一種用于熔化材料的裝置制造方法
【專利摘要】本公開涉及一種用于熔化材料的裝置。理想的是，當熔體被加熱或熔化時，在水平設計的系統(tǒng)的熔化區(qū)中以期望的高溫牽制熔體，但不引入門來物理地阻止熔體。示例性的裝置可包括：被配置為在其中接收用于熔化的材料的容器；鄰近該容器放置以在其中熔化材料的負載感應線圈；以及和負載感應線圈同軸地放置的牽制感應線圈。本申請的實施例的技術效果包括，在水平設計的系統(tǒng)的熔化區(qū)中以期望的高溫牽制熔體，但不引入門來物理地阻止熔體。
【專利說明】—種用于熔化材料的裝置
【技術領域】
[0001]本公開總體涉及通過RF功率的同軸熔化控制，更具體而言，用于熔化材料以及用于在熔化期間將熔融材料牽制(contain)在熔化區(qū)內的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]一些注模機在將材料注入到模具之前使用感應線圈來熔化材料。然而，在水平放置的機器中，其中在用于水平噴射而放置的容器中熔化材料，來自感應線圈的磁通趨向使得熔體不可預知地移動，例如流向和/或流出熔化區(qū)，這可能使得難于控制熔化的均勻性和溫度。
[0003]在用于水平噴射而設計的容器中熔化的當前解決方案包括使用與熔體接觸并物理地阻止熔體從熔化區(qū)中的感應線圈(水平地)流出的門。然而由于門的配置，問題出現(xiàn)了，其中門是與熔體的接觸點，而雜質可能由門引入。此外，門的配置可能會減少用于熔化區(qū)的可用空間，因為門必須被開啟或關閉，以便允許熔體流動。另外，由于熔體注入過程期間何時提高門的定時控制的挑戰(zhàn)，熔體可能不合意地流向容器的水平噴射路徑和/或從容器的水平噴射路徑流出。此外，門可能是易耗部件，從而使用一定次數(shù)后需要更換。

【發(fā)明內容】

[0004]理想的是，當熔體被加熱或熔化時，在水平設計的系統(tǒng)的熔化區(qū)中以期望的高溫牽制熔體，但不引入門來物理地阻止熔體。
[0005]根據(jù)此處用于在容器中熔化材料(例如金屬或金屬合金)的實施例的建議解決方案是將熔體或熔融材料牽制在熔化區(qū)內。
[0006]根據(jù)各種實施例，提供了一種裝置。該裝置可包括:被配置為在其中接收用于熔化的材料的容器；鄰近該容器放置以在其中熔化材料的負載感應線圈；以及和負載感應線圈同軸地放置的牽制(containment)感應線圈。牽制感應線圈被配置為在負載感應線圈內牽制熔體。
[0007]本申請的實施例的技術效果包括，在水平設計的系統(tǒng)的熔化區(qū)中以期望的高溫牽制熔體，但不引入門來物理地阻止熔體。
[0008]根據(jù)各種實施例，提供了一種使用裝置的熔化方法。該裝置可包括:被配置為在其中接收用于熔化的材料的容器；鄰近該容器放置以在其中熔化材料的負載感應線圈；以及和負載感應線圈同軸地放置的牽制感應線圈?？赏ㄟ^在第一 RF頻率下操作負載感應線圈而加熱容器中的材料，以形成熔融材料。當加熱時，可在第二 RF頻率下操作牽制感應線圈，以將熔融材料牽制在負載感應線圈內。
[0009]根據(jù)各種實施例，提供了一種使用裝置的熔化方法。該裝置可包括:被配置為在其中接收用于熔化的材料的容器；鄰近該容器放置以在其中熔化材料的負載感應線圈；以及和負載感應線圈同軸地放置的牽制感應線圈。可通過在第一 RF頻率下操作負載感應線圈而加熱容器中的材料，以形成熔融材料。當加熱時，可在第二 RF頻率下操作牽制感應線圈，以將熔融材料牽制在負載感應線圈內。一旦為熔融材料達到并保持在期望的溫度，可停止牽制感應線圈的操作，并將熔融材料通過噴射路徑從容器噴射到模具中。
[0010]此外，根據(jù)實施例，用于熔化的材料包括BMG原料，而可形成BMG部件。
[0011]此外，在實施例中，第一感應線圈和第二感應線圈是相同線圈的部分，其中它們彼此電連接，但在陣列中被配置，使得生成不均勻的磁場。在另一個實施例中，第一感應線圈和第二感應線圈是相同線圈的部分并與電抽頭相關聯(lián)，該電抽頭允許一個或兩個線圈的獨立控制，即單個線圈的至少一部分或一側的控制，以便可以改變磁場。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1A提供示例性的塊體(bulk)凝固非晶態(tài)合金的溫度-粘度圖。
