通过快速电容器放电形成金属玻璃的制作方法

专利名称：通过快速电容器放电形成金属玻璃的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及一种形成金属玻璃的新方法，更具体地，涉及用于使用快速 电容器放电加热形成金属玻璃的工艺。
背景技术：
非晶态材料是工程材料的新种类，其具有来自熔融状态的高强度、弹性、耐蚀性和 加工性的独特组成。非晶态材料与传统结晶合金的区别在于，它们的原子结构缺乏传统结 晶合金的原子结构的典型长距离有序图样。通常通过以“足够快的”冷却速率将熔融合金 从晶相的熔化温度(或者热力学熔化温度)之上冷却到非晶相的“玻璃化温度”之下来处 理和形成非晶态材料，使得避免了合金晶体的成核和生长。如此，用于非晶态合金的处理方 法通常与量化“足够快的冷却速率”(其还被称为“临界冷却速率”)相关，以确保非晶相的 形成。用于早期非晶态材料的“临界冷却速率”非常高，大约为106°C /sec。如此，传统 的铸造工艺不适合于这种高冷却速率，并且开发了诸如熔融纺丝和平面流铸的特殊铸造工 艺。由于那些早期合金的结晶动力学非常快，要求极其短的时间(大约10_3秒或更短)用 于从熔融合金中进行热量提取以绕过结晶化，由此早期非晶态合金在至少一个维度上尺寸 受限。例如，使用这些传统技术仅成功制造非常薄的箔和带(厚度大约25微米)。因为用 于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造的部件的尺寸，所以 早期非晶态合金作为块状物件和物品的使用受到限制。这几年来，确定“临界冷却速率”严重依赖于非晶态合金的化学组成。因此，许多 研究都致力于开发新的具有非常低临界冷却速率的合金组成。在美国专利第5，288，344、 5，368，659,5, 618，359和5，735，975中给出了这些合金的实例，其全部内容结合与此作为 参考。这些非晶态合金体系(还称为块体金属玻璃或BMG)的特性在于临界冷却速率低至 几。C /秒，这使得可以处理和形成比先前大很多的块状非晶相物件。随着低“临界冷却速率” BMG的利用，变得可以应用传统的铸造工艺来形成具有非 晶相的块状成品。在过去的若干年，包括LiquidMetal Technologies公司的许多公司致力 于开发用于生产由BMG制造的净形金属部件的商业制造技术。例如，诸如永久铸模金属硬 模铸造和加热模具注射铸造的制造方法目前被用于制造商业硬件和部件，诸如用于标准消 费电子器件(例如，移动电话和手持无线设备)的电子套管、铰链、紧固件、医疗器械和其他 高附加值产品。然而，即使块固化非晶态合金提供了一些对于固化铸造的基本缺陷的补救 措施，尤其是对上述硬模铸造和永久铸模铸造工艺，但仍存在需要解决的问题。首要的是， 需要从较大范围的合金组成中制造这些块状物件。例如，目前可用的具有大临界铸造尺寸 能够制造大块非晶态物件的BMG受限于几组基于非常窄的金属选择的合金组成，包括添加 有Ti、Ni、Cu、Al和Be的基于rLx的合金以及添加有Ni、Cu和P的基于Pd的合金，它们不 需要从工程或成本方面进行优化。此外，目前的处理技术要求大量的昂贵机器来确保创建适当的处理条件。例如，大
5多数成型工艺要求大体积或可控的惰性气体环境，坩埚中材料的感应熔化、浇铸金属到短 套筒以及通过短套筒气力喷射到相当精细的铸模组合的浇注系统和空腔中。这些改进的硬 模铸造机器的每个机器会耗费几十万美元。此外，因为迄今完成BMG加热必须经由这些传 统的、缓慢的热工艺，所以处理和形成块固化非晶态合金的现有技术总是集中于将熔融合 金从热力学熔化温度之上冷却到玻璃化温度之下。这种冷却使用单步骤单调冷却操作或多 步骤工艺来实现。例如，利用处于室温的金属模型(由铜、钢、钨、钼、其组合或者其他高导 电材料制成)来帮助和加速从熔融合金中进行热量提取。因为“临界铸造尺寸”与临界冷却 速率相关，所以这些传统的工艺不适合于形成较大范围的块固化非晶态合金的较大块状物 件和成品。