通過快速電容器放電形成金屬玻璃的制作方法
【專利摘要】本公開涉及通過快速電容器放電形成金屬玻璃。提供了用于均勻加熱、局部軟化以及使用快速電容器放電形成(RCDF)工具熱塑地將金屬玻璃快速形成為凈形的裝置和方法。RCDF方法利用存儲(chǔ)在電容器中電能的釋放，以若干毫秒或以下的時(shí)標(biāo)均勻且快速地將樣品或金屬玻璃合金的給料加熱到預(yù)定“工藝溫度”，該溫度在非晶態(tài)材料的玻璃化溫度和合金的平衡熔點(diǎn)之間。一旦樣品被均勻加熱以使整個(gè)樣品塊具有充分低的工藝粘度，其就可以以小于1秒的期限經(jīng)由各種技術(shù)(包括注射成型、動(dòng)態(tài)鑄造、壓印鑄造和吹塑成型)成型為高質(zhì)量非晶態(tài)塊。
【專利說明】通過快速電容器放電形成金屬玻璃
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?00980109906.4，申請(qǐng)日為2009年3月23日，發(fā)明名稱為“通過快速電容器放電形成金屬玻璃”的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明總的來說涉及一種形成金屬玻璃的新方法，更具體地，涉及用于使用快速電容器放電加熱形成金屬玻璃的工藝。

【背景技術(shù)】
[0003]非晶態(tài)材料是工程材料的新種類，其具有來自熔融狀態(tài)的高強(qiáng)度、彈性、耐蝕性和加工性的獨(dú)特組成。非晶態(tài)材料與傳統(tǒng)結(jié)晶合金的區(qū)別在于，它們的原子結(jié)構(gòu)缺乏傳統(tǒng)結(jié)晶合金的原子結(jié)構(gòu)的典型長距離有序圖樣。通常通過以“足夠快的”冷卻速率將熔融合金從晶相的熔化溫度(或者熱力學(xué)熔化溫度)之上冷卻到非晶相的“玻璃化溫度”之下來處理和形成非晶態(tài)材料，使得避免了合金晶體的成核和生長。如此，用于非晶態(tài)合金的處理方法通常與量化“足夠快的冷卻速率”(其還被稱為“臨界冷卻速率”)相關(guān)，以確保非晶相的形成。
[0004]用于早期非晶態(tài)材料的“臨界冷卻速率”非常高，大約為106°C /sec。如此，傳統(tǒng)的鑄造工藝不適合于這種高冷卻速率，并且開發(fā)了諸如熔融紡絲和平面流鑄的特殊鑄造工藝。由于那些早期合金的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)非?？?，要求極其短的時(shí)間(大約10_3秒或更短)用于從熔融合金中進(jìn)行熱量提取以繞過結(jié)晶化，由此早期非晶態(tài)合金在至少一個(gè)維度上尺寸受限。例如，使用這些傳統(tǒng)技術(shù)僅成功制造非常薄的箔和帶(厚度大約25微米)。因?yàn)橛糜谶@些非晶態(tài)合金的臨界冷卻速率要求嚴(yán)重限制了由非晶態(tài)合金制造的部件的尺寸，所以早期非晶態(tài)合金作為塊狀物件和物品的使用受到限制。
[0005]這幾年來，確定“臨界冷卻速率”嚴(yán)重依賴于非晶態(tài)合金的化學(xué)組成。因此，許多研究都致力于開發(fā)新的具有非常低臨界冷卻速率的合金組成。在美國專利第5，288，344、5，368，659,5, 618，359和5，735，975中給出了這些合金的實(shí)例，其全部內(nèi)容結(jié)合與此作為參考。這些非晶態(tài)合金體系(還稱為塊體金屬玻璃或BMG)的特性在于臨界冷卻速率低至幾。C /秒，這使得可以處理和形成比先前大很多的塊狀非晶相物件。
[0006]隨著低“臨界冷卻速率”BMG的利用，變得可以應(yīng)用傳統(tǒng)的鑄造工藝來形成具有非晶相的塊狀成品。在過去的若干年，包括LiquidMetal Technologies公司的許多公司致力于開發(fā)用于生產(chǎn)由BMG制造的凈形金屬部件的商業(yè)制造技術(shù)。例如，諸如永久鑄模金屬硬模鑄造和加熱模具注射鑄造的制造方法目前被用于制造商業(yè)硬件和部件，諸如用于標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)電子器件(例如，移動(dòng)電話和手持無線設(shè)備)的電子套管、鉸鏈、緊固件、醫(yī)療器械和其他高附加值產(chǎn)品。然而，即使塊固化非晶態(tài)合金提供了一些對(duì)于固化鑄造的基本缺陷的補(bǔ)救措施，尤其是對(duì)上述硬模鑄造和永久鑄模鑄造工藝，但仍存在需要解決的問題。首要的是，需要從較大范圍的合金組成中制造這些塊狀物件。例如，目前可用的具有大臨界鑄造尺寸能夠制造大塊非晶態(tài)物件的BMG受限于幾組基于非常窄的金屬選擇的合金組成，包括添加有T1、N1、Cu、Al和Be的基于Zr的合金以及添加有N1、Cu和P的基于Pd的合金，它們不需要從工程或成本方面進(jìn)行優(yōu)化。
[0007]此外，目前的處理技術(shù)要求大量的昂貴機(jī)器來確保創(chuàng)建適當(dāng)?shù)奶幚項(xiàng)l件。例如，大多數(shù)成型工藝要求大體積或可控的惰性氣體環(huán)境，坩堝中材料的感應(yīng)熔化、澆鑄金屬到短套筒以及通過短套筒氣力噴射到相當(dāng)精細(xì)的鑄模組合的澆注系統(tǒng)和空腔中。這些改進(jìn)的硬模鑄造機(jī)器的每個(gè)機(jī)器會(huì)耗費(fèi)幾十萬美元。此外，因?yàn)槠裢瓿葿MG加熱必須經(jīng)由這些傳統(tǒng)的、緩慢的熱工藝，所以處理和形成塊固化非晶態(tài)合金的現(xiàn)有技術(shù)總是集中于將熔融合金從熱力學(xué)熔化溫度之上冷卻到玻璃化溫度之下。這種冷卻使用單步驟單調(diào)冷卻操作或多步驟工藝來實(shí)現(xiàn)。例如，利用處于室溫的金屬模型(由銅、鋼、鎢、鑰、其組合或者其他高導(dǎo)電材料制成)來幫助和加速從熔融合金中進(jìn)行熱量提取。因?yàn)椤芭R界鑄造尺寸”與臨界冷卻速率相關(guān)，所以這些傳統(tǒng)的工藝不適合于形成較大范圍的塊固化非晶態(tài)合金的較大塊狀物件和成品。此外，通常需要將熔融合金以高速和高壓注入到硬模中以確保足夠的合金材料在合金固化之前被引入到硬模中，尤其在復(fù)雜且高精度部件的制造中。因?yàn)閷⒔饘僭诟邏呵腋咚俾氏滤徒o硬模(諸如高壓硬模鑄造操作)，所以熔融金屬的流動(dòng)變得傾向于瑞利-泰勒不穩(wěn)定性。這種流動(dòng)不穩(wěn)定性的特征在于高韋伯?dāng)?shù)，并且與引起突出接縫和單元形成的流峰的分裂相關(guān)聯(lián)，其出現(xiàn)為鑄件中的表面和結(jié)構(gòu)微缺陷。此外，存在當(dāng)不能玻璃化的液體被收集到玻璃化金屬的固體殼內(nèi)時(shí)沿著硬模鑄造模型的中心線形成收縮空腔和多孔的趨勢。
