[发明专利]通过快速电容器放电锻造形成金属玻璃

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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℃/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No.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℃/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（LiquidMetal Technologies,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Ti、Ni、Cu、Al和Be的Zr基合金以及添加有Ni、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。