此外，通常需要将熔融合金以高速和高压注入到硬模中以确保足够的合金材料 在合金固化之前被引入到硬模中，尤其在复杂且高精度部件的制造中。因为将金属在高压 且高速率下送给硬模(诸如高压硬模铸造操作)，所以熔融金属的流动变得倾向于瑞利-泰 勒不稳定性。这种流动不稳定性的特征在于高韦伯数，并且与引起突出接缝和单元形成的 流峰的分裂相关联，其出现为铸件中的表面和结构微缺陷。此外，存在当不能玻璃化的液体 被收集到玻璃化金属的固体壳内时沿着硬模铸造模型的中心线形成收缩空腔和多孔的趋 势。补救与将材料从平衡熔点之上快速冷却到玻璃化之下相关联的问题的努力大多 集中于利用过度冷却液体的动力稳定性和粘性流特性。已经提出的方法涉及在玻璃松弛 到粘性过度冷却液体的情况下将玻璃给料加热到玻璃化之上，施加压力以形成过度冷却液 体，然后在结晶化之前冷却到玻璃化之下。这些有吸引力的方法与那些用于处理塑料的方 法本质上非常类似。然而，与塑料(其保持稳定对抗结晶化在软化转化之上非常长的时间) 相反，金属过度冷却液体非常快速地结晶在玻璃化处一次松弛。因此，金属玻璃在以传统 的加热速率(20°C /min)加热时为稳定对抗结晶化的温度范围是非常小的(玻璃化之上的 50-100°C )，并且该范围内的液体粘性非常高(IO9-IO7Pas),由于这些高粘性，要求将这些 液体形成为期望形状的压力是巨大的，并且对于许多金属玻璃合金将超过传统高强度工具 所能达到的压力(< IGPa)。最近开发了金属玻璃合金，以传统加热速率加热到相当高的温 度(玻璃化之上的165°C )时其稳定对抗结晶化。在美国专利申请20080135138和G. Duan 等人(Advanced Materials，19 (2007))和 A. Wiest (Acta Materialia，56 (2008) 2525-2630) 的论文中给出了这些合金的实例，其全部内容结合与此作为参考。由于它们的高稳定性对 抗结晶化，低至IO5Pa-S的工艺粘性变得可以实现，其建议这些合金与传统的金属玻璃相比 更加适合于过度冷却液体状态的处理。然而，这些粘性仍然充分高于塑料的处理粘性，其通 常在10和lOOOPa-s的范围内。为了获得这种低粘性，当通过传统加热来加热时或者以超 过稳定性温度范围的非传统的高加热速率来加热时，金属玻璃合金应该显示出非常高的稳 定性对抗结晶化以及将工艺粘度降到处理热塑料所使用的典型值。进行了一些尝试来创建瞬间将BMG加热到足以成型的温度的方法，从而避 免上面讨论的许多问题并同时扩展可以成型的非晶态材料的类型。例如，美国专利 第 4，115,682 和 5,005,456 号和 A. R. Yavari 的论文(Materials Research Society Symposium Proceedings,644(2001)L12-20-1 ；Materials Science & Engineering A, 375-377(2004)227-234 ；以及 Applied Physics Letters,81 (9) (2002) 1606-1608)均利 用了非晶态材料的独特导电特性的优点以使用Joule加热瞬时将材料加热到成型温度，其
6全部内容结合与此作为参考。然而，迄今为止的技术集中于BMG样品的局部加热，从而只 允许局部形成，诸如这些片的结合(即，点焊)或者表面部件的形成。这些现有技术方法 没有教导如何均勻地加热整个BMG样品体积，从而能够执行全局形成。代替地，所有这些 现有技术方法在加热期间期望温度梯度，并且讨论了如何使这些梯度可以影响局部形成。 例如，Yavari 等人(Materials Research Society Symposium Preoceedings，644(2001) L12-20-1)写到“被成型的BMG样品的外表面，是否与成型室内的电极或室内(惰性)气 体接触，都将稍微比内部冷，这是因为由电流生成的热量通过导电、对流或辐射而散到样品 外。另一方面，通过导电、对流或辐射加热的样品的外表面稍微比内部热。