[0008]補(bǔ)救與將材料從平衡熔點(diǎn)之上快速冷卻到玻璃化之下相關(guān)聯(lián)的問題的努力大多集中于利用過度冷卻液體的動(dòng)力穩(wěn)定性和粘性流特性。已經(jīng)提出的方法涉及在玻璃松弛到粘性過度冷卻液體的情況下將玻璃給料加熱到玻璃化之上，施加壓力以形成過度冷卻液體，然后在結(jié)晶化之前冷卻到玻璃化之下。這些有吸引力的方法與那些用于處理塑料的方法本質(zhì)上非常類似。然而，與塑料(其保持穩(wěn)定對(duì)抗結(jié)晶化在軟化轉(zhuǎn)化之上非常長的時(shí)間)相反，金屬過度冷卻液體非常快速地結(jié)晶在玻璃化處一次松弛。因此，金屬玻璃在以傳統(tǒng)的加熱速率(20°C /min)加熱時(shí)為穩(wěn)定對(duì)抗結(jié)晶化的溫度范圍是非常小的(玻璃化之上的50-100°C )，并且該范圍內(nèi)的液體粘性非常高(19-1O7Pas),由于這些高粘性，要求將這些液體形成為期望形狀的壓力是巨大的，并且對(duì)于許多金屬玻璃合金將超過傳統(tǒng)高強(qiáng)度工具所能達(dá)到的壓力(< IGPa)。最近開發(fā)了金屬玻璃合金，以傳統(tǒng)加熱速率加熱到相當(dāng)高的溫度(玻璃化之上的165°C )時(shí)其穩(wěn)定對(duì)抗結(jié)晶化。在美國專利申請(qǐng)20080135138和G.Duan等人(Advanced Materials，19 (2007))和 A.Wiest (Acta Materialia，56 (2008) 2525-2630)的論文中給出了這些合金的實(shí)例，其全部內(nèi)容結(jié)合與此作為參考。由于它們的高穩(wěn)定性對(duì)抗結(jié)晶化，低至15Pa-S的工藝粘性變得可以實(shí)現(xiàn)，其建議這些合金與傳統(tǒng)的金屬玻璃相比更加適合于過度冷卻液體狀態(tài)的處理。然而，這些粘性仍然充分高于塑料的處理粘性，其通常在10和lOOOPa-s的范圍內(nèi)。為了獲得這種低粘性，當(dāng)通過傳統(tǒng)加熱來加熱時(shí)或者以超過穩(wěn)定性溫度范圍的非傳統(tǒng)的高加熱速率來加熱時(shí)，金屬玻璃合金應(yīng)該顯示出非常高的穩(wěn)定性對(duì)抗結(jié)晶化以及將工藝粘度降到處理熱塑料所使用的典型值。
[0009]進(jìn)行了一些嘗試來創(chuàng)建瞬間將BMG加熱到足以成型的溫度的方法，從而避免上面討論的許多問題并同時(shí)擴(kuò)展可以成型的非晶態(tài)材料的類型。例如，美國專利第 4，115,682 和 5,005,456 號(hào)和 A.R.Yavari 的論文(Materials Research SocietySymposium Proceedings,644(2001)LI2-20-1；Materials Science&Engineering A,375-377(2004)227-234 ;以及 Appl ied Physics Letters，81 (9) (2002) 1606-1608)均利用了非晶態(tài)材料的獨(dú)特導(dǎo)電特性的優(yōu)點(diǎn)以使用Joule加熱瞬時(shí)將材料加熱到成型溫度，其全部內(nèi)容結(jié)合與此作為參考。然而，迄今為止的技術(shù)集中于BMG樣品的局部加熱，從而只允許局部形成，諸如這些片的結(jié)合(即，點(diǎn)焊)或者表面部件的形成。這些現(xiàn)有技術(shù)方法沒有教導(dǎo)如何均勻地加熱整個(gè)BMG樣品體積，從而能夠執(zhí)行全局形成。代替地，所有這些現(xiàn)有技術(shù)方法在加熱期間期望溫度梯度，并且討論了如何使這些梯度可以影響局部形成。例如，Yavari 等人(Materials Research Society Symposium Preoceedings,644(2001)L12-20-1)寫到“被成型的BMG樣品的外表面，是否與成型室內(nèi)的電極或室內(nèi)(惰性)氣體接觸，都將稍微比內(nèi)部冷，這是因?yàn)橛呻娏魃傻臒崃客ㄟ^導(dǎo)電、對(duì)流或輻射而散到樣品夕卜。另一方面，通過導(dǎo)電、對(duì)流或輻射加熱的樣品的外表面稍微比內(nèi)部熱。這是對(duì)于本方法的重要優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榻饘俨ＡУ慕Y(jié)晶化和/或氧化通常首先開始于外表面和界面，并且如果它們稍微在塊溫度之下，則可以更加容易地避免這種不期望的表面晶體形成?！?br> [0010]玻璃化之上的BMG對(duì)抗結(jié)晶化的有限穩(wěn)定性的另一缺點(diǎn)在于不能在亞穩(wěn)過度冷卻液體的整個(gè)溫度范圍上測量熱動(dòng)力和傳送特性(諸如熱容量和粘性)。諸如差分掃描熱量計(jì)、熱機(jī)械分析儀和庫愛特粘度計(jì)的典型測量器械依賴于傳統(tǒng)的加熱儀器(諸如電和感應(yīng)加熱器)，由此能夠獲得傳統(tǒng)考慮的樣品加熱率(通常< 100°c /min)。如上所述，當(dāng)以傳統(tǒng)的加熱率進(jìn)行加熱時(shí)，金屬過度冷卻液體可以在有限的溫度范圍上穩(wěn)定對(duì)抗結(jié)晶化，因此可測量的熱動(dòng)力和傳送特性限于可達(dá)到的溫度范圍。因此，不同于非常穩(wěn)定對(duì)抗結(jié)晶化且它們的熱動(dòng)力和傳送特性在亞穩(wěn)定的整個(gè)范圍內(nèi)可測量的聚合物和有機(jī)液體，金屬過度冷卻液體的特性僅僅在窄溫度范圍(在玻璃化之上且在溶化點(diǎn)之下)內(nèi)可測量。
[0011]因此，存在找到一種新方法的需要，以瞬時(shí)和均勻地加熱整個(gè)BMG樣品體積，因此能夠進(jìn)行非晶態(tài)金屬的全局成型。此外，從科學(xué)觀點(diǎn)來看，還存在找到存取并測量金屬過度冷卻液體的這些熱動(dòng)力和傳送特性的新方法的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]因此，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的用于使用快速電容器放電加熱(RCDF)對(duì)非晶態(tài)材料進(jìn)行成型的方法和裝置。
[0013]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明目的在于提供一種使用快速電容器放電快速加熱和成型非晶態(tài)材料的方法，其中，通過基本具有均勻截面的基本沒有缺陷的樣品來均勻地釋放一定量的電能量子，以快速且均勻地將樣品的整體加熱至處理溫度，處理溫度在非晶相的玻璃化溫度和合金的平衡熔化溫度之間，并且同時(shí)成型且然后將樣品冷卻到非晶態(tài)成品。在一個(gè)這種實(shí)施例中，樣品優(yōu)選以至少500K/Sec的速率被加熱到處理溫度。在另一個(gè)這種實(shí)施例中，成型的步驟使用傳統(tǒng)的形成技術(shù)，例如注射成型、動(dòng)態(tài)鍛造、壓印鍛造和吹塑成型。
[0014]在另一個(gè)實(shí)施例中，利用每大約IX 10_4°C ―1的溫度改變⑶單位的電阻率的相對(duì)改變來選擇非晶態(tài)材料。在一個(gè)這種實(shí)施例中，非晶態(tài)材料是基于選自由Zr、Pd、Pt、Au、Fe、Co、T1、Al、Mg、Ni和Cu組成的組中的元素金屬的合金。
[0015]在又一實(shí)施例中，以使電能被均勻引入樣品的方式，一定量的電能量子通過至少兩個(gè)電極被釋放到樣品中，其中至少兩個(gè)電極連接至所述樣品的相對(duì)端。在一個(gè)這種實(shí)施例中，該方法使用至少100焦耳的一定量的電能量子。
[0016]在再一實(shí)施例中，處理溫度大約為非晶態(tài)材料的玻璃化溫度和合金的平衡熔點(diǎn)之間的一半。在一個(gè)這種實(shí)施例中，處理溫度為非晶態(tài)材料的玻璃化溫度之上至少200K。在一個(gè)這種實(shí)施例中，處理溫度是使得被加熱的非晶態(tài)材料的粘度在大約I至104Pas-sec (帕斯卡秒)之間。
[0017]在再一實(shí)施例中，控制用于成型樣品的形成壓力，使得以充分低以避免高韋伯?dāng)?shù)流動(dòng)的速率使樣品變形。
[0018]在再一實(shí)施例中，控制用于成型樣品的變形速率，使得以充分低以避免高韋伯?dāng)?shù)流動(dòng)的速率使樣品變形。
[0019]在再一實(shí)施例中，初始非晶態(tài)金屬樣品(給料)可以為具有均勻截面的任何形狀，諸如圓柱、片、正方形和矩形固體。
[0020]在再一實(shí)施例中，非晶態(tài)金屬樣品的接觸面被平行切割且平坦拋光，以確保與電極接觸面的良好接觸。
