专利名称：一种提高块体非晶合金及其结构件室温塑性的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种提高非晶合金塑性的方法和装置，特别涉及一种提高块体非晶合金及其结构件室温塑性的方法及装置，属于先进材料技术领域。
背景技术：
非晶合金的高强度、高弹性极限、高耐蚀性和耐磨性、优异的磁性能以及性能的各向同性，使之成为军事、航天、海洋、电力、微机电系统等领域最具应用前景的一类金属基新材料。然而，非晶合金独特的均质无定形结构中，缺乏排列有序的原子晶面和位错，致使其宏观室温塑性非常有限，并且成为制约其工程应用和成形制造的关键瓶颈。目前，提高非晶合金室温塑性的方法主要有两种其一是通过适当的组分设计及 制备技术，如加入元素钯，或在非晶合金中形成第二相得到所谓的非晶复合材料等，以从根本上提高非晶合金的室温塑性。该方面的研究虽有很大进展，但要同时获得良好的非晶形成能力和大的塑性变形力仍然十分困难。其二是对制备好的非晶合金及其结构件进行后处理，以提高其极限塑性变形能力。如姚可夫申请的中国发明专利CN101967552A (申请号201010502643. 8)通过应用循环载荷来提高非晶合金塑性；邱胜宝申请的一种提高非晶合金压缩塑性的方法的中国发明专利CN101717902A (申请号200910213951. 6)，首先将非晶合金材料切割成高径比大于O且小于I的形状，然后沿高度方向压缩，使其在高度方向上的塑性变形量达到5%至50%之间，并最终提高非晶合金的塑性变形能力。显然上述后处理方法都不能适合形状复杂的块体非晶合金及其结构件，且处理过程复杂，耗时较长。因此，开发提高块体非晶合金室温塑性的新方法很有必要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种提高块体非晶合金及其结构件室温塑性的方法及装置。本发明采取的技术方案为一种提高块体非晶合金及其结构件室温塑性的方法，包括步骤如下(I)将非晶合金体表面打磨光洁并放置在刚性垫板上，在非晶合金体上面放置一个倒立的带有中心孔的凸台，凸台沿非晶合金体表面法向设置，并压紧，(应保证在激光照射并导致非晶合金体产生微量塑性变形时，凸台不产生刚性移动，凸台与非晶合金体表面之间不产生间隙);(2)向凸台中心孔通短脉冲激光束，照射非晶合金体表面，产生爆炸等离子体冲击波，冲击波作用于非晶合金体，使被照射区域发生微量的高应变率塑性变形，形成微凹坑，塑性变形发生时会受到凸台的约束，同时也受到周围未变形区域的约束，因而是在三向压应力状态下进行，照射I 10个脉冲后，变形区域周围将产生残余压应力，高应变率塑性变形还会诱发致密剪切带；(3)移动带有中心孔的凸台和短脉冲激光束位置，按预定点阵重复步骤(I)、(2)，完成对非晶合金体整个表面的处理。上述方法中步骤(2)所述的短脉冲激光束直径略小于凸台中心孔直径，且与凸台中心孔同轴。所述的中心孔直径为I 4mm。所述短脉冲激光束是功率密度为I lOGW/cm2、脉冲宽度为I 50ns的脉冲激光。所述的非晶合金块包括铁基非晶合金、锆基非晶合金等。所述的致密剪切带会使后续的塑性变形更加均质化，而不易集中于一条剪切带当中。残余压应力与致密剪切带会使非晶合金及其结构件的室温塑性明显提高，而材料仍然保持非晶态，且其原有的屈服强度得以保持。