这是对于本方法 的重要优点，因为金属玻璃的结晶化和/或氧化通常首先开始于外表面和界面，并且如果 它们稍微在块温度之下，则可以更加容易地避免这种不期望的表面晶体形成。”玻璃化之上的BMG对抗结晶化的有限稳定性的另一缺点在于不能在亚稳过度冷 却液体的整个温度范围上测量热动力和传送特性(诸如热容量和粘性)。诸如差分扫描热 量计、热机械分析仪和库爱特粘度计的典型测量器械依赖于传统的加热仪器(诸如电和感 应加热器)，由此能够获得传统考虑的样品加热率(通常< 100°c /min)。如上所述，当以传 统的加热率进行加热时，金属过度冷却液体可以在有限的温度范围上稳定对抗结晶化，因 此可测量的热动力和传送特性限于可达到的温度范围。因此，不同于非常稳定对抗结晶化 且它们的热动力和传送特性在亚稳定的整个范围内可测量的聚合物和有机液体，金属过度 冷却液体的特性仅仅在窄温度范围(在玻璃化之上且在溶化点之下)内可测量。因此，存在找到一种新方法的需要，以瞬时和均勻地加热整个BMG样品体积，因此 能够进行非晶态金属的全局成型。此外，从科学观点来看，还存在找到存取并测量金属过度 冷却液体的这些热动力和传送特性的新方法的要求。

发明内容
因此，提供了一种根据本发明的用于使用快速电容器放电加热(RCDF)对非晶态 材料进行成型的方法和装置。在一个实施例中，本发明目的在于提供一种使用快速电容器放电快速加热和成型 非晶态材料的方法，其中，通过基本具有均勻截面的基本没有缺陷的样品来均勻地释放一 定量的电能量子，以快速且均勻地将样品的整体加热至处理温度，处理温度在非晶相的玻 璃化温度和合金的平衡熔化温度之间，并且同时成型且然后将样品冷却到非晶态成品。在 一个这种实施例中，样品优选以至少500K/Sec的速率被加热到处理温度。在另一个这种实 施例中，成型的步骤使用传统的形成技术，例如注射成型、动态锻造、压印锻造和吹塑成型。在另一个实施例中，利用每大约1X10_4°C 1的温度改变⑶单位的电阻率的相对 改变来选择非晶态材料。在一个这种实施例中，非晶态材料是基于选自由Zr、Pd、Pt、Au、 Fe、Co、Ti、Al、Mg、Ni和Cu组成的组中的元素金属的合金。在又一实施例中，以使电能被均勻引入样品的方式，一定量的电能量子通过至少 两个电极被释放到样品中，其中至少两个电极连接至所述样品的相对端。在一个这种实施 例中，该方法使用至少100焦耳的一定量的电能量子。在再一实施例中，处理温度大约为非晶态材料的玻璃化温度和合金的平衡熔点之 间的一半。在一个这种实施例中，处理温度为非晶态材料的玻璃化温度之上至少200K。在一
7个这种实施例中，处理温度是使得被加热的非晶态材料的粘度在大约1至IO4 Pas-sec(帕 斯卡秒)之间。在再一实施例中，控制用于成型样品的形成压力，使得以充分低以避免高韦伯数 流动的速率使样品变形。在再一实施例中，控制用于成型样品的变形速率，使得以充分低以避免高韦伯数 流动的速率使样品变形。在再一实施例中，初始非晶态金属样品(给料)可以为具有均勻截面的任何形状， 诸如圆柱、片、正方形和矩形固体。在再一实施例中，非晶态金属样品的接触面被平行切割且平坦抛光，以确保与电 极接触面的良好接触。在再一实施例中，本发明目的是提供一种用于成型非晶态材料的快速电容器放电 装置。在一个这种实施例中，非晶态材料的样品具有基本均勻地截面。在另一个这种实施 例中，至少两个电极将电能源连接至非晶态材料的样品。在这种实施例中，电极被附接至样 品，使得在电极和样品之间形成基本均勻的连接。在又一个这种实施例中，动态电场的电磁 透入深度与电荷的半径、宽度、厚度和长度相比较大。在再一实施例中，电极材料被选择为具有低屈服强度以及高电和热导电性的金 属，诸如铜、银或镍、或者由至少95at% (原子百分比)铜、银或镍形成的合金。在再一实施例中，“底座”压力被施加在电极和初始非晶态样品之间，以塑性地使 处于电极/样品界面处的电极的接触表面变形，以使其符合样品的接触表面的显微特征。在再一实施例中，低电流“底座”电脉冲被施加在电极和初始非晶态样品之间，以 局部地软化处于电极接触表面处非晶态样品的任何非接触区域，由此使其符合电极的接触 表面的显微特征。