[0021]在再一實(shí)施例中，本發(fā)明目的是提供一種用于成型非晶態(tài)材料的快速電容器放電裝置。在一個(gè)這種實(shí)施例中，非晶態(tài)材料的樣品具有基本均勻地截面。在另一個(gè)這種實(shí)施例中，至少兩個(gè)電極將電能源連接至非晶態(tài)材料的樣品。在這種實(shí)施例中，電極被附接至樣品，使得在電極和樣品之間形成基本均勻的連接。在又一個(gè)這種實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)電場的電磁透入深度與電荷的半徑、寬度、厚度和長度相比較大。
[0022]在再一實(shí)施例中，電極材料被選擇為具有低屈服強(qiáng)度以及高電和熱導(dǎo)電性的金屬，諸如銅、銀或鎳、或者由至少95at% (原子百分比)銅、銀或鎳形成的合金。
[0023]在再一實(shí)施例中，“底座”壓力被施加在電極和初始非晶態(tài)樣品之間，以塑性地使處于電極/樣品界面處的電極的接觸表面變形，以使其符合樣品的接觸表面的顯微特征。
[0024]在再一實(shí)施例中，低電流“底座”電脈沖被施加在電極和初始非晶態(tài)樣品之間，以局部地軟化處于電極接觸表面處非晶態(tài)樣品的任何非接觸區(qū)域，由此使其符合電極的接觸表面的顯微特征。
[0025]在裝置的再一實(shí)施例中，電能源能夠產(chǎn)生足夠以至少500K/SeC的速率均勻地將樣品的整體加熱到處理溫度的電能量子，其中處理溫度在非晶相的玻璃化溫度和合金的平衡熔化溫度之間。在裝置的這種實(shí)施例中，電能源以樣品被絕熱加熱的速率被釋放，或者換句話說，以大大高于非晶態(tài)金屬樣品的熱釋放速率的速率被釋放，從而避免熱梯度的熱傳送和發(fā)展，由此促進(jìn)樣品的均勻加熱。
[0026]在裝置的再一實(shí)施例中，裝置中使用的成型工具選自由注塑模具、動(dòng)態(tài)鍛造、壓印鍛造和吹塑模具組成的組中，并且能夠施加足以形成所述加熱樣品的變形應(yīng)力。在一個(gè)這種實(shí)施例中，成型工具至少部分地由至少一個(gè)電極形成。在可選的這種實(shí)施例中，成型工具獨(dú)立于電極。
[0027]在裝置的再一實(shí)施例中，提供氣動(dòng)或磁性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于向樣品施加變形力。在這種系統(tǒng)中，變形力或變形速率可以被控制，使得以充分低以避免高韋伯?dāng)?shù)流動(dòng)的速率來使加熱的非晶態(tài)材料變形。
[0028]在裝置的再一實(shí)施例中，成型工具還包括加熱元件，用于將工具加熱到優(yōu)選在非晶態(tài)材料的玻璃化溫度周圍的溫度。在這種實(shí)施例中，所形成液體的表面將被更加緩慢地冷卻，由此改善了被形成成品的表面精整度。
[0029]在再一實(shí)施例中，在能量釋放期間對(duì)充分抓住的樣品施加張力變形力，以拉動(dòng)均勻截面的線或纖維。
[0030]在再一實(shí)施例中，控制張力變形力，使得材料的流動(dòng)為牛頓力，且避免了通過縮頸引起的故障。
[0031]在再一實(shí)施例中，控制張力變形速率，使得材料的流動(dòng)為牛頓力，且避免了通過縮頸引起的故障。
[0032]在再一實(shí)施例中，冷氦流被吹到所拉動(dòng)的線或纖維上，以利于冷卻到玻璃化之下。
[0033]在再一實(shí)施例中，本發(fā)明的目的在于提供用于在亞穩(wěn)定的整個(gè)范圍之上測量過度冷卻液體的熱動(dòng)力和傳送特性的快速電容器放電裝置。在一個(gè)這種實(shí)施例中，高分辨率和高速熱成像相機(jī)被用于同時(shí)記錄非晶態(tài)金屬樣品的均勻加熱和均勻變形。時(shí)間、熱和變形數(shù)據(jù)可以被轉(zhuǎn)換為時(shí)間、溫度和應(yīng)力數(shù)據(jù)，同時(shí)輸入的電能和所施加壓力可以被轉(zhuǎn)換為內(nèi)部能量和所施加應(yīng)力，從而產(chǎn)生關(guān)于樣品的溫度、溫度依賴性粘性、熱容量和熱焓量的信肩、O

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]參照以下附圖和數(shù)據(jù)圖表可以更加完整地理解本說明書，其為本發(fā)明的示例性實(shí)施例，并且不應(yīng)該被限定為本發(fā)明范圍的完全解釋，其中:
[0035]圖1提供了根據(jù)本發(fā)明的示例性快速電容器放電形成方法的流程圖；
[0036]圖2提供了根據(jù)本發(fā)明的快速電容器放電形成方法的示例性實(shí)施例的示圖；
[0037]圖3提供了根據(jù)本發(fā)明的快速電容器放電形成方法的另一示例性實(shí)施例的示圖；
[0038]圖4提供了根據(jù)本發(fā)明的快速電容器放電形成方法的又一示例性實(shí)施例的示圖；
[0039]圖5提供了根據(jù)本發(fā)明的快速電容器放電形成方法的再一示例性實(shí)施例的示圖；
[0040]圖6提供了根據(jù)本發(fā)明的快速電容器放電形成方法的再一示例性實(shí)施例的示圖；
[0041]圖7提供了根據(jù)本發(fā)明的與熱成像相機(jī)組合的快速電容器放電形成方法的示例性實(shí)施例的示圖；
[0042]圖8a至圖8d提供了根據(jù)本發(fā)明的使用示例性快速電容器放電形成方法獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一系列照片圖像；
[0043]圖9提供了使用根據(jù)本發(fā)明的示例性快速電容器放電形成方法獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的照片圖像；
[0044]圖10提供了使用根據(jù)本發(fā)明的示例性快速電容器放電形成方法獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)求和實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
[0045]圖1la至圖lie提供了根據(jù)本發(fā)明的示例性快速電容器放電裝置的一組示圖；以及
[0046]圖12a和圖12b提供了使用圖1la至圖1le所示裝置制造的模制成品的照片圖像。

【具體實(shí)施方式】
[0047]本發(fā)明目的在于一種快速地均勻加熱，流變軟化且熱塑形成金屬玻璃的方法(通常使用通過焦耳加熱的擠壓或模制工具以小于I秒的處理時(shí)間形成為凈形成品)。更具體地，該方法利用存儲(chǔ)在電容器中的電能(通常為100焦耳到100千焦)的放電以若干毫秒或以下的時(shí)標(biāo)來均勻且快速地加熱樣品或金屬玻璃的電荷到預(yù)定的“處理溫度”，該處理溫度大約在非晶態(tài)材料的玻璃化溫度和合金的平衡熔化溫度之間的一半，并且在本文被稱為快速電容器放電形成(RCDF)。本發(fā)明的RCDF工藝發(fā)生于通過金屬玻璃為凍結(jié)液體的特性而具有相對(duì)較低電阻的觀察資料，其可以以樣品利用適當(dāng)應(yīng)用的放電而被絕熱加熱的速率導(dǎo)致高分散性以及材料有效均勻的加熱。
