[发明专利]一种基于超声振动的塑性成形及增韧工艺方法及其装置

说明书

本发明属于非晶合金热塑性成形领域，并公开了一种基于超声振动的塑性成形及梯度增韧方法与装置。该方法包括：(a)在待成形的非晶合金零件上划分待加强韧性的部位用于形成纳米晶增韧相；(b)设计用于成形所用的增韧装置，其包括与超声振动变幅杆相连的镶块和加热棒，镶块与待加强韧性的部位相对应，用于对其施加超声振动，加热棒用于将待加工的原材料坯料加热至其成形温度；(c)将原材料坯料置于装置中，加热棒加热，装置合模成形所需的非晶合金零件，合模过程中启动超声振动，开模时停止。同时本发明还公开所采用的装置。通过本发明，增韧与热塑性成形同时进行，实现成形和韧化的一体化，简化生产工序，缩短加工时间，提高尺寸精度。

技术领域

本发明属于非晶合金热塑性成形领域，更具体地，涉及一种基于超声振动的塑性成形及梯度增韧方法与装置。

背景技术

非晶合金是一种拥有高强度、耐腐蚀、抗磨损等优异性能的新型材料。非晶合金在热态下表现出良好的超塑性，能够实现零件近净成形。但是，非晶合金显著的室温脆性使得非晶合金零件在服役过程中一旦过载，将直接发生脆性断裂并彻底失效，导致其难以直接应用于存在冲击载荷的场合。因此，需要在不削弱非晶合金优异性能的前提下，进一步改善其韧性，以提高非晶合金零件的抗冲击能力。

非晶合金处于热力学亚稳态，在获得足够能量后会自发向其热力学稳定态转变，即发生晶化。非晶合金晶化后，其性能也随之改变。通过在非晶合金内部形成纳米晶粒，可以显著提高其强度和韧性。因此，可以根据实际服役条件对非晶合金零件性能的要求，通过某种方式在非晶基体的局部诱导生成纳米晶，形成具有力学性能梯度的纳米晶增韧非晶基复合材料。

专利CN101736213A提出一种通过超声处理使非晶合金强韧化的方法。该方法通过将非晶合金置于低于非晶合金晶化温度的冷却水水槽中，然后在水槽底部加载单位面积下功率不大于3×10⁴W/mm²的振荡频率进行合金强韧化处理。经该方法处理后非晶合金在断裂强度不变的前提下，室温压缩塑性变形能力有比较明显的提高，弛豫放热量也增加，但是该方法只能对非晶合金样品进行整体强韧化处理，无法根据实际使用需求保留部分非晶区域，以形成具备力学性能梯度的非晶基复合材料；专利CN102002659A提出一种对非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法。该方案在非晶合金的玻璃转化温度以下，将非晶合金条带压紧在功率超声装置变幅杆顶端，非晶合金条带一边运动超声装置变幅杆一边对条带施加超声作用，从而实现非晶合金条带的连续纳米晶化，方法只能对非晶合金条带进行整体化处理，既无法处理具备复杂形状的实际零件，也不能实现纳米晶梯度增韧；专利CN105420522A提出一种非晶基复合材料的制备方法，该方法将片状非晶合金与增韧第二相材料交替层叠后置于夹具中，在恒压或渐增载荷的条件下，对层叠的非晶合金及多孔板加热，同时对其实施超声振动，非晶合金迅速软化并被压入第二相增韧板的孔中，从而获得塑性良好的非晶合金复合材料，但是该方法需要通过从外界引入第二相对非晶合金进行整体增韧，同样只适用于板材类产品的处理，也无法处理具备复杂形状的实际零件以及根据零件使用性能需求进行局部纳米晶梯度增韧；上述三种强韧化方法，都未能与非晶合金热塑性成形工艺结合起来，而是需要在零件完成成形制造后，再进行专门的处理，工艺过程复杂，生产周期较长。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超声振动的塑性成形及梯度增韧方法与装置，通过采用与超声振动变幅杆连接的镶块对局部需要加强韧性的区域进行超声振动，其目的在于使非晶合金零件的局部区域纳米晶化，由此解决在热塑性成形过程中局部增韧的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超声振动的塑性成形及梯度增韧方法，其特征在于，该增韧方法包括下列步骤：

(a)针对待成形的非晶合金零件的实际使用需求，在待成形的非晶合金零件上划分出待加强韧性的部位，该部位用于形成纳米晶增韧相，其他部位在成形中保留其非晶状态；