用于为具有非晶性质的待生产的工件选择合金和生产方法的模拟系统技术方案

本公开提供了一种用于为具有非晶性质的待生产的工件(4)选择合金(L)和生产方法(V)的模拟系统(2)，其中该系统(2)包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于为具有非晶性质的待生产的工件选择合金和生产方法的模拟系统
[0001]本专利技术涉及一种用于为具有非晶性质的待制造的工件选择合金和制造方法的模拟系统和方法、一种计算机可读存储介质、一种用于制造具有非晶性质的工件的制造设备和一种控制方法。
[0002]非晶金属是一类新的材料，其具有在其他材料中无法实现的物理性质或性质组合。
[0003]术语“非晶金属”是指在原子级上不具有结晶结构而具有非晶结构的金属合金。对于金属来说不寻常的非晶原子排列产生了物理性质的独特组合。非晶金属通常比常规的金属更硬、更耐腐蚀且更强，并且同时是高弹性的。晶界的缺失导致较少的化学侵蚀表面，并且因此，金属玻璃不太易受腐蚀。
[0004]金属玻璃，也称为非晶金属，自它们在加州理工学院(California Insti
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tute of Technology)被发现以来已经进行广泛研究。多年来，这种材料类别的加工性和性质都在持续地改善。虽然最早的金属玻璃是简单的二元合金(由两种组分构成)，该金属玻璃的生产要求在106开尔文/秒(K/s)的范围内的冷却速率，但是更新的、更复杂的合金可以在几K/s的范围内的显著更低的冷却速率转化为玻璃态。这对过程管理和可产生的工件有显著影响。熔体的结晶停止施加和熔体在玻璃态下凝固的冷却速率称为临界冷却速率。临界冷却速率是系统特定的变量，其极大程度上取决于熔体的组成，并且此外，限定可实现的最大部件厚度。考虑到存储在熔体中的热能必须由系统足够快速地去除，清楚的是，仅具有小厚度的工件可由系统以高临界冷却速率生产。起初，通常通过熔纺产生金属玻璃。在这种情况下，熔体被剥离到旋转铜轮上并以玻璃样方式以厚度在几百毫米到几十毫米的范围内的薄条带或膜的形式凝固。由于具有显著更低的临界冷却速率的新的复杂的合金的开发，因此越来越可能使用其他生产方法。如今，块状玻璃形成金属合金可能已经通过将熔体浇铸到所冷却的铜模具中来转化为玻璃态。在这种情况下，取决于合金，可实现的部件厚度在几毫米至几厘米的范围内。该种类的合金称为块状金属玻璃(BMG)。现今，已知大量此类合金系。
[0005]块状金属玻璃的细分通常基于其组成来进行，其中按重量计具有最高比例的合金元素被称为基础元素。现有的体系包括例如贵金属基合金(诸如金基、铂基和钯基块状金属玻璃)、前期过渡金属基合金(诸如钛基或锆基块状金属玻璃)、基于铜、镍或铁的晚期过渡金属基系，还有基于稀土(例如，钕或铽)的体系。
[0006]与传统的结晶金属相比，块状金属玻璃通常具有以下性质：
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更高的比强度，其能够实现例如更薄的壁厚度，
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更高的硬度，由此表面可特别地是耐刮擦的，
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更高的弹性拉伸性和弹力，
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热塑性成型性，以及
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更高的耐腐蚀性。
[0012]由于金属玻璃、特别是块状金属玻璃的有利性质，诸如高强度和不存在凝固收缩，它们是非常令人感兴趣的构造材料，原则上，适合于在成批生产方法(诸如注射模塑)中生
产部件，而无需在成型之后强制进行另外的加工步骤。为了防止合金在从熔体冷却期间发生结晶，必须超过临界冷却速率。然而，熔体的体积越大，熔体的冷却越慢(在其他条件不变的情况下)。如果超过一定样品厚度，则在合金可非晶凝固之前发生结晶。
[0013]除了金属玻璃的极好的机械性质之外，玻璃态也产生了独特加工选项。因此，金属玻璃不仅可通过冶金熔化过程来成型，而且可通过以类似于热塑性材料或硅酸盐玻璃的方式在相对低的温度下进行热塑性模塑来成形。为此目的，首先将金属玻璃加热到高于玻璃化转变点，然后表现为可在相对低的力下形成的高粘度液体。在成型之后，再次将材料冷却到低于玻璃化转变温度。
[0014]当加工非晶金属时，通过熔体的快速冷却(在熔融态下冷冻)来防止自然结晶，使得原子在它们可采取晶体排列之前就失去其移动性。晶体材料的许多性质受原子结构的错误(即，所谓的晶格缺陷(间隙、移位、晶界、相界等))影响或由其确定。
[0015]由于快速冷却，该材料的收缩减少，使得可在非晶金属中实现更精确的部件几何形状。塑性变形仅在高于1.8％的伸长率下发生。相比之下，结晶金属材料在显著更低的伸长率(<0.5％)下显示出不可逆变形。此外，高屈服强度和高弹性伸长率的组合产生高弹性能量存储容量。
[0016]然而，所使用的材料的热导率为冷却速率设置了物理限制，这是因为部件中包含的热量必须经由表面释放到环境。这导致在部件的制造性和生产方法的适用性方面的限制。
[0017]已知用于从非晶金属生产工件的各种方法。例如，可使用增材制造方法诸如3D打印来生产工件。可通过调整过程参数诸如扫描速度、激光束的能量或待扫描的图案来确保工件的非晶性质。
[0018]增材制造技术的一个优点是，原则上，可实现任何可设想的几何形状。此外，可能有利的是，在增材制造方法的情况下，无需单独冷却过程，这是因为可通过逐层地生产工件并通过经由激光的激光能量和扫描路径调整熔体池的大小来确保有效冷却。
[0019]增材制造方法的缺点是在应用时的低积累速率，尤其是对于大尺寸工件。此外，高纯度粉末材料必须用作一些应用(即，某些待制造的工件)的增材制造过程的起始材料。如果在材料中存在杂质，则可能在杂质的位置处发生结晶，从而造成结晶金属，这可能导致机械和化学性质的劣化。由于杂质，可能有必要修整工件的表面，这是复杂的。另外，增材制造始终造成在工件的表面上的一定粗糙度，使得在大多数情况下，必须通过磨碎或研磨来修整该表面。
[0020]另外的生产可能性是注射模塑。在这种情况下，可在应用时实现在80g
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120g或更大的范围内的工件重量。待使用的材料通常通过感应加热来在约10秒