[0013]圖1B提供用于示例性的塊體凝固非晶態(tài)合金的時間-溫度轉變(TTT)圖的圖表。
[0014]圖2A至2D顯示用于材料熔化和牽制的第一感應線圈和第二感應的排列的各種示例性實施例。
[0015]圖3顯示根據(jù)本教導各種實施例的示例性的注模系統(tǒng)/裝置的示意圖。
[0016]圖4描述被配置為具有感應線圈的注模系統(tǒng)。
[0017]圖5描述根據(jù)本教導各種實施例的另一個示例性的注模系統(tǒng)/裝置。
[0018]圖6描述根據(jù)本教導各種實施例的用于熔化/模制材料的方法。
【具體實施方式】
[0019]此處通過對其整體引用而并入本說明書中引用的所有出版物、專利和專利申請。
[0020]此處使用“一”和“一個”來指代冠詞的一個或一個以上(即至少一個)的語法對象。例如，“一聚合物樹脂”是指一種聚合物樹脂或一種以上的聚合物樹脂。此處引用的任何范圍是包含邊界的。整個此說明書中使用的術語“基本上”和“大約”用于描述和解釋小幅波動。例如，它們可以指小于或等于±5%，例如小于或等于±2%，例如小于或等于±1%，例如小于或等于±0.5%，例如小于或等于±0.2%，例如小于或等于±0.1 %，例如小于或等于 +0.05% ο
[0021]塊體凝固非晶態(tài)合金或塊體金屬玻璃(“BMG”)是最近開發(fā)的金屬材料種類。這些合金可以相對緩慢的速度凝固或冷卻，并且它們在室溫下仍然保留了無定形的非結晶狀態(tài)(即玻璃態(tài))。非晶態(tài)合金具有比它們的結晶對應物優(yōu)越的性能。然而，如果冷卻速度不夠高，冷卻過程中晶體可能在合金內部形成，使得非晶狀態(tài)的好處可能喪失。例如，由于緩慢冷卻或天然合金材料中的雜質，制造塊體非晶態(tài)合金部件的一個挑戰(zhàn)是部件的部分結晶。因為希望在BMG部件中高度非晶化(相反地，低度的結晶度)，有必要開發(fā)用于鑄造具有可控量的非晶化的BMG部件的方法。
[0022]圖1A (獲取自第7575040號美國專利)顯示示例性的塊體凝固非晶態(tài)合金的粘度 _ 溫度圖，來自由 Liquidmetal Technology 制造的 Zr—Ti—Ni—Cu—Be 族的 VIT-001系列。應當指出的是，在非晶態(tài)固體的形成期間，對于塊體凝固非晶態(tài)金屬來說沒有明確的液體/固體轉變。隨著漸增的過度冷卻，熔融的合金變得越來越粘稠，直到它接近玻璃轉變溫度附近的固體形式。因此，塊體凝固非晶態(tài)合金的凝固前沿溫度可以在玻璃轉變溫度周圍，在此處，為了拉出淬火的非晶態(tài)片材產品，其中合金實際上起固體作用。[0023]圖1B (獲取自第7575040號美國專利)顯示示例性的塊體凝固非晶態(tài)合金的時間-溫度-轉變(TTT)冷卻曲線或TTT圖。塊體凝固非晶態(tài)金屬在冷卻時并沒有經(jīng)歷液體/固體結晶轉變，與傳統(tǒng)的金屬一樣。取而代之的是，隨著溫度的降低(在玻璃轉變溫度Tg附近)，高溫下(在“熔化溫度”Tm附近)發(fā)現(xiàn)的金屬高流動性的非結晶形式變得更粘稠，最終呈現(xiàn)傳統(tǒng)固體的外表物理特性。
[0024]對于塊體凝固非晶態(tài)金屬即使沒有液體/結晶轉變，“熔化溫度”Tm可被定義為相應結晶相的熱力學液相線溫度。在此制度下，在熔化溫度處的塊體凝固非晶態(tài)合金的粘度位于約0.1泊至約10000泊的范圍內，有時甚至低于0.01泊。“熔化溫度”處的較低粘度將為用于形成BMG部件的塊體凝固非晶態(tài)金屬提供更快和完整地填充殼體/模具的復雜部分。此外，形成BMG部件的熔化金屬的冷卻速度必須使得冷卻過程中的時間-溫度曲線圖不橫斷圖1B的TTT圖中限定的結晶化區(qū)域的鼻狀區(qū)域。在圖1B中，Tnose是臨界結晶溫度Tx，其中結晶是最快的并且在最短時標上發(fā)生。
[0025]過度冷卻的液體區(qū)域，Tg和Tx之間的溫度區(qū)域是對塊體凝固合金的結晶有非凡的穩(wěn)定性的表現(xiàn)。在這種溫度區(qū)域中，塊體凝固合金作為高粘度液體存在。過度冷卻的液體區(qū)域中塊體凝固合金的粘度可在玻璃轉變溫度處的IO12Pa下至結晶化溫度處的IO5Pa之間變化，是過度冷卻的液體區(qū)域的溫度限制。在施加的壓力下，具有這種粘度的液體可承受大量的塑性應變。此處的實施例利用過度冷卻液體區(qū)域中大的塑性可成形性作為成形和分離方法。
