[發明專利]通過快速電容器放電進行的金屬玻璃的注射成型

有效

• 申請號: 201280015352.3
• 申請日: 2012-02-15
• 公開（公告）號: CN103443321A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: M·D·黛米里烏;J·P·施拉姆;G·卡騰波克;W·L·約翰遜
• 申請（專利權）人: 加利福尼亞技術學院
• 主分類號: C22F1/00
• 分類號: C22F1/00;C21D1/34;C21D11/00;C22C45/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 楊國權

技術領域

本發明一般地涉及用于形成金屬玻璃的新方法；并且更特別地涉及用于使用快速電容器放電加熱來形成鐵磁金屬玻璃的工藝。

背景技術

非晶材料是新的一類工程材料，該工程材料具有高強度、彈性、耐蝕性以及熔融狀態下的可加工性的獨特組合。非晶材料不同于常規的晶態合金，因為它們的原子結構缺少常規的晶態合金的原子結構的典型長程有序圖案。非晶材料一般地通過使熔融合金以“足夠快”的冷卻速度從結晶相的融化溫度（或熱力學熔化溫度）以上冷卻至非晶相的“玻璃化轉變溫度”以下，從而避免合金晶體的成核和生長。正因如此，非晶合金的加工方法總是涉及對“足夠快的冷卻速度”（也稱為“臨界冷卻速度”）的量化，以確保非晶相的形成。

早期的非晶材料的“臨界冷卻速度”是極高的，量級為10⁶℃/秒。正因如此，常規的鑄造工藝并不適用于如此高的冷卻速度，并且人們開發出了諸如熔融紡絲和平面流鑄之類的特殊鑄造工藝。由于那些早期的合金的結晶動力學是相當快速的，因而對于熔融合金的排熱需要極短的時間（量級為10^-3秒或更小），以繞過結晶，并且因而使得早期的非晶合金的尺寸在至少一個維度上也受到了限制。例如，使用這些常規的技術僅能成功地生產出很薄的箔片和薄帶（厚度的量級為25微米）。因為這些非晶合金的臨界冷卻速度要求嚴重地限制了由非晶合金制成的部件的尺寸，所以早期的非晶合金作為塊體物體和物品的使用受到了限制。

這些年來，人們已確定，“臨界冷卻速度”很大程度上取決于非晶合金的化學組成。因此，大量的研究都集中于開發具有低得多的臨界冷卻速度的新的合金組成。在美國專利No.5,288,344、5,368,659、5,618,359和5,735,975中給出了這些合金的實例，這些專利每個都以引用方式并入本文。這些非晶合金系（也稱為塊體金屬玻璃或BMG）的特征在于臨界冷卻速度低至幾℃/秒，這允許加工并形成比之前可獲得的非晶相物體大得多的塊體非晶相物體。

在可獲得低“臨界冷卻速度”的BMG的情況下，應用常規的鑄造工藝來形成具有非晶相的塊體物品成為了可能。在過去數年中，包括LiquidMetal?Technologies,Inc.在內的眾多公司已經致力于開發用于生產由BMG制成的網形狀金屬部件的商用制造技術。例如，諸如永久型模（mold）金屬壓鑄以及到受熱型模內的注射鑄造之類的制造方法當前正被用來制造商用的硬件和構件，例如，用于標準的消費電子器件（例如，手機和手持式無線器件）的電子套管、鉸鏈、緊固件、醫療器械和其他高附加值的產品。但是，即使塊體凝固的非晶合金提供了對凝固鑄造的基本缺陷（尤其是對以上所討論的壓鑄和永久型模鑄造工藝）的某些修補，但是仍然存在需要解決的問題。首先，需要由范圍更廣泛的合金組成來制成這些塊體物體。例如，目前可購得的具有能夠制成大塊體非晶物體的大的臨界鑄造尺寸的BMG僅限于基于可選范圍很小的金屬的幾組合金組成，包括添加有Ti、Ni、Cu、Al和Be的基于Zr的合金以及添加有Ni、Cu和P的基于Pd的合金，這些合金從工程或成本的角度來說并不一定是最優的。

此外，當前的加工技術需要大量昂貴的機器，以確保創造出適當的加工條件。例如，大多數的成形工藝都需要高真空的或可控的惰性氣體環境、材料在坩堝中的感應熔化、對壓鑄儲筒的金屬注入以及通過壓鑄儲筒到相當精細的型模組件的澆口和模腔內的氣動注射。這些改性的壓鑄機的價格能夠是每臺機器數十萬美元的。而且，因為加熱BMG到目前為止已經通過這些傳統的、緩慢的熱處理來完成，所以用于加工和形成塊體凝固的非晶合金的現有技術總是集中于使熔融合金從熱力學熔化溫度以上冷卻到玻璃化轉變溫度以下。該冷卻要么使用單步驟的單調冷卻操作來實現，要么使用多步驟工藝來實現。例如，金屬型模（由銅、鋼、鎢、鉬、它們的復合物或者其他高導電性材料制成）在環境溫度下被用來促進并加速熔融合金的排熱。因為“臨界鑄造尺寸”與臨界冷卻速度相關聯，所以這些常規的工藝并不適合于形成范圍更廣泛的塊體凝固的非晶合金的較大塊體的物體和物品。另外，通常有必要將熔融合金在高壓下以高速注入模具內，以確保足夠多的合金材料在合金凝固之前被引入模具內，尤其是在制造復雜的且高精密的部件時。因為金屬在高壓力下以高速注入模具之內，例如，在高壓的壓鑄操作中，所以熔融金屬的流動變得易于出現Rayleigh-Taylor不穩定性。這種流動不穩定性的特征在于高韋伯數，并且這種流動不穩定性與促使形成突出的接縫和晶胞（cell）的流動前沿的分裂有關，該接縫和晶胞在鑄造部件中呈現為表面和結構的微缺陷。此外，還存在著在未玻璃化的液體被截留于玻璃化金屬的固體外殼內時沿著壓鑄型模的中心線形成縮孔或空隙的傾向。