專利名稱：一種在塊體非晶合金表面制作微納結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料表面微納結(jié)構(gòu)的制作方法，具體而言為一種在塊體非晶合金表面 快速制作微納結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
塊體非晶合金(Bulk amorphous alloy ；也稱大塊金屬玻璃，Bulk metallic glass)通常是指非晶尺寸在毫米級、臨界冷卻速率低于103K/s的非晶合金體系；與晶態(tài) 合金相比，非晶合金具有長程無序、短程有序的結(jié)構(gòu)特征，使其兼有一般金屬和玻璃的特 性，非晶合金不存在常規(guī)晶態(tài)材料的空位、間隙原子、雜質(zhì)、位錯、晶界和其它界面形式的缺 陷，而這些缺陷都是材料的薄弱位置，易于萌生裂紋，而且還很容易成為腐蝕源；其次，非晶 合金具有金屬鍵結(jié)構(gòu)，從而具有較高的電導(dǎo)率和光學(xué)反射率。非晶合金的這些特點使其相比于常規(guī)晶態(tài)材料具有更優(yōu)異的磁學(xué)、電學(xué)、化 學(xué)、光學(xué)及力學(xué)性能，如高強(qiáng)度、高韌性、耐沖擊、耐磨損等，塊體非晶合金在深過冷液體 區(qū)間有很高的粘滯流動性，表現(xiàn)出類似于超塑性的特性，且這種特性對溫度和應(yīng)變速率 非常敏感，塊體非晶合金的這種超塑性既與非晶向納米晶的轉(zhuǎn)變，也與納米尺寸的晶 體向微米尺寸晶體變化有關(guān)，Saotome等[SA0T0ME Y, IMAI K, SHIODA S, et al. The micro-nanoformability of Pt-based metallic glass and the nanoforming of three-dimensional structures. Intermetallies， 2002, 10 (11-12):1241-1247.] 他們的工作中提出了微、納成形，采用Pt基成功塊體非晶合金制備出了可用于微、納器件 的零件。然而，該方法難以大面積生產(chǎn)，且模具與復(fù)制產(chǎn)品之間的分離阻礙了其應(yīng)用。實際上，對于塊體非晶合金而言，其應(yīng)用面臨的主要問題包括成本高、室溫脆性 大、難以制作大尺寸的非晶零件等，在塊體非晶合金表面進(jìn)行微納成形，不僅可以提高塊體 非晶合金產(chǎn)品的價值，而且如采用薄帶則可以制作大尺寸(二維)的非晶零件；目前在非晶 合金表面制作微納結(jié)構(gòu)的方法主要是表面復(fù)制方法，如何降低加工成本高、提高加工效率， 從而實現(xiàn)大面積制作是目前要解決的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對表面微納結(jié)構(gòu)加工技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種通過局部加熱復(fù)制在塊 體非晶合金表面制作微納結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明通過事先加工好的具有微納結(jié)構(gòu)的模具碾壓處于深過冷液體區(qū)間的塊體 非晶合金表面，從而在塊體非晶合金表面表面上快速復(fù)制出微納結(jié)構(gòu)。具體而言，本發(fā)明的步驟為
采用常規(guī)手段，將塊體非晶合金表面的氧化物、油脂清除干凈，然后使塊體非晶合金需 要加工的表面處于真空或惰性氣體保護(hù)狀態(tài)，并用加熱的輥狀模具，在指定壓應(yīng)力作用下 滾壓需要加工的表面，加熱的溫度應(yīng)保證輥面與塊體非晶合金接觸后能使塊體非晶合金表 面溫度處于深過冷液體區(qū)間，從而獲得具有微納結(jié)構(gòu)的塊體非晶合金表面。
