通过快速电容器放电锻造形成金属玻璃制造技术

本发明专利技术提供了一种锻造装置及方法，包括：使用快速电容器放电成形（RCDF）工具来对金属玻璃进行均匀加热，流变软化，并使其快速地热塑形成为网状。RCDF方法利用存储于电容器内的电能的放电在几毫秒或更小的时间尺度内将金属玻璃合金的样品或填装料均匀且快速地加热至在非晶材料的玻璃化转变温度与合金的平衡熔点之间的预定的“加工温度”。一旦样品被均匀地加热使得整个样品块具有足够低的加工粘度，就可以通过锻造在小于1秒的时间范围内使其成形为高质量的非晶块状制品。

【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来形成金属玻璃的工艺。
技术介绍
非晶材料是一类新的工程材料，该类工程材料具有高强度、弹性、耐腐蚀性及熔融状态的可加工性的独特组合。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晶态合金的原子结构的典型的长程有序结构。非晶材料一般地通过以“足够快的”冷却速率将熔融合金从结晶相的熔融温度(或者热力学熔融温度)以上冷却至非晶相的“玻璃化转变温度”以下来加工和形成，使得合金晶体的成核及生长得以避免。正因如此，用于非晶态合金的加工方法总是涉及对“足够快的冷却速率”进行量化以确保非晶相的形成，该足够快的冷却速率也称为“临界冷却速率”。早期非晶材料的“临界冷却速率”是极高的，量级为106°C /sec。正因如此，常规的铸造工艺并不适用于这样高的冷却速率，并且开发了诸如熔融旋压和平面流铸之类的特殊的铸造工艺。由于那些早期合金的结晶动力学是足够快的，因而熔融合金的排热需要极短的时间(量级为10_3秒或更小)来绕过结晶，并从而同样在至少一个维度上限制早期非晶态合金的尺寸。例如，只有很薄的箔片和薄带(厚度的量级为25微米)使用这些常规的技术来成功地生产出。因为对这些非晶态合金的临界冷却速率要求严重限制了由非晶态合金制成的部件的尺寸，所以将早期非晶态合金用作块状物体及制品受到了限制。这些年来曾确定“临界冷却速率”很大程度上取决于非晶态合金的化学组成。因此，大量的研究都集中于开发具有低得多的临界冷却速率的新合金组成。在美国专利N0.5，288，344,5, 368，659,5, 618，359及5，735，975中公开了这些合金的实例，并在此以提及方式并入这些专利。这些非晶态合金系(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，这允许加工及形成块体比先前可获得的块体大得多的非晶相物体。`在可获得低“临界冷却速率”的BMG的情况下，应用常规的铸造工艺来形成具有非晶相的块状制品已成为可能。过去数年来，包括液态金属科技公司(LiquidMetalTechnologies, Inc.)在内的众多公司已在努力开发用于生产由BMG制成的网状金属部件的商用制造技术。例如，诸如永久模金属压铸和到受热的型模内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，用于标准的消费电子设备(例如，手机和手持式无线设备)的电子外壳、铰链、紧固件、医疗器械及其他高附加值产品。但是，即使块体凝固的非晶态合金给凝固铸造的根本不足，尤其是给以上所讨论的压铸及永久模铸造工艺提供了某种弥补，仍然还存在需要解决的问题。首先，有必要由范围较广的合金组成来制成这些块状物体。例如，目前可获得的具有能够制成大块体的非晶物体的大临界铸造尺寸的BMG被限制于基于可选范围很窄的金属的少数几组合金组成，包括添加有T1、N1、Cu、Al和Be的Zr基合金以及添加有N1、Cu和P的Pd基合金，这不是从工程的角度就是从成本的角度未必得到了优化。另外，当前的加工技术需要大量的昂贵机器来确保创造出适当的加工条件。例如，大部分成形工艺都需要高真空环境或受控惰性气体环境、材料在坩埚内的感应熔化、对压铸储筒的金属注入，以及穿过压铸储筒进入相当精细的型模组件的闸口(gating)和腔内的气动注射。这些修改后的压铸机器的成本能够是数十万美元每台。