[0048]通過快速且均勻地加熱BMG，RCDF方法擴(kuò)展了過度冷卻液體對(duì)抗結(jié)晶化的穩(wěn)定性到大幅高于玻璃化溫度的溫度，從而使得整個(gè)樣品體積進(jìn)入與最有利于形成的處理粘性相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)。RCDF工藝還提供了由亞穩(wěn)過度冷卻液體提供的粘性的整體范圍的獲取途徑，因?yàn)樵摲秶辉俦环€(wěn)定晶相的形成所限制。總而言之，該工藝使得增強(qiáng)了所形成部件的質(zhì)量，增加了可用部件的產(chǎn)量，降低了材料和處理成本，加寬了可用BMG材料的范圍，改善了能量效率，以及降低了制造機(jī)器的主要成本。此外，由于可以在RCDF方法中獲得瞬時(shí)和均勻加熱，所以液體亞穩(wěn)性的整個(gè)范圍上的熱動(dòng)力和傳送特性變得可以被測量。因此，通過將附加的標(biāo)準(zhǔn)器械結(jié)合到諸如溫度和應(yīng)力測量器械的快速電容器放電裝置中，可以在玻璃化和熔點(diǎn)之間的整個(gè)溫度范圍內(nèi)測量諸如粘性、熱容量和熱焓量的特性。
[0049]在圖1中提供了本發(fā)明的RCDF方法的簡化流程圖。如圖所示，該處理開始于存儲(chǔ)在電容器中的電能(通常為100焦耳到100千焦)放電到樣品塊或者金屬玻璃合金的給料。根據(jù)本發(fā)明，電能的應(yīng)用可用于快速且均勻地將樣品加熱到在合金的玻璃化溫度之上的預(yù)定“工藝溫度”，更具體地，加熱到工藝溫度大約為非晶態(tài)材料的玻璃化溫度與合金的平衡熔點(diǎn)之間的一半(Tg以上?200-300K)，以幾微秒到幾毫秒或以下的時(shí)標(biāo)，使得非晶態(tài)材料具有足以能夠容易成型的工藝粘度(?I至14PaS-S或以下)。
[0050]一旦樣品被均勻加熱使得整個(gè)樣品塊具有充分低的工藝粘性，其可以經(jīng)由任何技術(shù)(例如，包括注塑成型、動(dòng)態(tài)鑄造、壓印鑄造、吹塑成型等)被成型為高質(zhì)量非晶態(tài)塊狀成品。然而，成型金屬玻璃的給料的能力完全依賴于確保給料的加熱在整個(gè)樣品塊都是快速且均勻的。如果沒有實(shí)現(xiàn)均勻加熱，則樣品將代替經(jīng)歷局部加熱，盡管這種局部加熱對(duì)于一些技術(shù)(例如，結(jié)合或點(diǎn)焊片一起，或者樣品的成型特定區(qū)域)來說是有用的，但這種局部加熱不能用于執(zhí)行樣品的塊狀成型。類似地，如果樣品加熱不充分快(通常在500-105K/s的級(jí)別)，則材料被形成為損失其非晶態(tài)特征，或者成型技術(shù)限于具有優(yōu)良可處理特性的那些非晶態(tài)材料(即，過度冷卻液體對(duì)抗結(jié)晶化的高穩(wěn)定性)，這再次降低了工藝的有用性。
[0051]本發(fā)明的RCDF方法確保了樣品的快速均勻加熱。然而,為了理解用于使用RCDF方法獲得金屬玻璃樣品的快速、均勻加熱的必須準(zhǔn)則，需要首先理解如何發(fā)生金屬材料的焦耳加熱。金屬的電阻率的溫度依賴性可以根據(jù)每單位溫度改變系數(shù)S的電阻率的相對(duì)改變來量化，其中，S被定義為:
[0052]S=〔I/P 0〕[dp (T) /dT]To (等式 I)
[0053]其中，S的單位為(I/度-C)，P0為金屬處于室溫Ttl的電阻率(單位歐姆-cm)，以及[dp ArnTci為室溫下的電阻率的溫度導(dǎo)數(shù)(歐姆-cm/C)。典型的非晶態(tài)材料具有大ρ°(80μ Ω-cm < P 0 < 300 μ Ω-cm)但非常小(且經(jīng)常為負(fù))的S值(_1X10_4 < S< +IX 1(Γ4)。
[0054]對(duì)于在非晶態(tài)合金中找到的小S值，經(jīng)受均勻電流密度的具有均勻截面的樣品將在空間上被均勻地歐姆加熱，樣品將快速地從室溫Ttl加熱到最終溫度TF，其依賴于由以下等式給出的電容器的總能量:
[0055]E = 1/2 CV2 (等式 2)
[0056]以及樣品給料的總加熱能力Cs (焦耳/C):通過以下等式給出Tf:
[0057]Tf = T0+E/Cs (等式 3)
[0058]依次地，將通過電容放電的時(shí)間常數(shù)τ = RC來確定加熱時(shí)間。這里，R為樣品的總電阻加上電容放電電路的輸出電阻。因此，理論上，可通過以下等式給出金屬玻璃的典型加熱速率:
[0059]dT/dt = (Tf-T0) / τ RC (等式 4)
[0060]相反，通常的晶態(tài)金屬具有更加低的Ρ°(1_30μ Ω-cm)和更加高的S值(?0.01-0.1)。這導(dǎo)致了行為的顯著不同。例如，對(duì)于諸如銅合金、鋁或鋼合金的普通晶態(tài)金屬，ρ°非常小(1-20 μ Ω-cm)，而S非常大(通常S?0.01-0.1)。晶態(tài)金屬中較小的P0值將導(dǎo)致樣品中較小的耗散(與電極相比)，并且使得電容器的能量與樣品的耦合效率低。此外，當(dāng)晶態(tài)金屬熔化時(shí)，P⑴通常增加2或以上的因子，從固態(tài)金屬變?yōu)槿廴诮饘?。與普通晶態(tài)金屬熔化時(shí)電阻率的增加一起的大S值導(dǎo)致均勻電流密度中極其不均勻的歐姆加熱。晶態(tài)樣品將總是局部熔化，通常在高電壓電極或者樣品內(nèi)的其他界面的附近。此外，電能通過晶態(tài)棒的電容器放電導(dǎo)致加熱的空間局部化和局部熔化，無論什么情況初始電阻是最大的(通常在界面處)。事實(shí)上，這是晶態(tài)金屬的電容放電焊接(點(diǎn)焊、凸焊、“螺柱焊接”等)的基礎(chǔ)，在電極/樣品界面或者將被焊接的部件內(nèi)的其他內(nèi)部界面的附近創(chuàng)建局部熔化池。
[0061]如【背景技術(shù)】中所討論的，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)還認(rèn)可了非晶態(tài)材料的固有導(dǎo)電特性；然而，迄今為止沒有認(rèn)可的是確保整個(gè)樣品的均勻加熱，還需要避免加熱樣品內(nèi)能量分散的空間不均勻性的動(dòng)態(tài)發(fā)展。本發(fā)明的RCDF方法提出了兩個(gè)準(zhǔn)則，其必須滿足防止這種不均勻性的發(fā)展和確保給料的均勻加熱:
[0062]樣品內(nèi)電流的均勻性；以及
[0063]樣品相對(duì)于動(dòng)態(tài)加熱期間能量分散的不均勻性發(fā)展的穩(wěn)定性。
[0064]盡管這些準(zhǔn)則看起來相對(duì)簡單，但它們對(duì)加熱期間使用的電荷提出了多種物理和技術(shù)限制，用于樣品的材料、樣品的形狀以及用于引入給料的電極與樣品本身之間的界面。例如，對(duì)于長度L和面積A= jiR2(R=樣品半徑)的圓柱形給料，將存在以下要求。
[0065]電容放電期間圓柱內(nèi)電流的均勻性要求動(dòng)態(tài)電場的電磁透入深度Λ與樣品的相關(guān)尺寸特性(半徑、長度、寬度或厚度)相比較大。在圓柱的實(shí)例中，相關(guān)特性尺寸將明顯為給料的半徑和深度R和L。當(dāng)Λ = [ρρ/μ」1/2〉!^.時(shí)滿足該條件。這里，τ是電容器和樣品系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，U。= 4ji Χ10_7(亨利/m)為自由空間的電容率。對(duì)于R和L?lcm，這意味著τ > 1-1OOys0為了使用典型尺寸和非晶態(tài)合金的電阻率值，要求穩(wěn)定大小的電容器，通常電容為?10000 μ F或以上。
[0066]樣品相對(duì)于動(dòng)態(tài)加熱期間能量分散不均勻性發(fā)展的穩(wěn)定性可以通過執(zhí)行包括通過電流進(jìn)行的歐姆“焦耳”加熱和通過傅里葉等式控制的熱流的穩(wěn)定性分析來理解。對(duì)于電阻系數(shù)隨溫度增加的樣品(即，正S)來說，沿著樣品圓柱軸的局部溫度變化將增加局部加熱，進(jìn)一步增加局部電阻和加熱分散性。對(duì)于充分地高能量輸入，這導(dǎo)致沿著圓柱的加熱的“局部化”。對(duì)于晶態(tài)材料，這導(dǎo)致局部熔化。然而，該行為在期望沿著部件之間的界面產(chǎn)生局部熔化的焊接中是有用的，該行為在期望均勻地加熱非晶態(tài)材料的情況下是極其不期望的。本發(fā)明提供了確保均勻加熱的臨界準(zhǔn)則。使用上述S，找到當(dāng)滿足以下條件時(shí)，加熱應(yīng)該是均勻的:
