脉冲强磁场驱动下块体非晶合金高能率成形基础研究

Bulk amorphous alloys with a disorder atomic structure are a novel type of metallic materials developed in the middle of last century. However, the big challenge to industry application of a bulk metallic glass is the extreme difficulty in forming and manufacturing at room temperature. Pulsed high magnetic field forming technique (PHMFF, >2T) developed in recent years seems to be a potential approach to solve this problem, which has the features of high strain rate and high current density. The deformation behavior of amorphous alloys rapidly heated（>1000K/s）is a high-rate deformation（>100m/s）. In this project, the reasonable design for forming device and process optimization provides the most possibility for bulk amorphous alloys forming via PHMFF technique. Then, coupled multi-filed mathematical model for electromagnetic-thermal-structural field will be established; the deformation behavior and microstructure evolution of bulk amorphous alloys subjected to eddy current, heat and mechanics are systematically investigated by theoretical analysis, coupled-field numerical simulation, experiments and microstructure analysis. Based on the researches, we hope to clarify in detail the PHMFF mechanism of bulk amorphous alloys and the influence of processing parameters on materials structure and properties of bulk amorphous alloys. It is envisaged that the success of the present research project can break through the bottle-neck of manufacturing of amorphous alloys, and consequently provide scientific theory and technical experiences for the improvement of application scope of this new type of metallic materials.

块体非晶合金是上世纪后期发展起来的原子结构为长程无序的新型金属材料，其室温脆性导致成形加工难而制约了其广泛的应用。脉冲强磁场（>2T）成形技术是突破现有块体非晶合金成形加工技术瓶颈的最有潜力的方法之一，电磁场的力效应和热效应可以赋予块体非晶合金高密度能量，可以使其获得快速加热（>1000K/s）的同时以高速率（>100m/s）发生变形。本项目利用脉冲强磁场成形技术上实现块体非晶合金的高速成形制造，掌握脉冲强磁场驱动下块体非晶合金在快速升温和高速变形过程中的塑变流动行为和微观组织演化规律及影响因素，从科学的角度阐明非晶合金高能脉冲电磁成形机理的物理本质，从而建立脉冲强磁场电磁成形工艺与块体非晶合金成形件的微观结构及性能而间的关系。本项目的研究对突破块体非晶合金成形加工瓶颈提供了一条新途径，对促进块体非晶合金的工业应用具有重要的工程价值和科学意义。

原子结构长程无序的块体非晶合金因其室温脆性导致成形加工难。本项目利用一种高能率加工技术——脉冲强磁场成形来实现块体非晶合金的高速成形制造，对突破块体非晶合金成形加工瓶颈提供了一条新途径。所取得的主要成果有：（1）研究了电流快速升温下Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金的压缩变形行为，变形行为强烈依赖于温度和应变速率。随着温度的升高和应变速率的降低，非晶合金试样的压缩变形行为能够由脆性断裂转变为塑性变形；然而在高于一定的应变速率条件下，块体非晶合金的变形行为呈现出“越快越软”的现象，说明在电流的作用下较高的应变速率能提高块体非晶合金的变形能力；（2）探究了电流作用下块体非晶合金的变形机理，解耦电迁移效应和焦耳热效应在电塑性效应中的占比。电流能降低金属在塑性变形时的流动应力，提高塑性和延展性——电塑性效应，其中电迁移效应约占37.8%，焦耳热效应约占62.2%。在电流激励拉伸变形过程中，电流的电迁移效应致使非晶合金发生动态回春，促使非晶合金发生塑性变形；（3）提出一种基于背景磁场下直接脉冲放电成形块体非晶合金的成形方案和装置。采用两套放电电容组分别对背景磁场磁体与非晶合金工件通入脉冲电流，以超过临界速率的温升加热达到成形温度，在适当的时序激发背景磁场驱动器产生一个瞬时的脉冲磁场峰值，从而在最佳加工窗口实现高能率成形。直接脉冲放电技术克服了块体非晶合金电导率低无法产生足够的感应涡流，背景磁场实现电磁力的自由调控；（4）研究了块体非晶合金的成形过程中背景磁场的磁场强度、工件的放电电流密度和成形环境与工件成形能力之间的关系，结合数值模拟研究了不同的放电参数对材料变形过程中应力场、温度场分布和应变分布规律；（5）研究了成形后试样的微观结构和晶化行为，结果表明工件成形后仍保持完好的非晶态结构，玻璃转变温度Tg略有升高而晶化点温度Tx和晶化焓没有发生变化，说明脉冲磁场下的电磁成形过程对非晶的热稳定性没有影响。