所述的使塊體非晶合金需要加工的表面處于真空或惰性氣體保護(hù)狀態(tài)的方法，是 將塊體非晶合金直接放入真空罩中，然后抽真空到真空度IX IO-2Pa,或者在抽真空后充入 惰性氣體。所述的輥狀模具，采用耐高溫的鈦合金或鎳鉻合金制作，做成中空的輥狀，其輥面 具有通過表面技術(shù)預(yù)先加工出的微納結(jié)構(gòu)，輥面在加工過程中與塊體非晶合金表面接觸； 該模具通過內(nèi)部加熱或傳導(dǎo)加熱，其輥面保持足夠高的溫度，以保證其與塊體非晶合金接 觸后能使塊體非晶合金表面溫度達(dá)到該合金玻璃化溫度Tg以上3(T60°C ；所述輥狀模具的 水平移動速度為5 50mm/S，水平移動速度由速度控制系統(tǒng)控制。所述的指定的壓應(yīng)力為500 30001^。本發(fā)明所涉及的技術(shù)方法，具有如下優(yōu)點
1)表面質(zhì)量好。由于加熱輥與塊體非晶合金接觸時間短，不會導(dǎo)致塊體非晶合金宏觀 上的變形；
2)加工成本低。輥狀模具加工好后可以多次反復(fù)使用，而表面制作過程又不涉及其它 特殊的設(shè)備和工藝要求，因此大大降低了加工成本；
3)加工效率高。一旦輥狀模具加工好，在實際表面制作時，能非常快地形成大面積具有 微納結(jié)構(gòu)的表面；
4)工藝操作靈活。由于采用了預(yù)先加工好的輥狀模具，因此在實際應(yīng)用時不再需要復(fù) 雜的設(shè)備，而且真空泵和滾壓裝置布置靈活，適合對不同位置、不同形狀、不同面積的表面 進(jìn)行加工。因此，通過上述方法，可以在塊體非晶合金表面快速制作出微納結(jié)構(gòu)。


圖1制作結(jié)構(gòu)示意1塊體非晶合金2輥狀模具3溫度控制系統(tǒng)4速度控制系統(tǒng) 圖2輥狀模具和復(fù)制后M^55Cu25Yltl塊體非晶合金表面的SEM照片 (a)輥狀模具經(jīng)微弧氧化處理的含顯微孔隙的陶瓷表面層(b)復(fù)制后的MfeCu25Yici 塊體非晶合金表面。
具體實施例方式在本發(fā)明中所使用的術(shù)語，除非另有說明，一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理 解的含義，下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步詳細(xì)地描述本發(fā)明，應(yīng)理解，這些實施例只是為了 舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍，在以下的實施例中，未詳細(xì)描述的各 種過程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。實施例1
待表面加工的材料為MfeCu25Yici塊體非晶合金；采用機(jī)械打磨方法清除塊體非晶合 金表面的氧化物，然后采用丙酮超聲清洗塊體非晶合金表面的油脂，干燥后將塊體非晶合 金放入真空罩中，抽真空到真空度為1 X IO-2Pa,然后充氬氣到500Pa，采用加熱到220°C直 徑20mm的鈦合金中空輥狀模具，模具具有經(jīng)微弧氧化處理的含顯微孔隙的陶瓷表面層，在 500Pa的壓力作用下，輥狀模具以5mm/s的速度滾壓MfeCu25Yltl塊體非晶合金的表面，塊體非晶合金的表面與輥狀模具接觸后的最高溫度為180°C，這樣在MfeCu25Yltl塊體非晶合金表 面連續(xù)獲得了多孔微納結(jié)構(gòu)。輥狀模具表面及滾壓后MfeCu25Yici塊體非晶合金的表面的掃描電鏡照片如圖2，從 圖中可以看出對應(yīng)輥狀模具表面(如圖2(a))的細(xì)小凹坑，在滾壓后Mg65Cu25Yltl塊體非晶合 金的表面(如圖2(b))有與之成鏡面對稱關(guān)系的突起。實施例2
待表面加工的材料選擇I^e78Si9B13塊體非晶合金；采用酸洗方法清除塊體非晶合金表 面的氧化物，然后采用丙酮超聲清洗塊體非晶合金表面的油脂，干燥后將塊體非晶合金放 入真空罩中，抽真空到真空度為lX10_2Pa，采用加熱到380°C的直徑25mm的鎳鉻合金中空 輥狀模具，模具表面預(yù)先經(jīng)激光加工具獲得了納米柱狀結(jié)構(gòu)，輥狀模具在2000 Pa的壓力作 用下以25mm/s的速度滾壓!^e78Si9B13塊體非晶合金的表面，該表面與輥狀模具接觸后的最 高溫度為330°C，這樣獲得了具有微納結(jié)構(gòu)的表面。實施例3