[0026]需要澄清關于Tx的事項。從技術上講，TTT圖中所示的鼻形曲線將Tx描述為溫度和時間的函數(shù)。因此，不管加熱或冷卻金屬合金時采用的軌跡如何，當達到TTT曲線時就已經(jīng)達到Tx。在圖1B中，Tx被顯示為虛線，因為Tx可以從接近Tm變到接近Tg。
[0027]圖1B的示意性TTT圖顯示壓鑄從處于或高于Tm到低于Tg而時間-溫度軌跡(如(I)示為示例性的軌跡)沒有達到TTT曲線的處理方法。在壓鑄期間，成形與快速冷卻基本上同時發(fā)生，用以避免軌跡達到TTT曲線。超塑成形(SPF)處理方法從處于或低于Tg到低于Tm而時間-溫度軌跡(如(2)、(3)、(4)示為示例性的軌跡)沒有達到TTT曲線。在SPF中，非晶態(tài)BMG被重新加熱到過度冷卻液體區(qū)域，此處，可用的處理窗比壓鑄大得多，導致更好的處理可控性。SPF處理不需要快速冷卻以避免冷卻期間的結晶。此外，正如由示例軌跡(2)、(3)和(4)所示，在SPF期間的最高溫度高于Tnose或低于Tnose到高達約Tm，可以實現(xiàn)SPF。如果加熱一塊非晶態(tài)合金但管理以避免達到TTT曲線，則已經(jīng)加熱到“Tg和Tm之間”，但是將不會達到Tx。
[0028]塊體凝固非晶態(tài)合金在20C/min的加熱速度時采用的典型差示掃描量熱計(DSC)的加熱曲線通常描述TTT數(shù)據(jù)上的特定軌跡，其中將可能在某一溫度下看到Tg，DSC加熱傾斜穿過TTT結晶開始時的Tx，以及當相同的軌跡穿過熔化溫度范圍時的最終熔化高峰。如果以圖1B中軌跡(2)、(3)和(4)的向上傾斜部分所示的快速加熱速率加熱塊體凝固非晶態(tài)合金，則能完全避免TTT曲線，而DSC數(shù)據(jù)將顯示玻璃轉變，但在加熱時不顯示Tx?？紤]這一點的另一種方式是，軌跡(2)、(3)和(4)可落入TTT曲線(甚至在它上面)的鼻狀和Tg線之間溫度的任意位置，只要它不達到結晶曲線。這只是意味著，隨著增加處理溫度，軌跡中的水平穩(wěn)定期可能變得短得多。
[0029]祖[0030]術語“相”在此處可以指熱力學相圖中找到的術語。相是空間的區(qū)域(例如熱力學系統(tǒng))，貫穿該空間區(qū)域中，材料的所有物理特性基本上均勻。物理特性的實例包括密度、折射率、化學成分和晶格周期性。相的簡單描述是化學上均勻、物理上不同和/或機械可分離的材料區(qū)域。例如，在由玻璃罐子中的冰和水組成的系統(tǒng)中，冰塊是一相，水是第二相，而水上的潮濕空氣是第三相。罐子的玻璃是另一種單獨的相。相可指代固溶液，它可以是二元、三元、四元或更多元的溶液或化合物，例如金屬互化物。作為另一個實例，非晶相不同于結晶相。
[0031]金屬、過渡金屬和非金屬
[0032]術語“金屬”指的是正電性的化學元素。在本說明書中的術語“元素”一般是指可在周期表中找到的元素。物理上看，基態(tài)的金屬原子包含部分填充的帶，空態(tài)接近占有態(tài)。術語“過渡金屬”是周期表中3至12族內的任意金屬元素，過渡金屬具有不完整的內電子層，并在一系列元素中充當最具正電性和最不具正電性之間的過渡連接。過渡金屬特征在于多個化合價、有色化合物并且能夠形成穩(wěn)定的復合離子。術語“非金屬”是指不具有失去電子并形成正離子的能力的化學元素。
[0033]可使用任何合適的非金屬元素或它們的組合物，隨應用而定。合金(或“合金組合物”)可包括多種非金屬元素，例如至少兩種、至少三種、至少四種或更多種非金屬元素。非金屬元素可以是周期表中13-17族中發(fā)現(xiàn)的任意元素。例如，非金屬元素可以是F、Cl、Br、
1、At、O、S、Se、Te、Po、N、P、As、Sb、B1、C、S1、Ge、Sn、Pb 和 B 中的任意一個。偶爾，非金屬元素也可以指13-17族中的某些準金屬(例如B、S1、Ge、As、Sb、Te和Po)。在一個實施例中，非金屬元素可包括B、S1、C、P或它們的組合。因此，例如，該合金可包括硼化物、碳化物或二者兼而有之。