e (2π)2?€.c
[0067]S < ——-- = Scrit

L2I2R0
[0068]具中，D為非晶態(tài)材料的熱擴(kuò)散率(m2/s) ,Cs為樣品的總熱容量，以及Rtl為樣品的總電阻。使用金屬玻璃的D和Cs值，并假設(shè)本發(fā)明所通常要求的長度(L?Icm)以及輸入能量I2Rtl?16瓦特，可以獲得Scrit?10_4?10_5。用于均勻加熱的該準(zhǔn)則應(yīng)該對(duì)于許多金屬玻璃來說都是滿足的(參見上述S值)。具體地，許多金屬玻璃具有S < O。這種材料(即，S < O)總是滿足用于加熱均勻性的這種要求。滿足該準(zhǔn)則的示例性材料在美國專利第5，288，344,5, 368,659,5,618, 359和5，735,975中進(jìn)行了闡述，其全部內(nèi)容結(jié)合與此作為參考。
[0069]在所應(yīng)用的基礎(chǔ)物理準(zhǔn)則和所使用的非晶態(tài)材料之外，還存在確保電荷被盡可能均勻施加給樣品的技術(shù)要求。例如，重要的是樣品基本沒有缺陷，并形成為具有均勻截面。如果不滿足這些條件，則熱量將不會(huì)均勻在樣品上分散，并且將會(huì)發(fā)生局部加熱。具體地，如果在樣品塊中存在不連續(xù)或缺陷，則上述物理常數(shù)(即，D和Cs)將在那些點(diǎn)處不同，導(dǎo)致不同的加熱速率。此外，因?yàn)闃悠返臒崽匦赃€依賴于項(xiàng)目(即，L)的尺寸，所以如果該項(xiàng)的截面發(fā)生變化，則將沿著樣品塊會(huì)存在局部熱點(diǎn)。另外，如果樣品接觸面部不充分平坦和平行，則將在電極/樣品界面處存在界面接觸電阻。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，樣品塊被形成使其充分沒有缺陷并且具有基本均勻的截面。應(yīng)該理解，盡管樣品塊的截面應(yīng)該均勻，但只要滿足該要求，就不會(huì)在塊的形狀上進(jìn)行固有限制。例如，塊可以采用任何適當(dāng)?shù)膸缀尉鶆蛐螤?，諸如片、塊、圓柱等。在另一個(gè)實(shí)施例中，樣品接觸面被平行切割且平坦拋光，以確保與電極的良好接觸。
[0070]此外，重要的是在電極和樣品之間沒有界面接觸電阻。為了實(shí)現(xiàn)該目的，電極/樣品界面必須被設(shè)計(jì)為確保電荷被均勻施加，即，具有均勻的密度，使得在界面處沒有發(fā)生“熱點(diǎn)”。例如，如果電極的不同部分提供了與樣品的不同導(dǎo)電接觸，則無論哪里初始電阻最大，都會(huì)發(fā)生加熱的空間局部化和局部熔化。這又會(huì)導(dǎo)致放電焊接，其中，在電極/樣品界面或樣品內(nèi)的其他內(nèi)部界面附近創(chuàng)建局部熔化池。考慮到均勻電流密度的這種要求，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電極被平坦且平行拋光，以確保與樣品的良好接觸。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，電極由軟金屬制成，并且均勻“底座”壓力被施加以超過界面處的電極材料屈服強(qiáng)度，但不是電極彎曲強(qiáng)度，使得電極相對(duì)于松開的整個(gè)界面被正向加壓，并且界面處的任何非接觸區(qū)域被塑性變形。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，施加均勻低能“底座”脈沖，其剛剛足以將電極接觸面處非晶態(tài)樣品的任何非接觸區(qū)域的溫度升高到稍微在非晶態(tài)材料的玻璃化溫度之上，因此使得非晶態(tài)樣品符合電極的接觸面的微型特征。此外，在再一實(shí)施例中，電極被定位使得正電極和負(fù)電極通過樣品提供對(duì)稱的電流路徑。用于電極材料的一些適當(dāng)金屬為Cu、Ag和Ni，以及基本由Cu、Ag和Ni制成的合金(即，包含至少95at%的這些材料)。
[0071]最后，假設(shè)電能被成功均勻釋放到樣品中，如果朝向較冷周邊和電極的熱量傳送被有效避免，即，如果實(shí)現(xiàn)了絕熱加熱，則樣品將被均勻加熱。為了生成絕緣加熱條件，dT/dt必須足夠高，或者TRC足夠小，以確保由熱量傳送所引起的熱梯度不會(huì)在樣品中發(fā)展。為了量化該準(zhǔn)則，TRC的幅度應(yīng)該被考慮得小于非晶態(tài)金屬樣品的熱釋放時(shí)間Tth，其通過以下等式給出；
[0072]Tth= csR2/ks (等式 5)
[0073]其中，Ks和Cs是非晶態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)和特定熱容量，以及R為非晶態(tài)金屬樣品的特征長度刻度(例如，圓柱樣品的半徑)。使Ks?1W(mK)且Cs?5X 16J/(m3K)表示基于Zr的玻璃的適當(dāng)值以及R?IX l(T3m，獲得τ th?0.5s。因此，τ RC充分小于0.5s的電容器應(yīng)該被用于確保均勻加熱。
[0074]轉(zhuǎn)向成型方法本身，在圖2中提供了根據(jù)本發(fā)明RCDF方法的示例性成型工具的示圖。如圖所示，基本RCDF成型工具包括電能源(10)和兩個(gè)電極(12)。電極被用于向均勻截面的樣品塊(14)施加均勻的電能，樣品塊由具有充分低的Scrit值和充分高的大P O值的非晶態(tài)材料制成以確保均勻加熱。均勻的電能被用于以幾毫秒或以下的時(shí)標(biāo)將樣品均勻加熱到合金的玻璃化溫度之上的預(yù)定“工藝溫度”。由此形成的粘性液體根據(jù)優(yōu)選成型方法(例如，包括注塑成型、動(dòng)態(tài)鑄造、壓印鑄造、吹塑成型等)被同時(shí)成型，以小于I秒的時(shí)標(biāo)形成成品。
[0075]應(yīng)該理解，可以使用適合于提供充分的均勻密度能量的任何電能源，以快速且均勻地將樣品塊加熱到預(yù)定工藝溫度，例如具有10μ s至10毫秒的放電時(shí)間常數(shù)的電容器。此外，適合于在樣品塊上提供均勻接觸的任何電極都可用于傳送電能。如所討論的，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電極由軟金屬制成(例如N1、Ag、Cu或使用至少95&1:%的N1、Ag、Cu制成的合金)，并且在足以塑性變形電極/樣品界面處電極的接觸面的壓力下支撐樣品塊以使其符合樣品塊的接觸面的微型特征。
[0076]盡管上面的討論大體上集中于RCDF方法，但本發(fā)明的目的還在于用于使非晶態(tài)材料的樣品塊成型的裝置。在圖2所示意性示出的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，注射成型裝置可以與RCDF方法結(jié)合。在該實(shí)施例中，使用機(jī)械加載的活塞將加熱非晶態(tài)材料的粘性液體注射到在室溫下保持的模型腔(18)中，以形成金屬玻璃的凈形部件。在圖2所示方法的實(shí)例中，電荷被定位在電絕緣“桶”或“壓室”中，并且通過由具有高導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率的傳導(dǎo)材料(諸如銅或銀)制成的圓柱形活塞被預(yù)載到注射壓力(通常為1-1OOMPa)。活塞用作系統(tǒng)的一個(gè)電極。樣品電荷駐留在電接地的基極上。假設(shè)滿足上述特定準(zhǔn)則，則電容器的所存儲(chǔ)能量被均勻釋放到圓柱金屬玻璃樣品給料中。然后，所加載的活塞驅(qū)動(dòng)加熱的粘性液體在凈形模型腔中熔化。