在装置的再一实施例中，电能源能够产生足够以至少500K/SeC的速率均勻地将 样品的整体加热到处理温度的电能量子，其中处理温度在非晶相的玻璃化温度和合金的平 衡熔化温度之间。在装置的这种实施例中，电能源以样品被绝热加热的速率被释放，或者换 句话说，以大大高于非晶态金属样品的热释放速率的速率被释放，从而避免热梯度的热传 送和发展，由此促进样品的均勻加热。在装置的再一实施例中，装置中使用的成型工具选自由注塑模具、动态锻造、压印 锻造和吹塑模具组成的组中，并且能够施加足以形成所述加热样品的变形应力。在一个这 种实施例中，成型工具至少部分地由至少一个电极形成。在可选的这种实施例中，成型工具 独立于电极。在装置的再一实施例中，提供气动或磁性驱动系统用于向样品施加变形力。在这 种系统中，变形力或变形速率可以被控制，使得以充分低以避免高韦伯数流动的速率来使 加热的非晶态材料变形。在装置的再一实施例中，成型工具还包括加热元件，用于将工具加热到优选在非 晶态材料的玻璃化温度周围的温度。在这种实施例中，所形成液体的表面将被更加缓慢地 冷却，由此改善了被形成成品的表面精整度。在再一实施例中，在能量释放期间对充分抓住的样品施加张力变形力，以拉动均 勻截面的线或纤维。
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在再一实施例中，控制张力变形力，使得材料的流动为牛顿力，且避免了通过缩颈 引起的故障。在再一实施例中，控制张力变形速率，使得材料的流动为牛顿力，且避免了通过缩 颈引起的故障。在再一实施例中，冷氦流被吹到所拉动的线或纤维上，以利于冷却到玻璃化之下。在再一实施例中，本发明的目的在于提供用于在亚稳定的整个范围之上测量过度 冷却液体的热动力和传送特性的快速电容器放电装置。在一个这种实施例中，高分辨率和 高速热成像相机被用于同时记录非晶态金属样品的均勻加热和均勻变形。时间、热和变形 数据可以被转换为时间、温度和应力数据，同时输入的电能和所施加压力可以被转换为内 部能量和所施加应力，从而产生关于样品的温度、温度依赖性粘性、热容量和热焓量的信 肩、ο


参照以下附图和数据图表可以更加完整地理解本说明书，其为本发明的示例性实 施例，并且不应该被限定为本发明范围的完全解释，其中图1提供了根据本发明的示例性快速电容器放电形成方法的流程图；图2提供了根据本发明的快速电容器放电形成方法的示例性实施例的示图；图3提供了根据本发明的快速电容器放电形成方法的另一示例性实施例的示图；图4提供了根据本发明的快速电容器放电形成方法的又一示例性实施例的示图；图5提供了根据本发明的快速电容器放电形成方法的再一示例性实施例的示图；图6提供了根据本发明的快速电容器放电形成方法的再一示例性实施例的示图；图7提供了根据本发明的与热成像相机组合的快速电容器放电形成方法的示例 性实施例的示图；图8a至图8d提供了根据本发明的使用示例性快速电容器放电形成方法获得的实 验结果的一系列照片图像；图9提供了使用根据本发明的示例性快速电容器放电形成方法获得的实验结果 的照片图像；图10提供了使用根据本发明的示例性快速电容器放电形成方法获得的数据点求 和实验结果；图Ila至图lie提供了根据本发明的示例性快速电容器放电装置的一组示图；以 及图12a和图12b提供了使用图Ila至图lie所示装置制造的模制成品的照片图像。
具体实施例方式本发明目的在于一种快速地均勻加热，流变软化且热塑形成金属玻璃的方法(通 常使用通过焦耳加热的挤压或模制工具以小于1秒的处理时间形成为净形成品)。更具体 地，该方法利用存储在电容器中的电能(通常为100焦耳到100千焦)的放电以若干毫秒 或以下的时标来均勻且快速地加热样品或金属玻璃的电荷到预定的“处理温度”，该处理温 度大约在非晶态材料的玻璃化温度和合金的平衡熔化温度之间的一半，并且在本文被称为
