使用电容性放电和磁场的金属玻璃的电磁形成制造技术

一种对金属玻璃均匀加热、流变软化并且结合由所施加的电流与横向磁场的相互作用产生的电磁力使用快速电容器放电形成（RCDF）工具使其热塑性形成为网形状的装置和方法。RCDF法利用存储于电容器内的电能的释放来在几毫秒或更短的时间尺度内均匀快速地将金属玻璃合金的样品或供料加热到在非晶金属的玻璃化转变温度与合金的平衡熔点之间的预定的“处理温度”，在该点处，电场与磁场之间的相互作用产生了能够经由包括例如注射成型、动态锻造、冲压锻造和吹塑成型在内的许多技术使受热样品在小于一秒的时间尺度内形成为高质量的非晶块体物品的力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及形成金属玻璃的新方法；并且更特别地涉及用于使用快速电容器放电加热和磁场来施加电磁形成力而形成金属玻璃的工艺。
技术介绍
非晶材料是新的一类工程材料，该工程材料具有高强度、弹性、耐腐蚀性以及熔融状态下的可加工性的独特结合。非晶材料不同于常规的晶态合金，因为它们的原子结构缺少常规的晶态合金的原子结构的典型的长程有序模式。非晶材料一般地通过使熔融合金以“足够快”的冷却速率从结晶相的融化温度(或热力学融化温度)以上冷却至非晶相的“玻璃化转变温度”以下，从而避免合金晶体的成核和生长。正因如此，非晶合金的处理方法总是涉及对“足够快的冷却速率”(也称为“临界冷却速率”)的量化，以确保非晶相的形成。对于早期的非晶材料的“临界冷却速率”是极高的，量级为106°C /秒。同样地，常 规的铸造工艺并不适用于如此高的冷却速率，并且还研发出了诸如熔融纺丝和平面流铸之类的特殊的铸造工艺。由于这些早期的合金的结晶动力学是相当快速的，因而需要熔融合金的排热的极短时间(量级为10_3秒或更小)来绕过结晶，并且从而早期的非晶合金的尺寸同样会在至少一个维度上受到限制。例如，使用这些常规的技术仅能成功生产很薄的箔片和带状体(ribbon)(厚度的量级为25微米)。因为这些非晶合金的临界冷却速率严重地限制了由非晶合金制成的部件尺寸，所以早期的非晶合金作为大体积的对象和商品受到了限制。多年来，确定的是“临界冷却速率”很大程度上取决于非晶合金的化学组成。因此，大量的研究都集中于研发具有更低的临界冷却速率的新的合金组成。在美国专利No. 5，288，344,5, 368，659,5, 618，359和5，735，975中给出了这些合金的实例，并在此以提及方式将其全文并入本文中。这些非晶合金系统(也称为块体金属玻璃或BMG)的特征在于临界冷却速率低至几。C /秒，这允许比之前可实现的非晶相对象更大的块体非晶相对象的处理和形成。在可获得低的“临界冷却速率”BMG的情况下，应用常规的铸造工艺来形成具有非晶相的块体物品成为了可能。在过去数年中，许多公司(包括LiquidMetal技术公司)进行了研发用于生产由BMG制成的网形状金属部件的商用制造技术的努力。例如，诸如永久模具金属压铸和到受热模具(mold)中的注射铸造之类的制造方法当前正被用来制造商用硬件和构件，例如，用于标准的消费类电子器件(例如，手机和手持式无线器件)的电子套管、铰链、紧固件、医疗器械和其他高附加值的产品。但是，即使块体凝固的非晶合金给凝固铸造的基本缺陷，尤其是以上所讨论的压铸和永久模具铸造工艺提供了某些修补，但是仍然存在这需要解决的问题。首先，需要由范围更广泛的合金组成来制成这些块体对象。例如，目前可购得的具有能够制成大块体非晶对象的大的临界铸造尺寸的BMG仅限于基于可选性很小的金属的几组合金组成，包括基于Zr的合金，此外还有Ti、Ni、Cu、Al和Be，以及基于Pd的合金，此外还有Ni、Cu和P，这些合金从工程或成本的角度来说并不一定是最优的。此外，当前的处理技术需要大量昂贵的机器，以确保创造适当的处理条件。例如，大多数的成形工艺需要高真空的或受控惰性气体环境、材料在坩埚中的感应熔化、对压铸储筒的金属注入以及通过压铸储筒气动注射到相当精细的模具组件的浇口和模腔内。这些改性的压铸机的价格能够是数十万美元每台。