[0077]盡管上面討論了注射成型技術(shù)，但可以使用任何適當(dāng)?shù)某尚图夹g(shù)。在圖3至圖5中提供了可根據(jù)RCDF技術(shù)使用的其他成型方法的一些可選示例性實(shí)施例，并在以下進(jìn)行討論。例如，如圖3所示，在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用動(dòng)態(tài)鑄造成型方法。在該實(shí)施例中，電極(22)的樣品接觸部分(20)應(yīng)該自身形成硬模工具。在該實(shí)施例中，冷樣品塊(24)將在壓力下保持在電極之間，并且當(dāng)電能被釋放到樣品塊時(shí)，將變得充分粘以使得電極在預(yù)定壓力下被壓到一起，從而使樣品塊的非晶態(tài)材料符合硬模(20)的形狀。
[0078]在圖4所示意性示出的另一個(gè)實(shí)施例中，提出了壓印形成成型方法。在該實(shí)施例中，電極(30)將夾住或者在它們的任一端之間保持樣品塊(32)。在所示示圖中，使用薄片的非晶態(tài)材料，盡管應(yīng)該理解，該技術(shù)可以被修改以利用任何適當(dāng)?shù)臉悠沸螤顏聿僮?。一旦電能通過樣品塊釋放，如圖所示包括相對(duì)模型或壓印面(36)的形成工具或印記(34)就將利用預(yù)定壓力與保持在其間的樣品的部分集合到一起，從而將樣品塊壓印為最終的期望形狀。
[0079]在圖5所示意性示出的又一示例性實(shí)施例中，可以使用吹塑模型成型方法。在該實(shí)施例中，電極(40)將夾住或者在它們的任一端之間保持樣品塊(42)。在優(yōu)選實(shí)施例中，樣品塊將包括薄片材料，盡管還可以使用任何適當(dāng)?shù)男螤?。不管其初始形狀如何，在示例性技術(shù)中，樣品塊將被定位在模型(45)上的框(44)中，以形成充分氣密的密封，使得塊的相對(duì)側(cè)(46和48)(即，面對(duì)模型的一側(cè)以及遠(yuǎn)離模型的一側(cè))可以被暴露給不同的壓力(SP，氣體的正壓或負(fù)真空)。一旦電能通過樣品塊釋放，樣品就變?yōu)檎承?，并且在壓差的?yīng)力下變形以符合模型的輪廓，從而將樣品塊形成為最終期望的形狀。
[0080]在圖6所示意性示出的又一實(shí)施例中，可以使用拉絲技術(shù)。在該實(shí)施例中，電極(49)在靠近樣品的任一端與樣品塊(50)良好接觸，而張力將被施加到樣品的任一端。冷氦流(51)被吹到拉出的線或纖維以利于冷卻到玻璃化之下。在優(yōu)選實(shí)施例中，樣品塊將包括圓柱棒，盡管可以使用任何適當(dāng)?shù)男螤?。一旦電能通過樣品塊釋放，樣品就變?yōu)檎承郧以趶埩Φ膽?yīng)力下均勻伸展，從而將樣品塊拉成均勻截面的線或纖維。
[0081]在圖7所示意性示出的又一實(shí)施例中，本發(fā)明的目的在于用于測量過度冷卻液體的熱動(dòng)力和傳送特性的快速電容器放電裝置。在一個(gè)這種實(shí)施例中，樣品(52)在壓力之下保持在兩個(gè)短槳形電極(53)之間，而熱成像相機(jī)(54)集中于樣品。當(dāng)釋放電能時(shí)，相機(jī)將被啟動(dòng)，并且樣品塊被同時(shí)充電。在樣品變得充分粘之后，電極將在預(yù)定壓力之下壓到一起以使樣品變形。假設(shè)相機(jī)具有所要求的分辨率和速度，則可通過一系列熱圖像來捕獲同時(shí)加熱和變形工藝。使用該數(shù)據(jù)，時(shí)間、熱和變形數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)換為時(shí)間、溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，而輸入電能和所施加壓力可以被轉(zhuǎn)換為內(nèi)部能量和所施加應(yīng)力，從而產(chǎn)生樣品的溫度、溫度依賴性粘性、熱容量和熱焓量的信息。
[0082]盡管上述討論集中于多個(gè)示例性成像技術(shù)的本質(zhì)特征，但應(yīng)該理解，可以利用本發(fā)明的RCDF方法使用其他成型技術(shù)，諸如擠壓或硬模鑄造。此外，附加元件可以被添加到這些技術(shù)中以提高最終成品的質(zhì)量。例如，為了改善根據(jù)上述任一成型方法形成的成品的表面精整度，模型或印記可以加熱到非晶態(tài)材料的玻璃化溫度左右或者僅僅在該溫度之下，從而平滑了表面缺陷。此外，為了實(shí)現(xiàn)具有更好表面精整度的成品或凈形部件，可以控制上述成型技術(shù)中任一種的壓力(在注射成型技術(shù)中為壓縮速度)，以避免由高“韋伯?dāng)?shù)”流動(dòng)所引起的熔化前緣不穩(wěn)定性，即，防止原子化、噴霧、撂線等。
[0083]RCDF成型技術(shù)和上述可選實(shí)施例可以應(yīng)用于小、復(fù)雜、凈形、高性能金屬部件的制造，諸如用于電子器件、支架、外殼、緊固件、鉸鏈、硬件、表面部件、醫(yī)用部件、相機(jī)和光學(xué)零件、珠寶等的套管。RCDF方法還可以用于制造小片、管、平板等，其可以通過與RCDF加熱和注射系統(tǒng)一致的各種類型的擠壓染料來動(dòng)態(tài)地?cái)D壓出。
[0084]總的來說，本發(fā)明的RCDF技術(shù)提供了將非晶態(tài)合金成型的方法，其允許大范圍非晶態(tài)材料的快速均勻加熱并且相對(duì)廉價(jià)和能量效率高。以下更加詳細(xì)地描述RCDF系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0085]快速且均勻加熱增強(qiáng)了熱塑可處理性
[0086]BMG的熱塑成型和形成嚴(yán)格受限于BMG在加熱到其玻璃化溫度Tg之上時(shí)結(jié)晶化的趨勢。Tg之上過度冷卻液體中晶體形成和生長的速率隨著溫度而快速增加，而液體的粘性卻下降。在?20C/min的傳統(tǒng)加熱速率處，當(dāng)BMG通過AT = 30_150°C被加熱到超過Tg的溫度時(shí)發(fā)生結(jié)晶化。該AT確定液體可以被熱塑處理的最大溫度和最低粘度。實(shí)際上，粘性被限制到大于?14Pa-S,更典型為15-1O7Pa-S,其嚴(yán)格限制凈形形成。使用RCDF，非晶態(tài)材料樣品可以以104_107C/s的加熱速率被均勻加熱并同時(shí)形成(總共需要毫秒的處理時(shí)間)。這樣樣品可以以更大的Λ T被熱塑形成為凈形，結(jié)果具有I至14Pa-S的更低工藝粘性，其為塑料的處理中所使用的粘性范圍。這要求更低的施加負(fù)載、更短的循環(huán)時(shí)間，并且將導(dǎo)致更好的工具壽命。
[0087]RCDF能夠處理審寬范闈的BMG材料
[0088]AT的顯著擴(kuò)展以及處理時(shí)間到毫秒的顯著減小能夠使得更多種類的玻璃形成合金被處理。具體地，可以使用RCDF來處理具有小AT的合金或者具有更快結(jié)晶化動(dòng)力且又具有更差玻璃形成能力的合金。例如，更便宜且更加期望的合金基于Zr、Pd、Pt、Au、Fe、Co、T1、Al、Mg、Ni和Cu，并且其他廉價(jià)金屬是具有小Λ T和強(qiáng)結(jié)晶趨勢的更差玻璃形成物。這些“邊緣玻璃形成”合金不能使用任何目前實(shí)踐的方法來進(jìn)行熱塑處理，但是可以使用本發(fā)明的RCDF方法來容易使用。
[0089]RCDF尤其俥材料有效
[0090]目前使用的用于形成塊非晶態(tài)成品的傳統(tǒng)工藝(諸如硬模鑄造)要求使用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被鑄造部件的體積的給料材料體積。這是因?yàn)槌T造之外的硬模的整個(gè)噴出內(nèi)容包括閘門、滑槽、直澆口(或素坯)和閃亮物，它們都需要用于朝向硬模腔的熔融金屬通路。相反，RCDF噴射的內(nèi)容在大多數(shù)情況下將只包括部分，并且在注射模制裝置的情況下，包括與硬模鑄造相比較短的滑槽和更薄的素坯。因此，RCDF方法尤其吸引用于涉及高成本非晶態(tài)材料的處理，諸如非晶態(tài)材料珠寶的處理。