9快速电容器放电形成(RCDF)。本发明的RCDF工艺发生于通过金属玻璃为冻结液体的特性 而具有相对较低电阻的观察资料，其可以以样品利用适当应用的放电而被绝热加热的速率 导致高分散性以及材料有效均勻的加热。通过快速且均勻地加热BMG，RCDF方法扩展了过度冷却液体对抗结晶化的稳定性 到大幅高于玻璃化温度的温度，从而使得整个样品体积进入与最有利于形成的处理粘性相 关联的状态。RCDF工艺还提供了由亚稳过度冷却液体提供的粘性的整体范围的获取途径， 因为该范围不再被稳定晶相的形成所限制。总而言之，该工艺使得增强了所形成部件的质 量，增加了可用部件的产量，降低了材料和处理成本，加宽了可用BMG材料的范围，改善了 能量效率，以及降低了制造机器的主要成本。此外，由于可以在RCDF方法中获得瞬时和均 勻加热，所以液体亚稳性的整个范围上的热动力和传送特性变得可以被测量。因此，通过将 附加的标准器械结合到诸如温度和应力测量器械的快速电容器放电装置中，可以在玻璃化 和熔点之间的整个温度范围内测量诸如粘性、热容量和热焓量的特性。在图1中提供了本发明的RCDF方法的简化流程图。如图所示，该处理开始于存储 在电容器中的电能(通常为100焦耳到100千焦)放电到样品块或者金属玻璃合金的给料。 根据本发明，电能的应用可用于快速且均勻地将样品加热到在合金的玻璃化温度之上的预 定“工艺温度”，更具体地，加热到工艺温度大约为非晶态材料的玻璃化温度与合金的平衡 熔点之间的一半(Tg以上 200-300K)，以几微秒到几毫秒或以下的时标，使得非晶态材料 具有足以能够容易成型的工艺粘度( 1至IO4PaS-S或以下)。一旦样品被均勻加热使得整个样品块具有充分低的工艺粘性，其可以经由任何技 术(例如，包括注塑成型、动态铸造、压印铸造、吹塑成型等)被成型为高质量非晶态块状成 品。然而，成型金属玻璃的给料的能力完全依赖于确保给料的加热在整个样品块都是快速 且均勻的。如果没有实现均勻加热，则样品将代替经历局部加热，尽管这种局部加热对于一 些技术(例如，结合或点焊片一起，或者样品的成型特定区域)来说是有用的，但这种局部 加热不能用于执行样品的块状成型。类似地，如果样品加热不充分快(通常在500-105K/s 的级别)，则材料被形成为损失其非晶态特征，或者成型技术限于具有优良可处理特性的那 些非晶态材料(即，过度冷却液体对抗结晶化的高稳定性)，这再次降低了工艺的有用性。本发明的RCDF方法确保了样品的快速均勻加热。然而，为了理解用于使用RCDF 方法获得金属玻璃样品的快速、均勻加热的必须准则，需要首先理解如何发生金属材料的 焦耳加热。金属的电阻率的温度依赖性可以根据每单位温度改变系数S的电阻率的相对改 变来量化，其中，S被定义为S=〔1/P。〕[dp (T) /dT]To (等式 1)其中，S的单位为(1/度-C)，P0为金属处于室温Ttl的电阻率(单位欧姆-cm)， 以及[dp/dT]!；为室温下的电阻率的温度导数(欧姆-cm/C)。典型的非晶态材料具有 大ρ°(80μ Ω-cm < ρ° < 300μ Ω-cm)但非常小(且经常为负)的S值(-1X10_4<S < +IX 1(Γ4)。对于在非晶态合金中找到的小S值，经受均勻电流密度的具有均勻截面的样品将 在空间上被均勻地欧姆加热，样品将快速地从室温Ttl加热到最终温度TF，其依赖于由以下 等式给出的电容器的总能量E = 1/2 CV2(等式 2)
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以及样品给料的总加热能力Cs (焦耳/C)通过以下等式给出Tf Tf = T0+E/Cs(等式 3)依次地，将通过电容放电的时间常数= RC来确定加热时间。这里，R为样品 的总电阻加上电容放电电路的输出电阻。因此，理论上，可通过以下等式给出金属玻璃的典 型加热速率dT/dt = (Tf-T0) /tec(等式 4)相反，通常的晶态金属具有更加低的Ρ°(1_30μ Ω-cm)和更加高的S值( 0.01-0.1)。这导致了行为的显著不同。例如，对于诸如铜合金、铝或钢合金的普通晶态金 属，p°非常小(1-20 μ Ω-cm)，而S非常大(通常S 0.01-0. 