ZrCu基非晶合金电致加热超塑性近净成形及流变机理研究

The electrical contact heating net-shape superplastic forming approach of bulk metallic glasses (BMG) has been recently developed. Joule heating and electroplastic effects play an important role on rheological behavior and forming processes in the BMG. However, the mechanism of the effect is still unclear. In this project, we will select the ZrCu based amorphous alloys as the research objective. Square wave impulse current will be used to heat the BMG samples and the effect of current parameters on microstructure and thermal physical property of BMG will be obtained. The interaction mechanism of moving electrons and amorphous alloys will be analyzed. Furthermore, the effect of current and deforming parameters on rheological behavior and superplastic properties of BMG will be also studied by in-situ electrical contact heating tensile test. The relationship of microstructure evolution and mechanical behaviors will be revealed. Finally, the influence of current and extrusion parameters on filling behavior by electrical contact heating and extrusion process approach will be discussed. The principle of electroplastic effect and filling behavior will be illuminated, which purpose is to prepared the BMG parts without gas protection under the condition of non-vacuum. Some fundamental data and theoretical implications will be provided for net-shape superplastic forming BMG parts.

大块非晶合金(BMG)电致加热超塑性成形是新近发展的近净成形方法。电流产生的焦耳热效应和电致塑性效应对BMG的流变行为和成形过程有重要影响，但机制尚不清楚。本项目从微观结构和宏观力学的相互关系角度，研究电流与BMG相互作用及其对成形性能的影响。以ZrCu基BMG为研究对象，以方波脉冲电流加热方式研究电流对BMG结构和热物性影响，解析运动电子与BMG原子相互作用对微观结构、热物性影响规律；利用原位电致加热拉伸实验，研究工艺参数(电流和形变)对BMG流变行为和超塑性能的影响，揭示BMG结构演化与力学行为的关联；将电致加热与挤压工艺相结合，研究成形工艺参数(电流和挤压)对BMG充填性能的影响，阐明电致塑性对BMG充填行为的影响规律，以期实现非真空无气保条件下的制件近净成形。本研究的完成可充实BMG近净成形基础理论体系，为实现工艺简单、成本低和高效地制备BMG制件提供实验和理论依据。

本项目以ZrCu基非晶合金（BMG）为研究对象，研究了电致处理对BMG组织结构和性能的影响，关注了BMG电致成形行为。采用试验和离散元模拟的方式，深入研究了BMG制备和性能表征，BMG及复合材料形变模拟的适用模型，运动电子与BMG原子相互作用对微观结构、热物性及力学性能的影响规律。研究结果表明，所选合金体系具有较高的粘度和良好的热稳定性。平行黏结模型适合模拟ZrCu基BMG室温下单轴压缩的力学行为，线性接触黏结模型适合模拟其过冷液相区温度下的超塑性变形行为。通过研究CNTs在BMG中的超塑性取向分布获得BMG的成型模具优化参数为挤压比9，模具中心锥角100°。电致处理过程中电流、电压和时间的改变都会对非晶的微观结构产生一定的影响，三个条件参数相比较，它们对微观结构变化影响程度的大小依次为电流>电压>处理时间。选取适当条件参数的电致处理不仅会保留样品的非晶结构，并且还能显著增加样品的塑性。利用自制模具制备了BMG电致成形样品。在本项目支持下，共发表论文9篇（其中SCI收录论文7篇），另有两篇SCI刊源论文已投稿，获批国家发明专利5项，实用新型专利2项。