[0091]RCDF尤其使能暈有效
[0092]諸如硬模鑄造、永久模型鑄造、熔模鑄造和金屬粉末注射成型(PIM)的競爭制造技術(shù)固有地能量效率較低。在RCDF中，所消耗的能量僅僅稍微大于要求將樣品加熱到期望工藝溫度的能量。不要求熱坩堝、RF引入熔化系數(shù)等。此外，不需要從一個(gè)容器向另一個(gè)容器傾倒熔融合金，從而減少了所要求的處理步驟以及潛在的材料污染和材料損失。
[0093]RCDF提供了相對(duì)小、緊湊且容易自動(dòng)化的技術(shù)
[0094]與其他制造技術(shù)相比，RCDF制造設(shè)備可較小、緊湊、干凈，并且可使其容易利用最少的移動(dòng)部件和基本上所有“電子”工藝而自動(dòng)化。。
[0095]不要求環(huán)境氣氛控制
[0096]RCDF處理樣品所要求的毫秒時(shí)標(biāo)將導(dǎo)致被加熱樣品對(duì)環(huán)境氣體最少的暴露。如此，該處理可以與目前的工藝方法相比在周圍環(huán)境下執(zhí)行，其中，擴(kuò)展的氣體暴露給出了熔融金屬和最終部件的嚴(yán)重氧化。
[0097]示例性實(shí)施例
[0098]本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到，根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例在前面的一般描述的范圍內(nèi)被實(shí)施，不否認(rèn)通過前述非限制實(shí)例的任何方式來進(jìn)行。
[0099]實(shí)例1:歐姆加熱的研究
[0100]為了論證用于BMG電容放電的基本原理，圓柱樣品中的歐姆熱量分散將給出均勻且快速的樣品加熱，簡單的實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)焊機(jī)器被用作說明成型工具。機(jī)器(Unitek 1048 B點(diǎn)焊機(jī))將在?1yF的電容器中存在達(dá)到100焦耳的能量?？梢跃_控制所存儲(chǔ)的能量。RC時(shí)間常數(shù)為100μ s的等級(jí)。為了限制樣品圓柱，兩個(gè)短槳形的電極設(shè)置有平坦平行面。點(diǎn)焊機(jī)具有彈性加載的上電極，其允許向上電極施加達(dá)到?80牛頓力的軸向負(fù)載。這又使得將達(dá)到?20MPa的恒定壓力施加給樣品圓柱。
[0101]若干BMG材料的小直圓柱體被制造為具有l(wèi)-2mm的直徑和2-3mm的高度。樣品質(zhì)量的范圍在?40mg到大約?170mg，并且被選擇以獲得在特定BMG的玻璃化溫度之上的 TF。BMG 材料是基于 Zr-Ti 的 BMG(Vitreloy I，Zr-T1-N1-Cu-Be BMG)、基于 Pd 的BMG (Pd-N1-Cu-P 合金)和基于 Fe 的 BMG(Fe-Cr-Mo-P-C)，分別具有 340C、300C 和?430C的玻璃化(Tg)。所有這些金屬玻璃都具有S?-1X 10_4 << Scrito
[0102]圖8a至圖8d不出了對(duì)半徑2mm高度2mm(圖8a)的Pd合金圓柱的一系列測試的結(jié)果。合金的電阻率為 PO = 190 μ Ω-Cm，而S ?-1 X 1-4 (σ1)。? = 50 (8b) ,75 (8c)和100 (8d)焦耳的能量被存儲(chǔ)在電容器箱中，并且被釋放到保持在?20MPa壓力下的樣品中。BMG中的塑流度通過測量被處理樣品的初始和最終高度來量化。尤其重要的是，注意樣品沒有被觀察到在處理期間結(jié)合到銅電極上。與BMG相比這可有助于銅的高導(dǎo)電和導(dǎo)熱性。簡而言之，銅從未達(dá)到充分高的溫度來使得在處理的時(shí)標(biāo)期間(?毫秒)通過“熔融” BMG潤濕。此外，應(yīng)該注意，對(duì)電極表面具有較小或沒有損害。最終處理樣品跟隨處理被自由移出銅電極，并且如圖9所示具有長度刻度基準(zhǔn)。
[0103]初始和最終圓柱高度被用于確定隨著其在負(fù)載下的變形而在樣品中發(fā)展的總壓力。通過HQ/H給出工程“應(yīng)力”，其中，H。和H分別是樣品圓柱的初始(最終)高度。通過In(HcZH)給出真實(shí)應(yīng)力。在圖10中繪制出了結(jié)果對(duì)放電能量子。這些結(jié)果表明真實(shí)應(yīng)力表現(xiàn)為由電容器放電的能量的大概線性增加函數(shù)。
[0104]這些測試結(jié)果表明BMG樣品庫的塑性變形是由電容器放電的能量的良好限定函數(shù)。遵循許多這種類型的測試，可以確定樣品的塑流(對(duì)于給定的樣品幾何形狀)是能量輸入的非常好的定義函數(shù)，如在圖10中明顯示出。簡而言之，使用RCDF技術(shù)，可通過輸入能量精確控制塑性處理。此外，流動(dòng)的特性隨著增加能量而質(zhì)量和數(shù)量地發(fā)生變化。在?80牛頓的施加壓力負(fù)載下，可以觀察到具有增加E的流動(dòng)行為的清楚進(jìn)化。具體地，對(duì)于Pd合金，用于E = 50焦耳的流動(dòng)限于InOVU)?I的應(yīng)力。流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，但是還明顯存在一些剪切變稀(例如，非牛頓流動(dòng)行為)。對(duì)于E = 75焦耳，利用InOVU)?2獲得更加廣泛的流動(dòng)。在該條件下，流動(dòng)為牛頓且均勻的，與平滑&穩(wěn)定的溶化前端移動(dòng)通過“模型”。對(duì)于E= 100焦耳，利用0.12cm的最終樣品厚度和?3的真實(shí)應(yīng)力獲得非常大的變形。存在清楚的流動(dòng)分裂、流動(dòng)線以及高“韋伯?dāng)?shù)”流動(dòng)的液體“噴灑”特性。簡而言之，可以從“模型”的穩(wěn)定到不穩(wěn)定前端移動(dòng)中觀察到清楚轉(zhuǎn)化。因此，使用RCDF，可以通過所施加負(fù)載的簡單調(diào)節(jié)和釋放到樣品的能量來系統(tǒng)且可控地改變塑流的質(zhì)量特性和范圍。
[0105]實(shí)例2:注射成型裝置
[0106]在另一個(gè)實(shí)例中，構(gòu)造工作原型RCDF注射成型裝置。在圖1la至圖1le中提供了設(shè)備的示圖。利用成型裝置構(gòu)造的實(shí)驗(yàn)證明其可被用于將多克的模型給料在小于I秒內(nèi)被注射到凈形成品中。所示系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)?6千焦的電能，并施加達(dá)到?10MPa的用于制造小凈形BMG部件的可控工藝壓力。
[0107]整個(gè)機(jī)器由多個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)組成，包括電能電荷發(fā)生系統(tǒng)、可控工藝壓力系統(tǒng)和模型組件。電能電荷發(fā)生系統(tǒng)包括電容器庫、電壓控制面板和電壓控制器，它們都經(jīng)由一組電導(dǎo)線￠2)和電極￠4)互連至模型組件(60)，使得放電可以通過電極施加給樣品坯料?？煽毓に噳毫ο到y(tǒng)￠6)包括氣源、活塞調(diào)整器和氣動(dòng)活塞，它們都經(jīng)由控制電路進(jìn)行互連，使得達(dá)到?10MPa的可控工藝壓力在成型期間可以被施加給樣品。最終，成型裝置還包括模型組件(60)，其將在以下進(jìn)行詳細(xì)描述，但是其在該圖中被示出具有處于完全收回位置的電極活塞(68)。