1)。晶态金属中较小的P0 值将导致样品中较小的耗散(与电极相比)，并且使得电容器的能量与样品的耦合效率低。 此外，当晶态金属熔化时，P⑴通常增加2或以上的因子，从固态金属变为熔融金属。与 普通晶态金属熔化时电阻率的增加一起的大S值导致均勻电流密度中极其不均勻的欧姆 加热。晶态样品将总是局部熔化，通常在高电压电极或者样品内的其他界面的附近。此外， 电能通过晶态棒的电容器放电导致加热的空间局部化和局部熔化，无论什么情况初始电阻 是最大的(通常在界面处)。事实上，这是晶态金属的电容放电焊接(点焊、凸焊、“螺柱焊 接”等)的基础，在电极/样品界面或者将被焊接的部件内的其他内部界面的附近创建局部 熔化池。如背景技术中所讨论的，现有技术系统还认可了非晶态材料的固有导电特性；然 而，迄今为止没有认可的是确保整个样品的均勻加热，还需要避免加热样品内能量分散的 空间不均勻性的动态发展。本发明的RCDF方法提出了两个准则，其必须满足防止这种不均 勻性的发展和确保给料的均勻加热样品内电流的均勻性；以及样品相对于动态加热期间能量分散的不均勻性发展的稳定性。尽管这些准则看起来相对简单，但它们对加热期间使用的电荷提出了多种物理和 技术限制，用于样品的材料、样品的形状以及用于引入给料的电极与样品本身之间的界面。 例如，对于长度L和面积A= jiR2 =样品半径)的圆柱形给料，将存在以下要求。电容放电期间圆柱内电流的均勻性要求动态电场的电磁透入深度Λ与样品的相 关尺寸特性(半径、长度、宽度或厚度)相比较大。在圆柱的实例中，相关特性尺寸将明显 为给料的半径和深度R和L。当Λ = [ρ ^ τ/μ J172S^L.时满足该条件。这里，τ是电 容器和样品系统的时间常数，=(亨利/m)为自由空间的电容率。对于R和 L lcm，这意味着τ > IO-IOOys0为了使用典型尺寸和非晶态合金的电阻率值，要求稳 定大小的电容器，通常电容为 10000 μ F或以上。样品相对于动态加热期间能量分散不均勻性发展的稳定性可以通过执行包括通 过电流进行的欧姆“焦耳”加热和通过傅里叶等式控制的热流的稳定性分析来理解。对于 电阻系数随温度增加的样品(即，正S)来说，沿着样品圆柱轴的局部温度变化将增加局部 加热，进一步增加局部电阻和加热分散性。对于充分地高能量输入，这导致沿着圆柱的加热 的“局部化”。对于晶态材料，这导致局部熔化。然而，该行为在期望沿着部件之间的界面产 生局部熔化的焊接中是有用的，该行为在期望均勻地加热非晶态材料的情况下是极其不期 望的。本发明提供了确保均勻加热的临界准则。使用上述S，找到当满足以下条件时，加热
11应该是均勻的
权利要求
一种使用快速电容器放电快速地加热和成型非晶态材料的方法，包括提供非晶态材料的样品，所述样品具有基本均匀的截面；通过所述样品均匀地释放电能量子，以均匀地将所述样品的整体加热到处理温度，所述处理温度在非晶态材料的玻璃化温度和平衡熔点之间，并且同时施加变形力，以使被加热样品成型为非晶态成品；以及将所述成品冷却到所述非晶态材料的玻璃化温度之下的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非晶态材料具有不随温度增加的电阻率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样品的温度以至少500K/秒的速率增加。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非晶态材料具有不大于约1X10_4°C1的每 单位温度改变(S)的电阻率的相对改变以及室温(Ptl)下约80至300μ Ω-cm之间的电阻 率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，电能量子至少约为100焦耳，并且放电时间常数 在大约10μ s至IOms之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理温度约为所述非晶态材料的玻璃化温 度和合金的平衡熔点之间的一半。