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60秒内加热到约900℃
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1100℃并被均质化。
[0021]在加热之后，借助冲头将熔融材料压入模具中。对于材料性质来说重要的是，在模具被完全地填充有材料时，模具内的材料应当始终具有高于材料熔点的温度。为了实现非晶材料性质，随后必须将模具内的液体材料快速地冷却到低于玻璃化转变温度。
[0022]由于材料的冷却速率，在注射模塑中的可能的几何形状被限制于0.3mm
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7.0mm的壁厚度。在更大的壁厚度的情况下，冷却速率太低，使得结晶结构在材料已经冷却到低于玻璃化转变温度之前就形成。在更小的壁厚度的情况下，材料取决于要填充的长度而太快地
冷却并在模具被完全地填充之前就凝固。
[0023]为了在构造、设定尺寸、选择合金材料、选择生产方法等期间提前确保供应到材料的热量可充分地释放到环境，可模拟并分析冷却行为。
[0024]例如，DE 10 2015 110 591 A1描述了用于预测铸铝基部件的材料性质的装置和制造的产品。在这种情况下，基于计算机的系统包括众多计算模块，该计算模块在编程方面彼此相互地作用，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于为具有非晶性质的待制造的工件(4)选择合金(L)和制造方法(V)的模拟系统(2)，所述系统(2)包括：
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输入单元(6)，所述输入单元用于输入所述待制造的工件(4)的要求简档(A)，
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至少一个存储器单元(8)，所述至少一个存储器单元被设计成存储信息数据(I)，其中所述信息数据(I)指定关于用于生产具有非晶性质的工件(4)的多种合金(L)的物理和/或化学和/或机械性质的信息和关于制造方法(V)的信息，并且其中所述要求简档指定所述待制造的工件的几何和/或机械和/或化学性质，
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分析单元(10)，所述分析单元被设计成
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根据所述要求简档(A)和所述信息数据(I)来模拟多个工件(4)以创建模拟数据，
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基于所述模拟数据和所述要求简档(A)来评价所模拟的工件，
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基于所述评价来为所述待制造的工件(4)选择合金(L)和制造方法(V)，
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输出单元(20)，所述输出单元被设计成输出所选择的合金(L)和所选择的制造方法(V)。2.根据权利要求1所述的模拟系统(2)，其特征在于，所述分析单元(10)包括第一模拟单元(14)，所述第一模拟单元被设计成根据所述合金并根据所述要求简档(A)和计算的性质来模拟在所述待制造的工件(4)上的机械载荷并将关于所模拟的机械载荷的信息添加到所述模拟数据。3.根据前述权利要求中任一项所述的模拟系统(2)，其特征在于，所述分析单元(10)包括第二模拟单元(16)，所述第二模拟单元被设计成根据所述合金并根据所述要求简档(A)和所述信息数据(I)来模拟所述待制造的工件(4)的化学性质并将关于所模拟的化学性质的信息添加到所述模拟数据。4.根据前述权利要求中任一项所述的模拟系统(2)，其特征在于，所述信息数据(I)指定关于特别是选自以下项的至少一种物理和/或化学和/或机械性质的信息：
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所述合金的热性质，
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所述合金的介质电阻，
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化学性质，
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基于污染程度的非晶度，
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载荷相关老化现象，和/或
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所述合金的冷却行为。5.根据前述权利要求中任一项所述的模拟系统(2)，其特征在于，所述分析单元(10)被设计成根据所述要求简档(A)从存储在所述至少一个存储器单元(8)内的合金(L)和/或从存储在所述至少一个存储器单元(8)内的制造方法(V)作出预选择，并且基于所述预选择来对合金(L)和/或制造方法(V)作出选择。6.根据前述权利要求中任一项所述的模拟系统(2)，
其中所述分析单元(10)被设计成
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通过将所选择的合金(L)和所选择的制造方法(V)与所述要求简档(A)相关联来生成数据对，
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将所生成的数据对存储在所述至少一个存储器单元(8)中，
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当输入存储在所述存储器单元(8)中的要求简档(A)时，指定与所述要求简档(A)相关联的合金(L)和与所述要求简档(A)相关联的制造方法(V)。7.一种用于为具有非晶性质的待制造的工件(4)选择合金(L)和制造方法(V)的方法，所述方法包括以下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：HJ，
申请(专利权)人：贺利氏非晶态金属科技有限公司，
类型：发明
国别省市：