[0034]過渡金屬元素可以是鈧、鈦、銀、鉻、猛、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、乾、錯、銀、鑰、锝、釕、錯、鈕、銀、鋪、給、組、鶴、鍊、餓、依、怕、金、萊、韋盧、韋杜、韋吾、韋波、.黑、韋麥、韋達、韋侖和韋哥。在一個實施例中，含有過渡金屬元素的BMG可具有Sc、Y、La、Ac、T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、N1、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd 和 Hg 中的至少一個。可使用任何合適的過渡金屬元素或它們的組合，隨不同的應用而定。合金組合物可包括多種過渡金屬元素，例如至少兩種、至少三種、至少四種或更多種過渡金屬元素。
[0035]當前所述的合金“樣品”或“標本”合金可具有任意形狀或大小。例如，該合金可以具有顆粒形狀，其可具有諸如球形、橢球、線狀、棒狀、薄片狀、鱗片狀或不規(guī)則狀的形狀。該顆?？删哂腥我獬叽?。例如，它可具有約I微米到約100微米之間的平均直徑，例如在約5微米到約80微米之間,例如在約10微米到約60微米之間,例如在約15微米到約50微米之間,例如在約15微米到約45微米之間，例如在約20微米到約40微米之間，例如在約25微米到約35微米之間。例如，在一個實施例中，微粒的平均直徑在約25微米到約44微米之間。在一些實施例中，可使用更小的顆粒，例如納米范圍內的顆粒，或者更大的顆粒，例如大于100微米的顆粒。
[0036]合金樣品或試樣還可以有大得多的尺寸。例如，它可以是塊體結構的部件(例如鑄錠)，電子設備的外殼/殼體，甚至是具有毫米、厘米或米范圍尺寸的結構部件的一部分。
[0037]固溶液
[0038]術語“固溶液”是指固體形式的溶液。術語“溶液”是指兩種或多種物質的混合物，它可以是固體、液體、氣體或這些物質的組合。該混合物可以是同質的或者異質的。術語“混合物”是彼此組合并且通常能夠分離的兩種或多種物質的組合物。通常，兩種或多種物質化學上不會彼此組合。
[0039]合金
[0040]在一些實施例中，此處所述的合金組合物可被完全合金化。在一個實施例中，“合金”是指兩種或多種金屬的同質混合物或固溶液，一種金屬的原子取代或占用另外的金屬的原子之間的間隙位置，例如黃銅是鋅和銅的合金。和復合物相比，合金可以指金屬基質中一種或多種元素的部分或完整的固溶液(例如金屬基質中的一種或多種化合物)。術語合金在此處可以指可給出單一固相微觀結構的完整固溶液合金和可給兩個或兩個以上相的部分溶液。此處所述的合金組合物可以指包括合金的組合物或包括含有合金組合物的組合物。
[0041]因此，完全合金化的合金可具有組分的同質分布，無論它是固溶液相、化合物相或兩者兼而有之。此處所用的術語“完全合金化”能夠解釋容差范圍內的較小變化。例如，它可以指至少90%的合金化，例如至少95%的合金化，例如至少99%的合金化，例如至少99.5%的合金化，例如至少為99.9%的合金化。此處的百分比可以指體積百分比或重量百分比，這取決于上下文?？捎呻s質平衡這些百分比，雜質可以是并非合金的一部分的化合物或相的形式。
[0042]非晶或非結晶固體
[0043]“非晶態(tài)”或“非結晶固體”是缺少晶格周期性的固體，晶格周期性是晶體的特征。正如此處所使用，“非晶態(tài)固體”包括“玻璃”，玻璃是加熱時通過玻璃轉變而軟化并轉換成像液體狀態(tài)的非晶態(tài)固體。通常，非晶態(tài)材料缺乏晶體的長程有序特征，雖然它們在原子長度尺度上由于化學鍵的特性而具有一些短程有序?？苫谕ㄟ^結構表征技術(例如X-射線衍射和透射電子顯微鏡)確定的晶格周期性來對非晶態(tài)固體和結晶固體加以區(qū)別。
[0044]術語“有序”和“無序”指定多粒子系統(tǒng)中某些對稱或相關性的存在或不存在。術語“長程有序”和“短程有序”可基于長度尺度來區(qū)分材料中的有序。
[0045]固體中有序的最嚴格形式是晶格周期性:一再重復某一模式(單位單元中原子的排列)以形成平移不變的空間平鋪。這是晶體的定義特性?？赡艿膶ΨQ性已被分類為14種布拉維晶格和230種空間群。
[0046]晶格周期性意味著長程有序。如果只有一個單位單元是已知的，則憑借平移對稱性，有可能精確地預測在任意距離處的所有原子位置。反過來通常是真的，除了(例如)在準晶體中，準晶體具有完全確定的平鋪但并不具有晶格周期性。
