无定形合金的注入压缩模制的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2012年9月27日提交的美国非临时申请13/628,262的优先权，该 非临时申请的全部内容以引用方式并入。
技术领域
[0003] 本公开整体涉及由块体凝固型无定形合金形成的块体金属玻璃（"BMG"）制品，并 且具体地，涉及改进形成BMG制品的加工性能。
【背景技术】
[0004] 当今使用的大部分金属合金至少最初通过凝固浇铸来加工。金属合金熔化并浇铸 于金属或陶瓷模具中并在其中凝固。剥去模具，浇铸金属件准备好用于使用或进一步加工。 在固化和冷却期间产生的大部分材料的铸态结构取决于冷却速率。变化的性质没有一般规 贝ij，但对于大多数部件，结构仅逐渐地随着冷却速率变化而变化。另一方面，对于块体凝固 型无定形合金，相对快速冷却产生的无定形状态和相对较慢冷却产生的结晶状态之间的变 化是质的变化而非量的变化，这两种状态具有不同的属性。
[0005] 块体凝固型无定形合金或块体金属玻璃（"BMG"）为最近开发的一类金属材料。 该无定形状态对于某些应用可为非常有利的。然而，如果冷却速率不够快，则晶体可能在冷 却期间形成于合金内部，使得无定形状态的有益效果部分或全部丧失。例如，制造块体无定 形合金部件的一个风险是由于缓慢冷却或原材料中杂质的原因导致局部结晶。
[0006] 已在多种金属体系中制备了块体凝固型无定形合金。它们通常通过从高于熔融温 度淬火至环境温度来制备。一般来讲，需要诸如数量级为105°c /秒的高冷却速率来实现无 定形结构。将可使块体凝固型合金冷却以避免结晶从而在冷却期间实现并保持无定形结构 的最低速率称为合金的"临界冷却速率"。为了实现高于临界冷却速率的冷却速率，必须从 样品中提取热量。
[0007] 经常通过对经由与模具或印模的热接触被冷却的熔融材料进行注入模制和/或 压模浇铸，来形成BMG制品。然而，由于冷却材料收缩的缘故，因而出现问题。收缩在熔融材 料与模具壁之间形成间隙，减小了两者间的热接触，并且因此降低了熔融材料的冷却速率。 降低的冷却速率增加了形成晶体的可能性。另外，由于熔融材料与模具壁之间形成的间隙， 所形成的制品可能具有不合需要的表面光洁度和/或填充不足的部分。另外，难以形成具 有高纵横比或小区段的BMG制品。这是因为熔融材料将快速冷却下来，使其将在能够填满 整个模具腔之前就凝固。
【发明内容】
[0008] 各种实施例涉及通过结合注入压缩模制来改进形成BMG制品的加工性能，使得例 如，（1)可在熔融材料和模具的内表面之间提供热传递，从而保持所需的冷却速率来形成处 于无定形状态的制品；（2)可用熔融材料基本上完全填充模具腔而不在两者间形成间隙； 并且/或者（3)所形成的BMG制品能够具有至少约10或小于约0. 1的纵横比以形成小区 段或薄结构，例如，薄拐点。另外，BMG制品可被形成为具有所需的表面光洁度和结构特征。
[0009] 根据各种实施例，提供一种使用模具形成BMG制品的方法。所述模具可包括成对 以形成模具腔的静止模具部件和可移动模具部件。一旦形成模具腔，便可注入熔融材料 以填充模具腔。可随后以所需的冷却速率将该模具腔中的熔融材料冷却成块体金属玻璃 (BMG)制品。在注入和/或冷却熔融材料时，可控制可移动模具部件的移动以保持熔融材料 和模具之间的热接触并且因此保持冷却速率。
[0010] 根据各种实施例，提供一种使用模具形成BMG制品的方法。所述模具可包括成对 以形成模具腔的静止模具部件和可移动模具部件。一旦形成模具腔，便可注入熔融材料 以填充模具腔。可随后以所需的冷却速率将该模具腔中的熔融材料冷却成块体金属玻璃 (BMG)制品。在注入和/或冷却熔融材料时，可控制可移动模具部件的移动，使得所形成的 BMG制品的至少一部分具有至少10或小于0. 1的纵横比。
[0011] 根据各种实施例，提供一种使用模具形成BMG制品的方法。所述模具可包括成对 以形成模具腔的静止模具部件和可移动模具部件。一旦形成模具腔，便可注入熔融材料 以填充模具腔。可随后以所需的冷却速率将该模具腔中的熔融材料冷却成块体金属玻璃 (BMG)制品。在注入和/或冷却熔融材料时，可控制可移动模具部件的移动以在BMG制品中 添加额外结构特征。
