基于超声振动的非晶合金零件热塑性成形及梯度增韧工艺与机理

Since bulk metallic glass (BMG) has advantages including high strength, strong resistance to corrosion and abrasion, and favorable super-plastic formability at elevated temperatures, it has a wide application prospect in the field of engineering technology. However, its room-temperature brittleness limits the application of BMG parts in conditions with impact load. Hence, it is of great importance to toughen BMG parts during thermoplastic forming. In this project, local ultrasonic vibration will be introduced during the thermoplastic forming of BMG parts, in order to induce local nanocrystallization while improving material formability. Thus, the mold filling of material will be promoted and the gradient toughening of parts will be achieved simultaneously, with accurately shaped and favorably toughened BMG parts obtained. This project will mainly focus on studying the mechanism of BMG local nanocrystallization induced by ultrasonic vibration, exploring the influence regularity of local nanocrystallization on the mechanical properties of BMG, and establishing a BMG thermoplastic constitutive model considering the effects of ultrasonic vibration and nanocrystallization. In addition, an integrated process of BMG gear hot die-forging and gradient toughening will be proposed for validation. This project has an important significance for the improvement of BMG parts performances and the widening of their engineering application ranges.

非晶合金由于具有高强度、耐腐蚀、抗磨损以及热态下良好的超塑性成形能力等优势，在工程技术领域具有广泛的应用前景。但是，非晶合金的室温脆性限制了非晶合金零件在冲击载荷条件下的应用。因此，开展非晶合金零件在成形过程中的增韧研究具有重要意义。本项目提出在非晶合金热塑性成形过程中引入局部超声振动，在提高材料成形能力的同时诱导局部纳米晶化，以促进材料充填型腔并实现零件梯度增韧，从而得到形状精密且性能优良的非晶合金零件。主要研究超声振动诱导非晶合金局部纳米晶化的机理，探索局部纳米晶化对非晶合金材料力学性能的影响规律，建立考虑超声振动塑性效应和纳米晶化效应的非晶合金热塑性本构模型，并以非晶合金齿轮件热模锻成形与梯度增韧一体化工艺为例进行验证。本项目研究成果对于提高非晶合金零件综合性能和拓宽其工程应用范围有着重要意义。

针对非晶合金室温脆性的不足问题，项目团队提出在非晶合金热塑性成形过程中引入局部超声振动，在提高材料成形能力的同时诱导局部纳米晶化。在项目实施过程中，项目团队开发了超声振动辅助非晶合金成形工艺方案并设计制造了相关的成形装置，基于分子动力学学模拟研究了超声振动辅助非晶合金塑性成形的机理，开展了局部超声加载诱导非晶合金纳米晶化的实验研究，分析了合金热塑性成形过程中的氧化问题，提出了基于受控氧化的新型合金材料设计思路，研究了非均质结构对材料耐腐蚀性能的影响。通过本项目的实施，取得了如下成果。发现超声振动辅助加载一方面会在加载过程中促进非晶合金的剪切转变，另一方面会在卸载后造成显著的残余硬化，同时并不会明显改变非晶合金的原子团簇结构，据此提出超声振动加载对非晶合金所造成的残余硬化效应是由反复加载-卸载所造成的材料老化导致的。非晶合金热塑性变形过程中伴随发生显著的氧化，表面氧化层的破裂会在非晶合金表层形成复杂的多晶区氧化物形态，恶化成形后零件的结构完整性和表面光洁度；预变形的高熵合金在高温氧化过程中会发生再结晶，从而造成氧化机制的转变；高熵非晶合金展现出良好的热稳定性和抗氧化性，这些成果不仅为热塑性成形工艺方案设计提供了重要依据，也发现了在热塑性加工成形方面有着良好的应用前景材料体系。晶粒尺寸、缺陷密度、晶界密度等因素对合金材料的耐蚀性能影响显著，而通过非均匀塑性变形，可以在零件内部特定区域形成具备强耐蚀性能的微观组织，从而更好地匹配零件的服役需求，对于设计制造高性能零部件具有重要指导意义。提出了基于氧化物掺杂的非晶合金强韧化思路，实现了非晶合金强度和塑性协同提高，一方面可以降低非晶合金制备过程中对原材料纯度的高要求，有助于降低非晶合金的生产成本，另一方面能够显著提高非晶合金的力学性能，为新型非晶基复合材料体系的开发提供指导。