[0047]長程有序以物理系統(tǒng)為特征，在該物理系統(tǒng)中相同樣品的遠程部分展示出相關的行為。這可表示為相關函數(shù)，即自旋-自旋相關函數(shù)<(1，1’)=<800，800 >。
[0048]在上面的函數(shù)中，s為自旋量子數(shù)，而X是特定系統(tǒng)內的距離函數(shù)。此函數(shù)在x=x’時等于一，并隨距離|χ-χ’ I的增加而減少。典型地，在長距離處它呈指數(shù)衰減到零，并且該系統(tǒng)被認為是無序的。然而，如果相關函數(shù)在大的|χ-χ’ I處衰減到恒定值，則可以說系統(tǒng)具有長程有序。如果以距離的冪衰減到零，則它可被稱為準長程有序。注意的是，構成大的
X-X' I值的是相對的。
[0049]當定義系統(tǒng)行為的一些參數(shù)是不隨時間演變的隨機變量(即它們被淬火或凝固)時，可以說系統(tǒng)呈現(xiàn)淬火無序-例如，自旋玻璃。它與退火無序相反，其中允許隨機變量自我演變。此處的實施例包括含有淬火無序的系統(tǒng)。
[0050]此處所述的合金可以是結晶、部分結晶、非晶態(tài)或基本上非晶態(tài)。例如，合金樣品/試樣可包括至少一些結晶性，而微粒/晶體具有納米和/或微米范圍的尺寸?？商鎿Q地，合金可以是基本上非晶態(tài)，例如完全非晶。在一個實施例中，該合金組合物至少基本上不是非晶，例如基本上是結晶的，例如完全結晶的。
[0051 ] 在一個實施例中，在另外非晶態(tài)合金中晶體或多個晶體的存在可被解釋為其中的“結晶相”。合金的結晶度程度(或在一些實施例中簡稱“結晶度”)可以指存在于合金中的結晶相的量。程度例如可以指合金中存在的晶體的分數(shù)。分數(shù)可以指體積分數(shù)或重量分數(shù)，這取決于上下文。非晶態(tài)合金“非晶”到什么程度的度量可以是非晶度?？稍诮Y晶度程度方面測量非晶度。例如，在一個實施例中，可以說具有低結晶度程度的合金具有高的非晶度程度。在一個實施例中，例如具有60% (體積百分比)的結晶相的合金可具有40% (體積百分比)的非晶相。
[0052]非晶態(tài)合金或非晶態(tài)金屬
[0053]“非晶態(tài)合金”是具有非晶成分超過50% (體積百分比)的合金，所述非晶成分優(yōu)選是超過90% (體積百分比)的非晶成分，更優(yōu)選大于95% (體積百分比)的非晶成分，并且最優(yōu)選超過99%至幾乎達到100% (體積百分比)的非晶成分。注意的是，如上所述，高非晶度的合金等效于低的結晶度程度。“非晶態(tài)金屬”是具有無序的原子尺度結構的非晶態(tài)金屬材料。和結晶的并因此具有高度有序的原子排列的大多數(shù)金屬相比，非晶態(tài)合金為非結晶的。冷卻期間在其中直接從液態(tài)產生這種無序結構的材料有時被稱為“玻璃”。因此，非晶態(tài)金屬通常被稱為“金屬玻璃”或“玻璃金屬”。在一個實施例中，塊體金屬玻璃(BMG)可指其微觀結構至少部分是非晶態(tài)的合金。然而，除了極其快速冷卻外，還有幾種方法生產非晶態(tài)金屬，包括物理氣相沉積、固態(tài)反應、離子福照、熔化旋壓(spinning)和機械合金化。非晶態(tài)合金可以是單一的材料類型，而不管如何準備它們。
[0054]可通過各種快速冷卻方法生產非晶態(tài)金屬。例如，可通過濺射熔融金屬到旋轉的金屬盤上而生產非晶態(tài)金屬。在一秒數(shù)百萬度級別的快速冷卻太快以至于不能形成晶體，因此材料被“鎖定”在玻璃態(tài)。此外，可用足夠低的臨界冷卻速率生產非晶態(tài)金屬/合金，以允許在厚層中非晶結構(例如塊體金屬玻璃)的形成。
[0055]此處交替使用術語“塊體金屬玻璃”(BMG)、塊體非晶態(tài)合金(“BAA”)以及塊體凝固非晶態(tài)合金。它們是指具有至少在毫米范圍的最小尺寸的非晶態(tài)合金。例如，尺寸可至少為約0.5mm,例如至少約Imm,例如至少約2mm,例如至少約4mm,例如至少約5mm,例如至少約6mm,例如至少約8mm,例如至少約IOmm,例如至少約12mm。依賴于幾何形狀,尺寸可以指直徑、半徑、厚度、寬度、長度等。BMG還可以是金屬玻璃，該金屬玻璃具有在厘米范圍的至少一個尺寸，例如至少約1.0cm,如至少約2.0cm,例如至少約5.0cm,例如至少約10.0cm。在一些實施例中，BMG可具有在米范圍的至少一個尺寸。BMG可采取上述關于金屬玻璃的任意形狀或形式。因此，在一些實施例中，此處所述的BMG在一個重要方面不同于通過常規(guī)淀積技術制造的薄膜-前者可以有比后者大得多的尺寸。
