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2020-07-13
盤星成功研制1mm厚薄壁等徑非晶合金管

經過多年市場下的預熱,非晶合金在眾多領域已經突破了產業化的技術瓶頸限制,甚至達到了量產的水平,特別是在消費電子領域的精密零件研發,多點開花的局面對非晶合金的發展前景十分利好。

像華為推出的折疊屏手機中應用到的非晶合金鉸鏈這類產品多是利用非晶合金在過冷液相區的熱塑性特點進行成型加工,這種方法獲得的零件往往具有較高的成型精度和表面質量。但是有三維結構要求的大尺寸零件很難通過熱塑成型方法制備,鑄造成型是較為理想的方式,然而受困于非晶合金易晶化、難加工的缺點,以及現有的噴鑄、吸鑄、吹鑄工藝會導致的氣孔缺陷,難以獲得令人滿意的大尺寸非晶合金結構件。

盤星收到美國常春藤名校的合作邀約,他們的研究項目需要制備一根外徑40mm、壁厚1mm、長度125mm的全非晶合金管件。常見的非晶合金制品有板材、棒材、帶材以及一些熱塑成型的零件,在光學器件上也見有毫米級的微管,要求制備的非晶合金管件屬于市場空白,沒有類似產品的任何報道。

實現這種尺寸的非晶合金管件制備,難點有四:

  1. 用什么方法來做?

金屬管件的常規的制備方法是砂型鑄造、穿孔擠壓等方式,但明顯不適用于非晶合金。非晶合金制品的制備方法主要有兩種,一種是熱塑成型,適合小尺寸的低維結構件,明顯不適合;另一種是鑄造成型,適合厘米級的大尺寸簡單結構件,但是常規的噴鑄、吸鑄、吹鑄工藝會導致的氣孔缺陷,要求制備的薄壁等徑非晶合金管由于壁厚比較薄,氣孔的存在將會嚴重影響產品質量。

目前已有的非晶合金空心管件做出實體的制備方法有江西省科學院應用物理研究所研究在2019年申請專利的非晶合金薄帶繞制成管狀后固定脫出的方式(http://www.xjishu.com/zhuanli/50/201910137943.html),還有中國科學院金屬研究所在2001年采用的離心鑄造法(http://www.irgrid.ac.cn/handle/1471x/700280),并成功制造出外部尺寸為φ30*20mm、厚度1mm的ZrAlNiCu非晶合金環。但上述方法均不適合制備出合作所要求的長尺寸,壁厚均勻的薄壁非晶合金管。

  1. 用什么非晶合金成分來做?

該管件要求壁厚1mm,且全長125mm,因此就要求所選用的非晶合金成分除了要有很好的非晶形成能力之外,更重要的是在充型時要有極低的粘度,因為全尺寸充型完整必須要求合金熔體或液體在1mm的型腔空隙內可以順利流動,不會因為表面張力、溫度降低導致的粘度變化、熔體或液體與腔壁之間的界面張力停止流動,造成充型不完整,因此,模具材料的選擇也需要考慮,模具的散熱速率要與選擇的非晶合金成分的熔體或者液體的流動性相匹配。非晶合金形成能力較好的Vit1合金是商用最廣的合金成分,其在過冷液相區的粘度約為106Pa s(塑料的熱塑性成型的理想粘度區間為0-104 Pa s),液相粘度約在10-100Pa s,因此對于Vit1合金基本可以放棄熱塑成型的方式,對于液相鑄造,該粘度也很難保證在1mm的型腔內順利流動,因而,Vit1合金不是適宜成分。

  1. 模具如何設計?如何保證等徑?

   該管件的制備模具設計是工藝關鍵,因為不僅僅需要考慮好如何保證全尺寸充型完整,更為重要的是要設計好脫模方式,常見的預留脫模角的方式,對于這種尺寸較長,壁厚較薄的產品來說,后續的機加工難度相當高,難以保證等徑的要求,同時也很容易破壞樣品。充型、脫模、等徑是該零件模具設計的三個要點:

①充型:要綜合考慮合金液體的流動性與模具材料的散熱速率(模具材料的選擇以及充型方式)的匹配、澆口位置、澆口數量、溢流槽設計等;

②脫模:需要保證脫模方式簡便可行,脫模劑會在合金液體冷卻時引入異質顆粒同時也會影響液體與模具之間的熱量傳導,脫模角的設計會增加后續機加工的難度,也難以保證等徑的要求。同時,考慮到非晶合金的硬脆特性,多瓣芯模的脫模設計極大可能不適用,脫模過程中薄壁樣品極易遭到破壞。

③等徑:管件全長125mm,要求管徑一致,因而對中間的芯模與外模的相對定位精度要求極高,除了裝配時要內外模具同心同軸之外,還要保證在充型時不會因為液流的作用而發生相對位置偏移。

制備這種尺寸規格的非晶合金管件無論是對于行業內現有的工藝水平還是對于盤星技術部門的技術水平來說,都是一個巨大的挑戰。盤星金屬實驗室迅速成立研發小組,該小組綜合考慮成型方式、模具冷卻、合金熔體流動性、脫模方式、壁厚與長度控制、后處理方式等諸多因素后,決定采用壓鑄成型方式(該方式成型過程中始終處于高真空狀態,沒有氣體參與,制品不存在氣孔等缺陷,采用的是盤星自主設計自主研發的非晶合金壓鑄成型設備),參考鋁合金及塑料注塑成型等工藝特點及其模具設計思路確定了充型方式與澆口設計,查閱了大量非晶合金文獻確定了合適的非晶合金成分與模具材料,確定了多套研制方案,僅用20天時間就完成了從方案設計、成分選擇、模具設計、合金熔煉、制備成型到后處理加工的全流程工藝探索,并成功制備出了內徑40mm、壁厚1mm、全長150mm的等徑薄壁非晶合金管,尺寸遠超對方預期,順利完成預研任務,質量也得到了常春藤高校的高度認可。

1mm薄壁等徑非晶合金管的成功研發,也成功填補了市場上該類產品的空白,為下游管類產品的應用提供了新的選擇,非晶合金管件本身有著極高的機械強度(與鈦合金相比,拉伸強度高1.6倍,彎曲與疲勞強度高2倍,Co基非晶可達6.0Gpa)、韌性(Zr基非晶斷裂韌性可達60MPa.m1/2)以及優異耐磨耐腐蝕性,同時同規格下非晶合金管件有著遠長于傳統金屬管件的使用壽命和遠低于傳統金屬管件的密度,是傳統金屬管件的理想替代品,尤其適合應用于服役環境比較苛刻,對合金管件有特殊性能要求的領域,例如海底管道、輸油管道等。非晶合金管件的成功研發將推動特殊應用領域重要零部件的更新與升級,壽命與性能將大幅度提高。

在積累了這方面的研發經驗之后,盤星金屬實驗室正在進行進一步的工藝探索與產品研發,薄壁階梯非晶合金管、薄壁變徑非晶合金管等正在研發中。

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