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理温度是使加热的非晶态材料的粘度为 约 1 至 IO4 Pas-sec。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样品基本没有缺陷。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非晶态材料为基于选自由&、Pd、Pt、Au、Fe、 Co、Ti、Al、Mg、Ni和Cu组成的组中的元素金属的合金。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，释放所述电能量子的步骤经过至少两个连接至 所述样品的相对端的电极发生，并在所述样品中生成电场，以及其中，所生成动态电场的电 磁透入深度与进料的半径、宽度、厚度和长度相比较大。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述样品在释放能量之前被预载到电极之间， 以在电极/样品界面处生成等于电极材料的屈服强度以上的压力。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，成型的步骤使用选自由注塑模具、动态铸造件、 压印铸造件和吹塑模具所组成的组中的成型工具。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述成型工具被优选加热到所述非晶态材料 的玻璃化温度左右的温度。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，施加变形力，使得被加热样品以足够慢的速率 变形，来避免高韦伯数流动。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，在大约100μs至Is之间的时间内完成样品的 加热和成型。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括在释放能量之前在样品中生成预脉冲，所述预 脉冲的能量足够将界面处样品的温度升高到所述非晶态材料的玻璃化温度之上。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述变形力是在释放能量期间施加给样品的张 力变形力，以形成均勻截面的线或纤维。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，冷氦流被吹到拉出的线或纤维以利于冷却。
19.一种用于快速加热和成型非晶态材料的快速电容器放电装置，包括非晶态材料的样品，所述样品具有基本均勻的截面；电能源；将所述电能源互连至所述非晶态材料的样品的至少两个电极，所述电极附接至所述样 品，使得在所述电极和所述样品之间形成基本均勻的连接；成型工具，以所述样品的形成关系进行设置；其中，所述电能源能够产生足以均勻地将所述样品的整体加热到处理温度的电能量 子，所述处理温度在非晶态材料的玻璃化温度和合金的平衡熔点之间；以及其中，所述成型工具能够施加足以将所述加热的样品形成为净形成品的变形力。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述成型工具选自由注塑模具、动态铸造件、 压印铸造件和吹塑模具所组成的组。
21.根据权利要求19所述的装置，其中，所述成型工具至少部分地由至少一个电极形成。
22.根据权利要求19所述的装置，其中，所述成型工具还包括温度可控加热元件，用于 将所述工具加热到优选在所述非晶态材料的玻璃化温度左右的温度。
23.根据权利要求19所述的装置，还包括与所述成型工具为操作关系的气动驱动系统 或磁性驱动系统中的一个，用于向所述样品施加所述变形力。
24.根据权利要求19所述的装置，其中，所述非晶态材料具有不随温度增加的电阻率。