[0056]非晶態(tài)金屬可以是合金而不是純金屬。合金可能含有顯著地不同大小的原子，導致在熔融態(tài)的低自由體積(并因此具有數(shù)量級高于其他金屬和合金的粘度)。粘度阻止原子移動到足以形成有序的晶格。該材料結構可導致冷卻期間的低收縮和抗塑性變形能力。晶界缺失，在一些情況下，結晶材料的弱點例如可能導致更好的耐磨損和耐腐蝕。在一個實施例中，非晶態(tài)金屬同時是技術上的玻璃可能比氧化物玻璃和陶瓷更堅韌、更不脆。
[0057]非晶材料的熱導率可能低于其結晶對等物的熱導率。為了即使在較慢冷卻期間獲得非晶結構的形成，合金可由三種或三種以上的成分組成，導致具有較高勢能和較低形成概率的復雜晶體單元。非晶態(tài)合金的形成可依賴于幾個因素:合金成分的組成；成分的原子半徑(優(yōu)選是具有超過12%的顯著差異以獲得高組裝密度和低自由體積)；混合成分組合的負熱，抑制晶體成核并延長熔融金屬保持在過度冷卻狀態(tài)的時間。然而，由于非晶態(tài)合金的形成是基于許多不同的變量，可能難于做出合金組合物是否將形成非晶態(tài)合金的事先確定。
[0058]例如，硼、硅、磷和具有磁性金屬(鐵、鈷、鎳)的其它玻璃形成物的非晶態(tài)合金可以是有磁性的，具有低的矯頑力和高電阻。當受到交變磁場時，高電阻導致低的渦流損失，例如作為變壓器磁芯的有用特性。
[0059]非晶態(tài)合金可具有各種各樣的潛在有用特性。特別是，它們往往強于相似化學成分的結晶合金，并且它們能夠比結晶合金承受更強的可逆(“彈性”)變形。非晶態(tài)金屬的它們的強度直接源自它們的非結晶結構，它不具有限制結晶合金強度的任何缺陷(例如位錯)。例如，一種現(xiàn)代非晶態(tài)金屬(被認為是為Vitreloy?)具有幾乎二倍于高品位鈦的拉伸強度。在一些實施例中，當在張力下負荷時，室溫下的金屬玻璃不是韌性的，往往突然失敗，這限制了在可靠性關鍵應用中的材料適用性，因為即將發(fā)生的故障并不明顯。因此，為了克服這個挑戰(zhàn)，可使用具有金屬玻璃基質的金屬基質復合材料，所述金屬玻璃基質含有韌性結晶金屬的枝狀顆粒或纖維。可替換地，可使用低含量的往往會導致脆化的元素(例如Ni)的BMG。例如，無Ni BMG可用于改善BMG的延展性。
[0060]塊體非晶態(tài)合金的另一個有用特性是它們可以是真正的玻璃；換句話說，在加熱時它們可以軟化和流動。這可允許以和聚合物幾乎一樣方式的簡易加工，例如通過注模。結果，非晶態(tài)合金可用于制造運動器材、醫(yī)療設備、電子部件及設備以及薄膜。通過高速氧燃料技術，非晶態(tài)金屬的薄膜可被淀積為保護涂層。
[0061]材料可具有非晶相、結晶相或兩者兼而有之。非晶和結晶相可具有相同的化學成分，不同之處僅在于微觀結構——即一種是非晶而另外一個是結晶。在一個實施例中，微觀結構是指由25X放大倍數(shù)或更高放大倍數(shù)的顯微鏡顯示的材料結構?？商鎿Q地，這兩個相可具有不同的化學成分和微觀結構。例如，組合物可以是部分非晶、基本上非晶或完全非晶。
[0062]如上所述，非晶度程度(和結晶度程度相反)可由存在于合金中的晶體分數(shù)測量。該程度可以指存在于合金中的結晶相的體積分數(shù)或者重量分數(shù)。部分非晶組合物可以指至少約5% (體積百分比)非晶相的組合物，例如至少為10% (體積百分比)，例如至少約20%(體積百分比)，例如至少約40 % (體積百分比)，例如至少約60 % (體積百分比)，例如至少約80% (體積百分比)，例如至少約90% (體積百分比)。已在此申請中的其他地方定義術語“基本上”和“關于”。因此，至少基本上是非晶的組合物可以指至少約90% (體積百分比)是非晶的組合物，例如至少約95% (體積百分比)，例如至少約98% (體積百分比)，例如至少約99% (體積百分比),例如至少約99.5% (體積百分比),例如至少約99.8% (體積百分比)，例如至少約99.9% (體積百分比)。在一個實施例中，基本上非晶的組合物可具有存在于其中的一些附帶的無關緊要數(shù)量的結晶相。