而且，因为加热BMG至今为止都经由这些传统的慢热工艺来完成，所以加工和形成块体凝固的非晶态合金的现有技术总是聚焦于将熔融合金从热动力学熔融温度以上冷却至玻璃化转变温度以下。该冷却已使用单步骤的单调冷却操作或者多步骤工艺来实现。例如，金属型模(由铜、不锈钢、钨、钥，它们的合成物，或者其他高电导率材料制成)在环境温度下被用来促进和加快熔融合金的排热。因为“临界铸造尺寸”对应于临界冷却速率，所以这些常规的工艺并不适用于以范围较广的块体凝固非晶态合金来形成较大的块状物体和制品。另外，往往有必要在高压下将熔融合金高速地注入模具，以确保在合金凝固之前将足够的合金材料引入模具内，尤其是在制造复杂且高精度的部件方面。因为金属在高压下被高速地(例如，以高压压铸操作)注入模具内，所以熔融金属的流动变得倾向于Rayleigh-Taylor不稳定。这种流动不稳定性的特征在于韦伯数(Weber number)高,并且该流动不稳定性与促使形成突出缝线和胞粒的流动前沿的散开有关，这些缝线和胞粒在铸造部件中呈现为表面的及结构的微缺陷。同样，还存在着在非玻璃化液体被圈闭于玻璃化金属的固态外壳内部时形成沿着压铸型模的中心线的缩孔或孔隙的趋势。弥补与使材料从平衡熔点以上到玻璃化转变以下的快速冷却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。已经提出了包括下列操作的方法:将玻璃原料加热到其中玻璃松弛至粘性过冷液体的玻璃化转变以上，施加压力以形成过冷液体，并且随后在结晶之前冷却至玻璃化转变以下。这些有吸引力的方法实质上很类似于用来加工塑料的方法。但是，与超长时间地在软化转变以上保持为抗结晶稳定的塑料对比，金属过冷液体一旦松弛至玻璃化转变就相当快速地结晶。因此，金属玻璃在以常规的加热速率(20°C /min)来加热时于其内为抗结晶稳定的温度范围是相当小的(玻璃化转变以上的50-100°C)，而在该范围内的液体粘性是相当高的( 109-107Pa-s)。由于这些高粘性，使这些液体形成为所期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，该压力能够超过可通过常规的高强度工具获得的压力(〈lGPa)。最近，开发出了在以常规加热速率一直加热至相当高的温度(玻璃化转变以上的165°C)时仍抗结晶稳定的金属玻璃合金。在美国专利申 请20080135138以及G.Duan等人的论文(Advanced Materials,19(2007)4272)和 A.Wiest 的论文(Acta Materialia，56 (2008) 2525-2630)中给出了这些合金的实例，上述专利及论文以提及方式被并入本文。由于它们抗结晶的高稳定性，低至IO5Pa-S的加工粘度成为可达到的，这表明这些合金比传统的金属玻璃更适合在过冷液态下加工。但是，这些粘度仍然显著高于典型为IO-1OOOPa-S的塑料的加工粘度。为了获得这样低的粘度，金属玻璃合金要么在通过传统加热方式加热时展示出甚至更高的抗结晶稳定性，要么以异常高的加热速率来加热，该异常高的加热速率会扩大稳定性的温度范围并且使加工粘度降低至在加工热塑料中使用的加工粘度的典型值。已经做过几次尝试:创建一种将BMG瞬时加热至足以成形的温度，借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N0.4, 115, 682 和 5,005,456 以及 A.R.Yavari 的论文(Materials Research SocietySymposium Proceedings,644(2001)L12-20-1, Materials Science&Engineering A,375-377(2004)227-234 ;以及 Applied Physics Letters, 81 (9) 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：G·卡腾波克，J·P·施拉姆，M·D·黛米里乌，W·L·约翰逊，
申请(专利权)人：加利福尼亚技术学院，
类型：
国别省市：