[0012] 根据各种实施例，提供一种注入压缩模制装置。该装置可包括模具、注入单元和/ 或机械单元。所述模具可包括成对以形成模具腔的静止模具部件和可移动模具部件。所述 注入单元可被配置为将熔融材料注入模具腔中，使得该熔融材料可在模具腔中以所需的冷 却速率冷却成BMG制品。所述机械单元可被配置为在熔融材料被注入模具腔中以及在模具 腔中冷却时控制可移动模具部件的移动。
【附图说明】
[0013] 图1提供了示例性块体凝固型无定形合金的温度-粘度图。
[0014] 图2提供了用于示例性块体凝固型无定形合金的时间-温度-转变（TTT)图的示 意图。
[0015] 图3是示出根据本教导内容的各种实施例的示例性注入压缩模制装置的示意图。
[0016] 图4是示出根据本教导内容的各种实施例的用于形成BMG制品的示例性方法的流 程图。
【具体实施方式】
[0017] 在本说明书中引用的所有出版物、专利和专利申请均据此全文以引用方式并入。
[0018] 本文所用的冠词"一个"和"一种"是指一个或多于一个（即，至少一个）冠词的 语法对象。以举例的方式，"聚合物树脂"意指一种聚合物树脂或多于一种聚合物树脂。本 文所引用的任何范围均包括端值在内。在本说明书的全文中所用的术语"基本上"和"约" 用于描述并说明小的波动。例如，它们可以指小于或等于±5%，诸如小于或等于±2%、诸 如小于或等于±1%、诸如小于或等于±0.5%、诸如小于或等于±0.2%、诸如小于或等于 ±0. 1 %、诸如小于或等于±0. 05%。
[0019] 块体凝固型无定形合金或块体金属玻璃（"BMG"）为最近开发的一类金属材料。 这些合金可以相对较慢的速率凝固和冷却，并且它们在室温下保持无定形的非结晶（即， 玻璃态）状态。无定形合金具有许多比其晶态对应物优越的属性。然而，如果冷却速率不 够快，则晶体可能在冷却期间形成于合金内部，使得无定形状态的有益效果可能丧失。例 如，制造块体无定形合金部件的一个挑战在于由缓慢冷却或合金原材料中的杂质所导致的 部件的局部结晶。由于在BMG制品中期望较高程度的无定形度（以及，相反地，较低程度的 结晶度），因此需要开发用于铸造具有受控量的无定形度的BMG制品的方法。
[0020] 图1(得自美国专利7,575,040)示出了来自由Liquidmetal Technology制造的 Zr-Ti-Ni-Cu-Be族VIT-001系列的示例性块体凝固型无定形合金的粘度-温度曲线 图。应当指出的是，在形成无定形固体期间，不存在块体凝固型无定形金属的明显液体/固 体转变。随着过冷却逐渐扩大，熔融的合金变得越来越粘，直至其在大约玻璃化转变温度处 接近固体形式。因此，块体凝固型无定形合金的凝固前沿的温度可为大约玻璃化转变温度， 其中出于拔出经淬火的无定形片材产品的目的，合金将实际上充当固体。
[0021] 图2(得自美国专利7, 575, 040)示出了一种示例性块体凝固型无定形合金的时 间-温度-转变（TTT)冷却曲线或TTT图。与常规金属一样，块体凝固型无定形金属在冷 却时不会经历液体/固体结晶转变。相反，随着温度降低（接近玻璃化转变温度Tg)，在高 温（接近"熔融温度"Tm)下发现的高度流体化的非晶态形式的金属变得更粘，最终呈现常 规固体的外在物理属性。
[0022] 尽管对于块体凝固型无定形金属并不存在液体/结晶转变，但可将"熔融温度"Tm 定义为对应的结晶相的热力学液相线温度。在该体系下，在熔融温度下的块体凝固型无定 形合金的粘度可处于约〇. 1泊至约10, 〇〇〇泊的范围内，并且甚至有时低于〇. 01泊。在"熔 融温度"下的较低粘度将提供使用块体凝固型无定形金属对壳体/模具的复杂精细部分进 行更快且完全的填充，以便形成BMG制品。此外，熔融金属形成BMG制品的冷却速率应使得 在冷却期间时间-温度曲线不横向穿过界定图2的TTT图中的结晶区的鼻形区域。在图2 中，Tnose为其中结晶最为迅速且在最短时间尺度内出现的临界结晶温度Tx。
[0023] 过冷液相区（介于Tg与Tx之间的温度区）是阻止块体凝固型合金的结晶的卓越 稳定性的体现。在该温度区内，块体凝固型合金可作为高粘性液体而存在。块体凝固型合 金在过冷液相区中的粘度可在玻璃化转变温度下的IO 12Pa