实现上述方法的装置，包括刚性垫板、六自由度运动机构、脉冲激光发生器，所述的六自由度运动机构包括下面的移动台，移动台底部有带中心孔的凸台，移动台与其上面的固定台通过六根伸缩轴及所述的伸缩轴两端的万向铰链连接在一起，固定台和移动台均有中心通孔与脉冲激光发生器的光路相通。所述伸缩轴各由一个套筒和一个连杆组成。固定台固定，六个伸缩轴按不同长度变化，使移动台产生六个运动自由度，并使移动台底部的凸台沿被处理材料的表面法向，强力压迫在材料上。移动带中心孔的凸台和激光束，可按预定点阵，完成对非晶合金整个表面的处理。凸台的中心孔中优先采用对激光束透明的有机玻璃，以强化爆炸等离子体产生的冲击波。本发明的技术优势表现在(I)该方法适合于各种非晶合金材料。通过调整成分而提高塑性与对材料进行后处理提高塑性并不矛盾，并且后者的增塑性效果还可叠加在前者的增塑效果之上。本发明所述提高块体非晶合金及其结构件室温塑性的方法，属于一种后处理方式，它通过生成多重致密剪切带和残余压应力等因素，避免了因添加某些成分可能造成的塑性提高而非晶形成能力下降的问题，因而可以适用于各种非晶合金材料。(2)该方法综合利用了多种提高非晶合金室温塑性的力学和材料学机制，增塑效果显著。相关研究表明，如下措施可以提高非晶合金的塑性变形能力一是变形区的局域化，即将塑性变形区限制在一个很小的范围内。本发明中，每次激光照射时，爆炸等离子体冲击波引起的塑性变形，仅发生在光斑作用区域中，通常只有Imm2左右，因此，这种微量塑性变形是高度局域化的；二是减小变形体至少一个方向的尺度，增加剪切带的体积分数。本发明中，每次激光作用所产生微量塑性变形发生在狭小的光斑区域内，客观上相当于减小了变形尺度，且在变形区周围产生了大量剪切带，因而变形区周围具有高的剪切带密度；三是对变形体施加约束，提高静水压力，提高剪切带法向的压应力。脉冲激光引起的微量塑性变形，是在爆炸等离子体冲击波压力、凸台压迫力、周围未变形材料的压应力共同约束，所形成的三向压应力状态下进行的，这种高的静水压力状态，在剪切面会产生高的法向压应力，使剪切带两侧的材料不易脱开，因而提高材料的塑性变形能力。另外，这种高静水压力下的塑性变形，还可生成深层残余压应力；四是高应变率能够引起多重剪切带同时启动，使变形量分布在多重剪切带中。脉冲激光诱发的冲击波压力在几十纳秒内可达数GPa，应变率通常大于IOfV1,因而属于超高应变率成形，极易生成多重剪切带；五是形变可能诱导极微量的纳米晶化，这些极微量的纳米晶，可以阻止剪切带的扩展并促进新的剪切带增殖。因此，本发明所述通过脉冲激光对块体非晶合金及其结构件进行后处理，以提高其室温塑性的方法，综合利用了提高材料塑性的多种机制，因而具有好的增塑效果。(3)该方法不在非晶合金材料表面覆盖任何涂层，而是利用非晶合金所具有的亚稳态结构特性，直接通过脉冲激光与非晶合金的相互作用而产生等离体冲击波，具有工艺简单，加工耗时短等优点。(4)该方法是一种累积处理方式，能够适应于多种零件形状。每次激光照射，只处理一个点位，移动凸台和激光束，可按预定点阵，完成对非晶合金整个表面的处理，因而是一种增量式的累积处理方式，具有耗能低，加工灵活的优势。
(5)本发明装置中由六个伸缩轴所形成的六自由度运动机构，刚性大，可灵活地移动凸台，并强力压迫在各个方向的材料表面，从而在等离体冲击波引起塑性变形时，产生足够的约束力。
图I是本发明提高块体非晶合金及其结构件室温塑性方法的装置示意图。图2是图I所述装置的剖面图。图3是脉冲激光处理块体非晶合金的原理图，(a)是主视图，(b)是俯视图。其中1.脉冲激光束；2.万向铰链；3.固定台；4.套筒；5.连杆；6.移动台；7.有机玻璃；8.非晶合金体(块体或其结构件);9.刚性垫板；10.爆炸等离子体冲击波所形成的微量塑性变形区域(微凹坑)；11.剪切带。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明。图I是本发明所述提高块体非晶合金及其结构件室温塑性方法的装置示意图，包括由脉冲激光发生器发出的脉冲激光束1，由固定台3、移动台6、万向铰链2、套筒4和连杆5组成的运动机构，以及刚性垫板9构成。套筒4和连杆5组成一根长度可以伸长或缩短的伸缩轴。伸缩轴通过万向铰链2将固定台3和移动台6连接在一起。