，应变率较低时为牛顿流变，应变率较高时为非牛顿流变。
另外，同等条件下，压缩实验的粘度大约是拉伸实验的2倍。
4 大块非晶合金的超塑成形技术在精细零部件上的应用
4.1典型的超塑性成形非晶合金型材与零部件[9]
如前所述．由于其优异的使用性能和超塑性流变成形性能．人们尝试采用大块非晶合金和超塑性成形技术制备各种精细零部件和型材．包括微型机械用零部件和精密仪器部件等。图12为采用Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金经超塑性成形的精密光学仪器部件的照片，制品表面呈明亮的金属光泽，经测试确认制品表面为纳米级镜面。图13为采用超塑性挤压成形的大块非晶合金超微齿轮型材。
图12塑性模锻成形的精密光学部件
图9 塑性模锻成形的精密光学部件
4.2Zr基非晶合金精密直齿轮的超塑性成形[10]
成形齿轮的零件如图9所示。设计成形模具时考虑了Zr基大块非晶合金的热膨胀系数、弹性模量及零件尺寸精度要求等影响因素。
采用实心坯料镦挤精锻成形。所用坯料为Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金棒材。
图9
成形工艺方案如图10所示，共3种。方案a采用上芯杆成孔一步成形的方法；方案b采用下芯杆成孔一步成形的方法，即将芯杆置于下模，挤压垫片为空心管状，以便承受冲孔料头；方案c采用两阶段冲孔成形方法，即先用带短芯杆的压头充型，再用带长芯杆的压头冲孔。
图10
齿轮超塑性成形装置示意图如图3所示，主要由真空炉、可更换的一体式或组合式压头(图11所示为组合式压头，由带芯杆的内压头、外压头、滑块和连接座构成)、模具和顶出机构三部分组成。真空炉的极限真空度为3×10-3 Pa，采用电阻加热方式，最高温度800℃，可充氮气或氩气形成保护气氛。
压头部分可以更换，对于成形方案a和b，采用整体式平压头或带长芯杆的压头一次成形；对于成形方案c，则采用如图11所示的组合压头机构实现两阶段冲孔连续成形：即坯料和模具在真空炉中加热到预定温度；在外加压力的作用下，内压头和外压头通过滑块的联结作用同步向下运动，使坯料充填型腔，完成第一步成形——充型；然后滑块滑入联结座中，外压头与联结座联结，带芯杆的内压头单独继续向下运动，成形内孔，完成第二步成形一冲孔，其成形过程的主要特点是充型和冲孔两次动作在真空炉内连续完成。成形结束卸载后，由顶出机构直接将成形件从模具的模腔内顶出。
图11塑性成形装置示意图
5 大块非晶合金的发展趋势
从上面的论述我们可以得知，目前对大块非晶合金超塑性的研究主要集中在温度和应变速率对非晶合金的超塑性的影响，而对于应力应变状态、加热的速率等很少涉及，这在很大程度上阻碍了该项技术的发展，甚至有时候导致不同的实验得出了相互矛盾的结论。
因此，未来非晶合金超塑性成形的研究，将涉及更多的影响因素，在积累更多实验的基础上，致力于建立一套相对规范或标准的成形测试方法和体系。再者，由于温度和应变速率等因素的影响，大块非晶合金的成形效率不如传统的成形技术的效率高，因此有足够的理由相信如何在高应变速率和室温下进行大块非晶合金的超塑加工也会变成一个热门课题。最后，由于理论体系的不完善，使得非晶合金许多超塑现象无法得到解释，例如上述的非晶合金在拉伸以及压缩状态下应力的不同这一现象无法从理论上解释。
因此，要使未来大块非晶合金超塑性成形技术得到更好发展，必须加强非晶合金超塑性变形理论模型的研究和建立。
6 结语
大块非晶合金由于其高强度、高硬度、高耐腐蚀性等特点被广泛用于精细零部件的制造。
而超塑性技术使得加工大块非晶合金变得越来越简单，采用超塑性成形技术制备外形尺寸从毫米级到亚毫米级的高精密零部件，是极具发展前景的前沿研究领域．其相关技术的开发对于促进电子信息、精密机械、国防军工尖端技术的发展至关重要，大力发展大块非晶合金超塑性成形技术对于我国的制造业、国防的发展具有极其重要的意义。
7 参考文献
[1]袁子洲,王英君,佟亚东等.大块非晶合金的超塑性研究进展[J].锻压技术,2007,32(2)::10.3969/.1000-3940.2007.02.001.
[2] 吴参军,寇生中,李永强等.大块非晶态合金成形技术研究现状[J].金属功能材料,2011,18(1):66-70.
[3] 张志豪,刘新华,周成等.Zr基大块非晶合金的超塑性成形性能[J].中国有色金属学报,2004,14(7)::10.3321/:1004-0609.2004.07.003.。