無定形合金鑄塊的連續(xù)無模制造
【專利說明】無定形合金鑄塊的連續(xù)無模制造
【背景技術(shù)】
[0001] 當今使用的大部分金屬合金至少最初通過凝固澆鑄來加工。金屬合金被熔融并澆 鑄到金屬或陶瓷模具中，在其中凝固。剝?nèi)ツ＞?，澆鑄金屬件準備就緒供使用或進一步加 工。在凝固和冷卻期間產(chǎn)生的大部分材料的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)取決于冷卻速率。變化的性質(zhì)沒有一 般規(guī)則，但對于大多數(shù)部件，結(jié)構(gòu)變化僅僅逐漸伴隨著冷卻速率的變化而變化。另一方面， 對于塊體凝固型無定形合金，相對快速冷卻產(chǎn)生的無定形狀態(tài)和相對較慢冷卻產(chǎn)生的結(jié)晶 狀態(tài)之間的變化是質(zhì)的變化而非量的變化，這兩種狀態(tài)具有不同的特性。
[0002] 塊體凝固型無定形合金或塊體金屬玻璃（"BMG"）為最近開發(fā)的一類金屬材料。 這些合金可以相對較慢的速率凝固和冷卻，并且它們在室溫下保持無定形的非結(jié)晶（即， 玻璃態(tài)）狀態(tài)。該無定形狀態(tài)對于某些應(yīng)用可為非常有利的。如果冷卻速率不夠快，則晶體 可能在冷卻期間形成于合金內(nèi)部，使得無定形狀態(tài)的有益效果會部分地或全部地喪失。例 如，制造塊體無定形合金部件的一個風險是由于緩慢冷卻或原材料中雜質(zhì)的原因?qū)е戮植?結(jié)晶。
[0003] 已在多種金屬體系中制備了塊體凝固型無定形合金。它們通常通過從高于熔融溫 度淬火至環(huán)境溫度來制備。一般來講，需要諸如數(shù)量級為105°c/秒的高冷卻速率來實現(xiàn)無 定形結(jié)構(gòu)。將可使塊體凝固型合金冷卻以避免結(jié)晶，從而在冷卻期間實現(xiàn)并保持無定形結(jié) 構(gòu)的最低速率稱為合金的"臨界冷卻速率"。為了實現(xiàn)高于臨界冷卻速率的冷卻速率，必須 從樣品中提取熱量。因此，由無定形合金制造的物品厚度常常變?yōu)橄拗菩猿叨龋话銓⑵浞Q 為"臨界（澆鑄）厚度"?？赏ㄟ^熱流計算，并考慮臨界冷卻速度，來獲得無定形合金的臨界 厚度。
[0004] 直到九十年代初，無定形合金的可加工性仍然相當有限，并且無定形合金僅易于 以粉末形式或以臨界厚度小于100微米的極薄的箔或條獲得。在九十年代開發(fā)了一種主要 基于Zr和Ti合金體系的無定形合金，并且從那以后開發(fā)出了更多基于不同元素的無定形 合金體系。這些合金家族具有小于103°C/秒的低得多的臨界冷卻速率，因而它們具有與其 之前的對應(yīng)物相比大得多的臨界澆鑄厚度。然而，卻很少提到關(guān)于如何利用這些合金體系 和/或?qū)⑵涑尚蜑榻Y(jié)構(gòu)組件，諸如消費類電子設(shè)備中的那些結(jié)構(gòu)組件。具體地講，在論及長 寬比大的產(chǎn)品（例如，薄鋼板）或三維中空產(chǎn)品時，已經(jīng)存在的成形或處理方法常常導(dǎo)致產(chǎn) 品成本很高。此外，已經(jīng)存在的方法常?？赡苡挟a(chǎn)品制造缺點，即產(chǎn)品失去了很多在無定形 合金中觀察到的所期望的機械性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明描述了 一種制備合金的方法。該方法包括傾注合金的組成元素的熔融混合 物的料流，將料流分離成離散塊，通過在離散塊接觸任何液體或固體之前進行冷卻來凝固 離散塊。本發(fā)明還描述了另一種制備合金的方法。該方法包括傾注并凝固合金的組成元素 的熔融混合物的料流以形成棒材或從合金的組成元素的熔融混合物牽拉棒材，在棒材接觸 任何液體或固體之前，將棒材分離成離散塊。
[0006] -種適于執(zhí)行上述方法的裝置可包括從其傾注熔融料流或固體棒材從其延伸的 容器，圍繞熔融料流或固體棒材布置的一個或多個線圈、導(dǎo)電板、激光源或電子束源，被配 置為將熔融料流或固體棒材分離成離散塊。
【附圖說明】
[0007] 圖1提供了一種示例性塊體凝固型無定形合金的溫度-粘度圖。
[0008] 圖2提供了用于一種示例性塊體凝固型無定形合金的時間-溫度-轉(zhuǎn)變（T)圖的 示意圖。
[0009] 圖3示出了將熔融料流分離成離散塊的圖示。
[0010] 圖4示出了將棒材分離成離散塊的圖示。
【具體實施方式】
[0011] 在本說明書中引用的所有出版物、專利和專利申請均據(jù)此全文以引用方式并入。
[0012] 本文所用冠詞"一個"和"一種"是指一個或多于一個（即，至少一個）冠詞的語 法對象。以舉例的方式，"聚合物樹脂"意指一種聚合物樹脂或多于一種聚合物樹脂。本文 所引用的任何范圍均包括端值在內(nèi)。在本說明書的全文中所用的術(shù)語"基本上"和"約"用 于描述并說明小的波動。例如，它們可以指小于或等于±5%，諸如小于或等于±2%、諸 如小于或等于±1%、諸如小于或等于±0.5%、諸如小于或等于±0.2%、諸如小于或等于 ±0. 1 %、諸如小于或等于±0. 05%。