[0108]總模型組件在圖1lb中被示出為從較大裝置中移出。如圖所示，總模型組件包括頂部和底部模型塊(70a和70b)，組合模(72a和72b)的頂部和底部部件、用于將電流承載到模型筒形加熱器(76)的電導(dǎo)線(74)、絕緣間隔物(78)以及在該圖中示為“完全降低”位置的電極活塞組件(68)。
[0109]如圖1lc和圖1ld所示，在操作期間，非晶態(tài)材料(80)的樣品塊位于組合模(82)的門口頂部的絕緣套(78)內(nèi)部。該組件自身設(shè)置在模型組件(60)的頂部塊(72a)內(nèi)。電極活塞(未示出)可被定位為與樣品塊(80)接觸，并且經(jīng)由氣動(dòng)活塞組件施加可控壓力。
[0110]一旦樣品塊被定位且與電極正接觸，則樣品塊就經(jīng)由RCDF方法被加熱。被加熱樣品變粘，并且在活塞的壓力下，被可控地推動(dòng)通過門(84)到模型(72)中。如圖1Oe所示，在該示例性實(shí)施例中，組合模(60)采用環(huán)(86)的形式。在圖12a和圖12b中示出了使用本發(fā)明的示例性RCDF裝置形成的由Pd43NiltlCu27P2tl非晶態(tài)材料制成的樣品環(huán)。
[0111]該實(shí)驗(yàn)提供了復(fù)雜的凈形部件可使用本發(fā)明的RCDF技術(shù)形成的證據(jù)。盡管模型在該實(shí)施例中被形成為環(huán)形，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到，該技術(shù)等效應(yīng)用于各種成品，包括小、復(fù)雜、凈形、高性能金屬部件，諸如用于電子器件、支架、外殼、緊固件、鉸鏈、硬件、表面部件、醫(yī)用部件、相機(jī)和光學(xué)零件、珠寶等的套管。
[0112]本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明各種優(yōu)選實(shí)施例的前述實(shí)例和描述僅僅從整體示出了本發(fā)明，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以進(jìn)行本發(fā)明的步驟和各種部件的變化。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，附加處理步驟或可選配置不會(huì)影響本發(fā)明的快速電容器放電形成方法/裝置的改善特性，也不會(huì)使方法/裝置適合用于其預(yù)期目的。因此，本發(fā)明不限于本文所描述的特定實(shí)施例，而是通過所附權(quán)利的范圍來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種使用快速電容器放電快速地加熱和成型金屬玻璃的方法，包括: 提供由金屬玻璃形成合金所形成的金屬玻璃的樣品； 對(duì)所述樣品施加電能以均勻地加熱所述樣品到處理溫度，所述處理溫度高于所述金屬玻璃的玻璃化溫度； 一旦加熱到處理溫度就將所述樣品成型為非晶態(tài)成品；以及 將所述成品冷卻到所述金屬玻璃的玻璃化溫度以下的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述處理溫度在所述玻璃化溫度和金屬玻璃形成合金的平衡熔點(diǎn)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述處理溫度在所述金屬玻璃的玻璃化溫度以上200-300K的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，一旦加熱的樣品達(dá)到在I至104Pas-sec范圍內(nèi)的工藝粘度，就發(fā)生所述金屬玻璃的成型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述金屬玻璃具有不隨溫度增加的電阻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述樣品的溫度以至少500K/秒的速率增加。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述金屬玻璃具有不大于1X10_4°C1的每單位溫度改變下的電阻率相對(duì)改變，以及室溫下80至300 μ Ω -cm之間的電阻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述電能至少為100焦耳，并且放電時(shí)間常數(shù)在10 μ s至1ms之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述樣品基本沒有缺陷。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述金屬玻璃形成合金為基于選自由Zr、Pd、Pt、Au、Fe、Co、T1、Al、Mg、Ni和Cu組成的組中的元素金屬的合金。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加所述電能的步驟經(jīng)過至少兩個(gè)連接至所述樣品的相對(duì)端的電極發(fā)生，并在所述樣品中生成電場，以及其中，所生成動(dòng)態(tài)電場的電磁透入深度與所述樣品的半徑、寬度、厚度和長度相比較大。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述樣品在釋放能量之前被預(yù)載到電極之間，以在電極/樣品界面處生成等于電極材料的屈服強(qiáng)度以上的壓力。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，成型的步驟使用選自由注塑模具、動(dòng)態(tài)鑄造件、壓印鑄造件和吹塑模具所組成的組中的成型工具。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述成型工具被加熱到處于所述金屬玻璃的玻璃化溫度的溫度或該溫度之下。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加變形力，使得被加熱樣品以足夠慢的速率變形，來避免高韋伯?dāng)?shù)流動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在100μs至Is之間的時(shí)間內(nèi)完成樣品的加熱和成型。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在施加所述電能之前在樣品中生成預(yù)脈沖，所述預(yù)脈沖的能量足夠?qū)⒔缑嫣帢悠返臏囟壬叩剿鼋饘俨ＡУ牟ＡЩ瘻囟戎稀?br> 18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述變形力是在施加電能期間施加給樣品的張力變形力，以形成均勻截面的線或纖維。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，冷氦流被吹到拉出的線或纖維以利于冷卻。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述電能在樣品上被均勻施加。
【文檔編號(hào)】C21D7/13GK104313265SQ201410500239
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2009年3月23日 優(yōu)先權(quán)日:2008年3月21日
【發(fā)明者】馬里奧斯·D·德梅特里奧, 威廉·L·約翰遜, 仲·保羅·金, 約瑟夫·P·施拉姆 申請(qǐng)人:加利福尼亞技術(shù)學(xué)院