[0063]在一個實施例中，非晶態(tài)合金組合物關于非晶相可以是同質的。成分均勻的物質是同質的。這和異質的物質成對比。術語“成分”是指物質的化學成分和/或微觀結構。當物質的體積被分為兩半而這兩半都具有基本上相同的成分時，物質是同質的。例如，當顆粒懸浮液被分為兩半時而這兩半都具有基本上相同的顆粒體積時，顆粒懸浮液是同質的。然而，在顯微鏡下可能看到各單個顆粒。同質物質的另一個實例是空氣，其中不同的成分均勻懸浮，雖然可單獨分析或從空氣中分離地分析空氣中顆粒、氣體和液體。
[0064]關于非晶態(tài)合金是同質的組合物可以指具有在其整個微觀結構中基本上均勻分布的非晶相的組合物。換句話說，該組合物宏觀上包括在整個組合物中基本上均勻分布的非晶態(tài)合金。在可替換的實施例中，組合物可以是具有非晶相的復合物，所述非晶相在其中具有非-非晶相。非-非晶相可以是晶體或多個晶體。該晶體可以是任何形狀的微粒形式，例如球形、橢球形、線狀、棒狀、薄片狀、鱗片狀或不規(guī)則形狀。在一個實施例中，它可具有枝狀形式。例如，至少部分非晶的復合組合物可具有在非晶相基質中分散的枝狀的結晶相；分散可以是均勻或不均勻的，非晶相和結晶相可具有相同或不同的化學成分。在一個實施例中，它們具有基本上相同的化學成分。在另一個實施例中，結晶相可比BMG相更加韌性。
[0065]此處所述的方法可適用于任意類型的非晶態(tài)合金。同樣地，此處被描述為組合物或物品成分的肖_晶態(tài)合金可以是任何類型。非晶態(tài)合金可包括元素Zr、Hf、T1、Cu、N1、Pt、Pd、Fe、Mg、Au、La、Ag、Al、Mo、Nb、Be或它們的組合。即，該合金可包括這些元素在其化學式或化學組合物中的任意組合。這些元素可以不同的重量或體積百分比存在。例如，鐵“基”合金可以指其中具有非無足輕重的鐵重量百分比的合金，重量百分比例如可以是至少約20%(重量百分比)，例如至少約40% (重量百分比)，例如至少約50% (重量百分比)，例如至少約60% (重量百分比)，例如至少約80% (重量百分比)?？商鎿Q地，在一個實施例中，上述百分比可以是體積百分比而不是重量百分比。因此，非晶態(tài)合金可以是鋯基、鈦基、鉬基、鈀基、金基、銀基、銅基、鐵基、鎮(zhèn)基、招基、鑰基等。合金也可以無上述任意兀素，以適應特定的目的。例如，在一些實施例中，合金或包括合金的組合物可以基本上不含鎳、鋁、鈦、鈹或其組合。在一個實施例中，合金或復合物完全沒有鎳、鋁、鈦、鈹或其組合。
[0066]例如，非晶態(tài)合金具有分子式(Zr, Ti)a(Ni, Cu, Fe)“Be，Al, Si, B)。，其中a、b和c分別表不重量或原子百分比。在一個實施例中，a在30?75的原子百分比范圍內，b在5?60的原子百分比范圍內，c在O?50的原子百分比范圍內?？商鎿Q地，非晶態(tài)合金可具有分子式(Zr，Ti)a(Ni，Cu)b(Be)。，其中a、b和c分別表示重量或原子百分比。在一個實施例中，a在40?75的原子百分比范圍內，b在5?50的原子百分比范圍內，c在5?50的原子百分比范圍內。該合金還具有分子式(Zr，Ti)a(Ni，Cu)b(Be)。，其中a、b和c分別表示重量或原子百分比。在一個實施例中，a在45?65的原子百分比范圍內，b在7.5?35的原子百分比范圍內，c在10?37.5的原子百分比范圍內?？商鎿Q地，該合金還具有分子式(Zr)a(Nb, Ti)b (Ni, Cu)。(Al) d，其中a、b、c和d分別表示重量或原子百分比。在一個實施例中，a在45?65的原子百分比范圍內，b在O?10的原子百分比范圍內，c在20?40的原子百分比范圍內，而d在7.5?15的原子百分比范圍內。前述合金系統(tǒng)的一個示例性實施例是使用商品名Vitreloy?的Zr-T1-N1-Cu-Be基的非晶態(tài)合金,例如由美國加州LiquidmetalTechnologies制造的Vitreloy-1和Vitreloy-1Ol0表1和表2中提供了不同系統(tǒng)的非晶態(tài)合金的一些實例。