而且，因为加热BMG到目前为止已经通过这些传统缓慢的热处理来完成了，所以块体凝固的非晶合金的现有处理和形成技术总是集中于使熔融合金从热力学熔化温度冷却到玻璃化转变温度以下。该冷却已经使用单步骤的单调冷却操作或多步骤工艺来实现。例如，金属模具(由铜、钢、钨、钥、它们的复合物或者其他高导电性材料制成)在环境温度下被用来促进和加速熔融合金的排热。因为“临界铸造尺寸”与临界冷却速率相关联，所以这些常规的工艺并不适用于形成范围更广泛的块体凝固的非晶合金的较大块体的对象和物品。另外，通常有必要将熔融合金在高压下以高速注入压模(die)内，以确保足够的合金材料在合金凝固之前被引入压模内，尤其是在复杂的且高精密的部件的制造中。因为金属在高压力下以高速注入压模之内，例如，在高压压铸操作中，熔融金属的流动变得易于出现Rayleigh-Taylor不稳定性。这种流动不稳定性的特征在于高韦伯数，并且这种流动不稳定性与促使形成突出的接缝和单元的流动前沿的破裂有关，该接缝和单元在铸造部件中呈现为表面和结构的微缺陷。同样，还存在着在未玻璃化的 液体被截留于玻璃化金属的固体外壳内部时沿着压铸模具的中心线形成缩孔或空隙的倾向。要修补与使材料从平衡熔点之上快速冷却至玻璃化转变之下相关的问题的尝试大部分都集中于利用过冷液体的动力稳定性和粘性流动特性。已经提出了包括以下操作的方法将玻璃原料加热到玻璃松弛至粘性过冷液体的玻璃化转变之上，施加压力以形成过冷液体，并且继而在结晶之前冷却到玻璃化转变之下。这些有吸引力的方法本质上很类似于用来处理塑料的那些方法。但是，与防止在软化转变之上的结晶相当长的时段内保持稳定的塑料相比，金属过冷液体一旦在玻璃化转变处松弛就会相当快地结晶。因此，金属玻璃在以常规的加热速率(20°C /min)加热时于防止结晶方面稳定的温度范围是相当小的(在玻璃化转变之上的50-100°C)，而在该范围内的液体粘度是相当高的( 109-107Pa-s)。由于这些高粘度，使这些液体形成为所希望的形状所需的压力是巨大的，并且对于许多金属玻璃合金来说能够超过可通过常规的高强度加工获得压力(〈lGPa)。近来已经研发出在以常规的加热速率加热到相当高的温度(在玻璃化转变以上的165°C)时于防止结晶方面稳定的金属玻璃合金。在美国专利申请20080135138以及G. Duan等人的文章(AdvancedMaterials, 19 (2007) 4272)和 A. Wiest 的文章(ActMaterialia，56 (2008) 2525-2630)中给出了这些合金的实例，并在此以提及方式将其全文并入本文中。由于它们防止结晶的稳定性高，低至IO5Pa-S处理粘度变为可达到的，这意味着这些合金比传统的金属玻璃更适合于在过冷液体状态下处理。但是，这些粘度仍然大大高于塑料的处理粘度，塑料的处理粘度典型为10-1000Pa-S。为了获得这样低的粘度，金属玻璃合金应当在通过常规的加热来加热时展示出甚至更高的防止结晶的稳定性，或者以异常高的加热速率来加热，该加热速率会扩大稳定性的温度范围并且将处理粘度降低至对于在处理热塑性塑料中使用的那些粘度来说典型的值。已经进行了试图创造出以下方法的几种尝试将BMG瞬时加热达到足以成形的温度，由此避免以上所讨论的许多问题，并且同时扩充能够成形的非晶材料的类型。例如，美国专利No. 4, 115, 682和 5, 005, 456 以及A. R. Yavari 的文章(Materials Research SocietySymposiumProceedings,644(2001)L12_20_1 !Materials Science&EngineeringA,375-377(2004) 227-234 ;以及 Applied Physics Letters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】...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·L·约翰逊，G·卡腾波克，M·D·黛米里乌，S·N·罗伯特，K·塞韦尔，
申请(专利权)人：加利福尼亚技术学院，
类型：
国别省市：