25.根据权利要求19所述的装置，其中，所述样品的温度以至少500K/秒的速率增加。
26.根据权利要求19所述的装置，其中，所述非晶态材料具有不大于大约1X10_4°C1 的每单位温度改变(S)的电阻率的相对改变以及室温(Ptl)下在大约80至300 μ Ω-cm之 间的电阻率。
27.根据权利要求19所述的装置，其中，电能量子至少约为100焦耳，并且放电时间常 数在大约10 μ S至IOms之间。
28.根据权利要求19所述的装置，其中，所述处理温度约为所述非晶态材料的玻璃化 温度和合金的平衡熔点之间的一半。
29.根据权利要求19所述的装置，其中，所述处理温度为使加热的非晶态材料的粘度 约为 1 至 IO4 Pas-sec。
30.根据权利要求19所述的装置，其中，所述样品基本没有缺陷。
31.根据权利要求19所述的装置，其中，所述样品接触面是平坦且平行的。
32.根据权利要求19所述的装置，其中，所述非晶态材料为基于选自由Zr、Pd、Pt、Au、 Fe、Co、Al、Mg、Ti、Ni和Cu组成的组中的元素金属的合金。
33.根据权利要求19所述的装置，其中，所述电极材料为具有低屈服强度以及高导热 率和导电率的金属。
34.根据权利要求19所述的装置，其中，所述电极材料选自由Cu、Ag或Ni、或者含有至 少95 at%&Cu、Ag或Ni中之一的合金所组成的组中。
35.根据权利要求19所述的装置，其中，所述样品在释放能量之前被预载到电极之间， 以在电极/样品界面处生成等于约电极材料的屈服强度的压力。
36.根据权利要求19所述的装置，其中，在释放能量之前在样品中生成预脉冲，所述预 脉冲的能量足够将界面处样品的温度升高到所述非晶态材料的玻璃化温度左右。
37.根据权利要求19所述的装置，还包括控制器，用于限制所述变形力，使得加热的样 品以足够慢的速率变形，以避免高韦伯数流动。
38.根据权利要求19所述的装置，其中，所述成型工具独立于电极。
39.根据权利要求19所述的装置，还包括控制器，以在放电期间控制表面电荷的应变 速率或置换速率，使得加热的样品以足够慢的速率变形，以避免高韦伯数流动。
40.根据权利要求19所述的装置，其中，所述装置能够在大约100μ s至Is之间的时间 内由室温样品形成成品。
41.根据权利要求19所述的装置，其中，所述电能源在所述样品中生成电场，以及其 中，所生成的动态电场的电磁透入深度与进料的半径、宽度、厚度和长度相比较大。
42.一种快速放电电容器科学装置，包括非晶态材料的样品，所述样品具有基本均勻的截面；电能源；将所述电能源互连至所述非晶态材料的样品的至少两个电极，所述电极附接至所述样 品，使得在所述电极和所述样品之间形成基本均勻的连接；工具，用于施加以所述样品的接合关系设置的变形力；其中，所述电能源能够产生足以均勻地将所述样品的整体加热到均勻处理温度的电能 量子，所述处理温度在非晶态材料的玻璃化温度和合金的平衡熔点之间；以及至少一个传感器，用于在变形期间测量样品的至少一个特性。
43.根据权利要求42所述的装置，其中，所述至少一个特性选自由温度、粘度、热容量 和热焓量所组成的组。
全文摘要
提供了用于均匀加热、局部软化以及使用快速电容器放电形成(RCDF)工具热塑地将金属玻璃快速形成为净形的装置和方法。RCDF方法利用存储在电容器中电能的释放，以若干毫秒或以下的时标均匀且快速地将样品或金属玻璃合金的给料加热到预定“工艺温度”，该温度在非晶态材料的玻璃化温度和合金的平衡熔点之间。一旦样品被均匀加热以使整个样品块具有充分低的工艺粘度，其就可以以小于1秒的期限经由各种技术(包括注射成型、动态铸造、压印铸造和吹塑成型)成型为高质量非晶态块。
文档编号C03B5/00GK101977855SQ200980109906
公开日2011年2月16日 申请日期2009年3月23日 优先权日2008年3月21日
发明者仲·保罗·金, 威廉·L·约翰逊, 约瑟夫·P·施拉姆, 马里奥斯·D·德梅特里奥 申请人:加利福尼亚技术学院