[发明专利]通过快速电容器放电形成金属玻璃

说明书

技术领域

本发明总的来说涉及一种形成金属玻璃的新方法，更具体地，涉及用于使用快速电容器放电加热形成金属玻璃的工艺。

背景技术

非晶态材料是工程材料的新种类，其具有来自熔融状态的高强度、弹性、耐蚀性和加工性的独特组成。非晶态材料与传统结晶合金的区别在于，它们的原子结构缺乏传统结晶合金的原子结构的典型长距离有序图样。通常通过以“足够快的”冷却速率将熔融合金从晶相的熔化温度(或者热力学熔化温度)之上冷却到非晶相的“玻璃化温度”之下来处理和形成非晶态材料，使得避免了合金晶体的成核和生长。如此，用于非晶态合金的处理方法通常与量化“足够快的冷却速率”(其还被称为“临界冷却速率”)相关，以确保非晶相的形成。

用于早期非晶态材料的“临界冷却速率”非常高，大约为10⁶℃/sec。如此，传统的铸造工艺不适合于这种高冷却速率，并且开发了诸如熔融纺丝和平面流铸的特殊铸造工艺。由于那些早期合金的结晶动力学非常快，要求极其短的时间(大约10^-3秒或更短)用于从熔融合金中进行热量提取以绕过结晶化，由此早期非晶态合金在至少一个维度上尺寸受限。例如，使用这些传统技术仅成功制造非常薄的箔和带(厚度大约25微米)。因为用于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造的部件的尺寸，所以早期非晶态合金作为块状物件和物品的使用受到限制。

这几年来，确定“临界冷却速率”严重依赖于非晶态合金的化学组成。因此，许多研究都致力于开发新的具有非常低临界冷却速率的合金组成。在美国专利第5,288,344、5,368,659、5,618,359和5,735,975中给出了这些合金的实例，其全部内容结合与此作为参考。这些非晶态合金体系(还称为块体金属玻璃或BMG)的特性在于临界冷却速率低至几℃/秒，这使得可以处理和形成比先前大很多的块状非晶相物件。

随着低“临界冷却速率”BMG的利用，变得可以应用传统的铸造工艺来形成具有非晶相的块状成品。在过去的若干年，包括LiquidMetal Technologies公司的许多公司致力于开发用于生产由BMG制造的净形金属部件的商业制造技术。例如，诸如永久铸模金属硬模铸造和加热模具注射铸造的制造方法目前被用于制造商业硬件和部件，诸如用于标准消费电子器件(例如，移动电话和手持无线设备)的电子套管、铰链、紧固件、医疗器械和其他高附加值产品。然而，即使块固化非晶态合金提供了一些对于固化铸造的基本缺陷的补救措施，尤其是对上述硬模铸造和永久铸模铸造工艺，但仍存在需要解决的问题。首要的是，需要从较大范围的合金组成中制造这些块状物件。例如，目前可用的具有大临界铸造尺寸能够制造大块非晶态物件的BMG受限于几组基于非常窄的金属选择的合金组成，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，它们不需要从工程或成本方面进行优化。

此外，目前的处理技术要求大量的昂贵机器来确保创建适当的处理条件。例如，大多数成型工艺要求大体积或可控的惰性气体环境，坩埚中材料的感应熔化、浇铸金属到短套筒以及通过短套筒气力喷射到相当精细的铸模组合的浇注系统和空腔中。这些改进的硬模铸造机器的每个机器会耗费几十万美元。此外，因为迄今完成BMG加热必须经由这些传统的、缓慢的热工艺，所以处理和形成块固化非晶态合金的现有技术总是集中于将熔融合金从热力学熔化温度之上冷却到玻璃化温度之下。这种冷却使用单步骤单调冷却操作或多步骤工艺来实现。例如，利用处于室温的金属模型(由铜、钢、钨、钼、其组合或者其他高导电材料制成)来帮助和加速从熔融合金中进行热量提取。因为“临界铸造尺寸”与临界冷却速率相关，所以这些传统的工艺不适合于形成较大范围的块固化非晶态合金的较大块状物件和成品。此外，通常需要将熔融合金以高速和高压注入到硬模中以确保足够的合金材料在合金固化之前被引入到硬模中，尤其在复杂且高精度部件的制造中。因为将金属在高压且高速率下送给硬模(诸如高压硬模铸造操作)，所以熔融金属的流动变得倾向于瑞利-泰勒不稳定性。这种流动不稳定性的特征在于高韦伯数，并且与引起突出接缝和单元形成的流峰的分裂相关联，其出现为铸件中的表面和结构微缺陷。此外，存在当不能玻璃化的液体被收集到玻璃化金属的固体壳内时沿着硬模铸造模型的中心线形成收缩空腔和多孔的趋势。