[0067]表1.示例性的非晶態(tài)合金組合物
[0068]
【權利要求】
1.一種用于熔化材料的裝置，其特征在于，包括: 容器，被配置為在其中接收用于熔化的材料； 第一感應線圈，被配置為在其中熔化材料；以及 第二感應線圈，與第一感應線圈同軸地被放置，其中第二感應線圈或第一感應線圈和第二感應線圈的組合被配置為起門或閥的作用，用于熔融材料的移動牽制在容器內的水平方向上； 其中該裝置被配置為使材料成形為BMG部件。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，其中用于熔化的材料包括BMG原料，而第一感應線圈和第二感應線圈是單個感應線圈的部分或是兩個不同的感應線圈。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，其中用于熔化的材料包括BMG原料，而第一感應線圈和第二感應線圈是其中具有電抽頭的單個感應線圈的部分，所述電抽頭被配置為獨立控制第一感應線圈和第二感應線圈。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，其中第一感應線圈和第二感應線圈中的一個或兩個包括錐形或圓柱形。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，其中第二感應線圈被纏繞在第一感應線圈周圍，或反之亦然。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，其中第二感應線圈具有比第一感應線圈低的RF頻率。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，其中沿著第一感應線圈或第二感應線圈的水平軸放置容器，使得容器中材料的移動在沿著容器噴射路徑的水平方向上。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，其中第二感應線圈被放置在容器的噴射端附近。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括位于容器的噴射端或容器噴射端的相反側的額外感應線圈。
10.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，其中容器還包括被配置為在其中流動流體的一個或多個溫度調節(jié)通道，用于在材料熔化期間調節(jié)容器的溫度。
11.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括模具，該模具被配置為從容器中接收熔體并使熔體成形為BMG部件。
12.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，其中第二感應線圈或第一感應線圈和第二感應線圈的組合被配置為起閥的作用，用以控制熔體從容器通過注入路徑的移動。
13.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，其中該裝置被配置為:通過在第一RF頻率下操作第一感應線圈，在容器中加熱BMG原料，用以在容器中形成熔融材料，并在第二 RF頻率下操作第二感應線圈以牽制熔融材料，而沒有任何物理物體牽制容器中的熔融材料。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，其中該物理物體包括可牽制容器中的熔融材料的容器側壁或其他任意的垂直壁。
15.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，其中該裝置還被配置為將熔融材料噴射到模具中以形成BMG部件。
【文檔編號】B22D41/01GK203578747SQ201320634345
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年10月15日 優(yōu)先權日:2012年10月15日
【發(fā)明者】T·A·瓦紐克, J·斯蒂維克, S·歐基弗, D·J·斯特拉頓, J·C·浦爾, M·S·斯柯特, C·D·普雷斯特 申請人:蘋果公司, 科盧斯博知識產權有限公司