[0013] 塊體凝固型無定形合金或塊體金屬玻璃（"BMG"）為最近開發(fā)的一類金屬材料。 這些合金可以相對較慢的速率凝固和冷卻，并且它們在室溫下保持無定形的非結(jié)晶（即， 玻璃態(tài)）狀態(tài)。無定形合金具有許多比其晶態(tài)對應(yīng)物優(yōu)越的屬性。然而，如果冷卻速率不 夠快，則晶體可能在冷卻期間形成于合金內(nèi)部，使得無定形狀態(tài)的有益效果可能喪失。例 如，制造塊體無定形合金部件的一個挑戰(zhàn)在于由緩慢冷卻或合金原材料中的雜質(zhì)所導(dǎo)致的 部件的局部結(jié)晶。由于在BMG部件中期望較高程度的無定形度（相反地，較低程度的結(jié)晶 度），因此需要開發(fā)用于鑄造具有受控量的無定形度的BMG部件的方法。
[0014] 圖1(得自美國專利7,575,040)示出了來自由Liquidmetal Technology制造的 Zr-Ti-Ni-Cu-Be族VIT-001系列的一示例性塊體凝固型無定形合金的粘度-溫度曲線 圖。應(yīng)當指出的是，在形成無定形固體期間，不存在塊體凝固型無定形金屬的明顯液體/固 體轉(zhuǎn)變。隨著過冷卻逐漸擴大，熔融的合金變得越來越粘，直至其在大約玻璃化轉(zhuǎn)變溫度處 接近固體形式。因此，塊體凝固型無定形合金的凝固前沿的溫度可為大約玻璃化轉(zhuǎn)變溫度， 其中出于拔出經(jīng)淬火的無定形片材產(chǎn)品的目的，合金將實際上充當固體。
[0015] 圖2(得自美國專利7, 575, 040)示出了一種示例性塊體凝固型無定形合金的時 間-溫度-轉(zhuǎn)變（TTT)冷卻曲線或TTT圖。與常規(guī)金屬一樣，塊體凝固型無定形金屬在冷 卻時不會經(jīng)歷液體/固體結(jié)晶轉(zhuǎn)變。相反，隨著溫度降低（接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg)，在高 溫（接近"熔融溫度"Tm)下發(fā)現(xiàn)的高度流體化的非晶態(tài)形式的金屬變得更粘，最終呈現(xiàn)常 規(guī)固體的外在物理特性。
[0016] 盡管對于塊體凝固型無定形金屬并不存在液體/結(jié)晶轉(zhuǎn)變，但可將"熔融溫度"Tm 定義為對應(yīng)結(jié)晶相的熱力學(xué)液相線溫度。在該體系下，在熔融溫度下的塊體凝固型無定形 合金的粘度可處于約0. 1泊至約10, 〇〇〇泊的范圍內(nèi)，并且甚至有時低于0. 01泊。在"熔融 溫度"下的較低粘度將提供使用塊體凝固型無定形金屬對殼體/模具的復(fù)雜精細部分進行 更快且完全的填充以用于形成BMG部件。此外，熔融的金屬形成BMG部件的冷卻速率應(yīng)使 得在冷卻期間時間-溫度曲線不橫向穿過界定圖2的TTT圖中的結(jié)晶區(qū)的鼻形區(qū)域。在圖 2中，Tnose為其中結(jié)晶最為迅速且在最短時間尺度內(nèi)出現(xiàn)的臨界結(jié)晶溫度Tx。
[0017] 過冷液相區(qū)（介于Tg與Tx之間的溫度區(qū)）是阻止塊體凝固型合金的結(jié)晶的卓越 穩(wěn)定性的體現(xiàn)。在該溫度區(qū)內(nèi)，塊體凝固型合金可作為高粘性液體而存在。塊體凝固型合 金在過冷液相區(qū)中的粘度可在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下的l〇12Pa?s直至結(jié)晶溫度（過冷液相區(qū) 的高溫極限）下的l〇5Pa?s之間變化。具有這種粘度的液體可在所施加的壓力下經(jīng)受基 本的塑性應(yīng)變。本文的實施例使用過冷液相區(qū)中的較大塑性成形性作為成形和分離方法。
[0018] 需要對Tx進行一些闡釋。在技術(shù)上，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，不管在加熱或冷卻金屬合金時采取的是何種軌線，當碰到TTT曲線時， 就已達到Tx。在圖2中，將Tx示出為虛線，因為Tx可從接近Tm變化至接近Tg。
[0019] 圖2的示意性TTT圖示出了在時間-溫度軌線（示出為（1)，作為示例性軌線）不 碰到TTT曲線的情況下，從處于或高于Tm至低于Tg的壓鑄加工方法。在壓鑄期間，成形與 快速冷卻基本上同時發(fā)生，以避免軌線碰到TTT曲線。在時間-溫度軌線（示出為（2)、（3) 和（4)，作為示例性軌線）不碰到TTT曲線的情況下，從處于或低于Tg至低于Tm的超塑性 成形（SPF)加工方法。在SPF中，將無定形BMG重新加熱至過冷液相區(qū)，在該過冷液相區(qū)， 可用的加工窗口可能比壓鑄時大得多，從而導(dǎo)