待表面加工的材料為^55AlltlM5Cu3tl塊體非晶合金；采用酸洗方法清除塊體非晶合金 表面的氧化物，然后采用丙酮超聲清洗塊體非晶合金表面的油脂，干燥后代用。然后將塊體 非晶合金放入真空罩中，抽真空到真空度為IX 10_2Pa，采用加熱到480°C的直徑30mm的鎳 鉻合金中空輥狀模具，模具表面預(yù)先經(jīng)激光加工具獲得了納米柱狀結(jié)構(gòu)，在3000 1 的壓力 作用下以50mm/s的速度滾壓^55AlltlNi5Cu3tl塊體非晶合金的表面，該表面與輥狀模具接觸 后的最高溫度為435°C，這樣獲得了具有微納結(jié)構(gòu)的表面。
權(quán)利要求
1.一種在塊體非晶合金表面制作微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于通過事先加工好的具 有微納結(jié)構(gòu)的模具碾壓處于深過冷液體區(qū)間的塊體非晶合金表面，從而在塊體非晶合金表 面表面上快速復(fù)制出微納結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種在塊體非晶合金表面制作微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于 采用常規(guī)手段，將塊體非晶合金表面的氧化物、油脂清除干凈，然后使塊體非晶合金需要加 工的表面處于真空或惰性氣體保護(hù)狀態(tài)，并用加熱的輥狀模具，在指定的壓應(yīng)力作用下滾 壓需要加工的表面，加熱的溫度應(yīng)保證輥面與塊體非晶合金接觸后能使塊體非晶合金表面 溫度處于深過冷液體區(qū)間，從而獲得具有微納結(jié)構(gòu)的塊體非晶合金表面。
3.如權(quán)利要求2所述的一種在塊體非晶合金表面制作微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于 所述的使塊體非晶合金需要加工的表面處于真空或惰性氣體保護(hù)狀態(tài)的方法是將塊體非 晶合金直接放入真空罩中，然后抽真空到真空度1 X 10_2Pa，或者在抽真空后充入惰性氣體。
4.如權(quán)利要求2所述的一種在塊體非晶合金表面制作微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于 所述的輥狀模具，采用耐高溫的鈦合金或鎳鉻合金制作，做成中空的輥狀，其輥面具有通過 表面技術(shù)預(yù)先加工出的微納結(jié)構(gòu)，輥面在加工過程中與塊體非晶合金表面接觸；該模具通 過內(nèi)部加熱或傳導(dǎo)加熱，其輥面保持足夠高的溫度，以保證輥面與塊體非晶合金接觸后能 使塊體非晶合金表面溫度達(dá)到該合金玻璃化溫度Tg以上3(T60°C。
5.如權(quán)利要求2或4所述的一種在塊體非晶合金表面制作微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在 于所述輥狀模具的水平移動速度為5 50mm/S，水平移動速度由速度控制系統(tǒng)控制。
6.如權(quán)利要求2或4所述的一種在塊體非晶合金表面制作微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在 于所述輥狀模具的直徑為20 30mm。
7.如權(quán)利要求2所述的一種在塊體非晶合金表面制作微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于 所述指定的壓應(yīng)力為500 30001^。
全文摘要
本發(fā)明涉及材料表面微納結(jié)構(gòu)的制作方法，具體而言為一種在塊體非晶合金表面快速制作微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于采用常規(guī)手段，將塊體非晶合金表面的氧化物、油脂清除干凈，然后采用適當(dāng)方式使塊體非晶合金需要加工的表面處于真空或惰性氣體保護(hù)狀態(tài)，并用加熱到足夠高的溫度的輥狀模具，在指定壓應(yīng)力作用下滾壓需要加工的表面，獲得具有微納結(jié)構(gòu)的塊體非晶合金表面。本發(fā)明制得的表面質(zhì)量好、加工成本低、加工效率高、工藝操作靈活。
文檔編號B23P17/04GK102101233SQ201010547008
公開日2011年6月22日 申請日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者趙玉濤, 陳剛, 黃康 申請人:江蘇大學(xué)