固定固定台3，在计算机控制下，改变各伸缩轴的长度，可以改变移动台6的位置和方向。图2是图I的剖面图。固定台3和移动台6均有中心通孔，移动台6底部有凸台，该凸台沿非晶合金体8的表面法向，将非晶合金体8强力压迫在刚性垫板9上。脉冲激光束I通过凸台中心孔照射非晶合金体8，并产生等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，继而产生冲击波，该冲击波使非晶合金8表面产生微量塑性变形，该塑性变形区在几何上呈现微凹坑10，并在微凹坑周围产生大量剪切带11。图3是非晶合金体(块体)8的示意图，其中图3(a)是主视图，图3(b)是俯视图。非晶合金体8在脉冲激光束I的作用下产生塑性变形时，受到爆炸等离子体冲击波压力、移动台6上凸台的压迫力(如图3(a))、周围未变形材料的压应力(如图3(b))的共同约束，因而是在三向压应力状态下进行的，并最终在非晶合金8表面产生残余压应力。该残余压应力Osurf可用下式估算
_ I + L)__ 4-/2L= [με1' -^][1--(I + υ)^~](I)
-υ πV2r0
其中Γ(ι为激光光斑的半径，υ为泊松比，ε P为表面塑性应变，其值为
权利要求
1.一种提高块体非晶合金及其结构件室温塑性的方法，其特征是，包括步骤如下 (1)将非晶合金体表面打磨光洁并放置在刚性垫板上，在非晶合金体上面放置一个倒立的带有中心孔的凸台，凸台沿非晶合金体表面法向设置，并压紧； (2)向凸台中心孔通短脉冲激光束，照射非晶合金体表面，产生爆炸等离子体冲击波，冲击波作用于非晶合金体，使被照射区域发生微量的高应变率塑性变形，形成微凹坑，塑性变形发生时会受到凸台的约束，同时也受到非晶合金体周围未变形区域的约束，因而是在三向压应力状态下进行，照射I IO个脉冲后，变形区域周围将产生残余压应力，高应变率塑性变形还会诱发致密剪切带； (3)移动带有中心孔的凸台和短脉冲激光束位置，按预定点阵重复步骤(I)、(2)，完成对非晶合金体整个表面的处理。
2.根据权利要求I所述的提高块体非晶合金及其结构件室温塑性的方法，其特征是，步骤(2)所述的短脉冲激光束直径略小于凸台中心孔直径，且与凸台中心孔同轴。
3.根据权利要求I所述的提高块体非晶合金及其结构件室温塑性的方法，其特征是，所述短脉冲激光束是功率密度为I lOGW/cm2、脉冲宽度为I 50ns的脉冲激光。
4.实现权利要求I所述的方法的装置，其特征是，包括刚性垫板、六自由度运动机构、脉冲激光发生器，所述的六自由度运动机构包括下面的移动台，移动台底部有带中心孔的凸台，移动台与其上面的固定台通过六根伸缩轴及所述的伸缩轴两端的万向铰链连接在一起，固定台和移动台均有中心通孔与脉冲激光发生器的光路同轴并且相通。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征是，所述伸缩轴各由一个套筒和一个连杆组成。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征是，凸台的中心孔中采用对激光束透明的有机玻璃。
全文摘要
本发明涉及一种提高块体非晶合金及其结构件室温塑性的方法及装置，将非晶合金体表面打磨光洁并放置在刚性垫板上，通过带中心孔的凸台向其表面通短脉冲激光束，产生爆炸等离子体冲击波，冲击波作用于非晶合金体，使被照射区域发生微量的高应变率塑性变形，形成致密剪切带和残余压应力。本发明综合利用了多种提高非晶合金室温塑性的力学和材料学机制，增塑效果显著，适合于各种非晶合金材料。
文档编号C22F3/00GK102719625SQ20121024098
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者刘韧, 季忠, 秦绪波, 郑超 申请人:山东大学