DE60319700T2

DE60319700T2 - Geschäumte strukturen von glasbildenden amorphen legierungen

Info

Publication number: DE60319700T2
Application number: DE60319700T
Authority: DE
Inventors: Atakan Aliso Viejo PEKER; Jan Lake Forest SCHROERS; William L. Pasadena JOHNSON; James Lake Forest KANG
Original assignee: Liquidmetal Technologies Inc
Current assignee: Crucible Intellectual Property LLC
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: US20040035502A1; EP1513637A4; EP1513637A2; KR20050027092A; AU2003233611A1; EP1513637B1; DE60319700D1; AU2003233611A8; ATE388778T1; WO2003100106A3; WO2003100106A2; US7073560B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Gegenstände, die geschäumte Strukturen aus sich in Masse verfestigenden amorphen Legierungen umfassen und Verfahren zur Gestaltung und Formung derartiger Gegenstände.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die sich in Masse verfestigenden amorphen Legierungen sind eine erst kürzlich entdeckte Familie amorpher Legierungen, welche eine Anzahl von physikalischen Eigenschaften aufweist, die sie äußerst wertvoll für einen großen Anwendungsbereich machen. Beispielsweise können sich in Masse verfestigende amorphe Legierungen Formveränderungen von bis zu 1,5% oder mehr ohne permanente Deformation oder Bruch widerstehen. Des weiteren weisen sie eine hohe Bruchzähigkeit von 11 MPa √m (10 kpsi √in) oder mehr und vorzugsweise 22 MPa √m (20 kpsi √in) oder mehr auf. Sie weisen ebenfalls hohe Härtewerte von 4 GPa oder mehr auf und in einigen Formulierungen sogar so hoch wie 5,5 GPa oder höher. Die Streckfestigkeit der sich in Masse verfestigenden Legierungen beginnt bei 1,6 GPa und reicht bis zu 2 GPa und mehr, wobei sie über den augenblicklichen Status der Titanlegierungen hinausgeht. Darüber hinaus weisen die vorangehend erwähnten sich in Masse verformenden amorphen Legierungen eine Dichte im Bereich von 4,5 bis 6,5 g/cm³ auf, wobei sie dadurch hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse bereitstellen. Zusätzlich zu den wünschenswerten mechanischen Eigenschaften weisen die sich in Masse verfestigenden amorphen Legierungen ebenfalls eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit auf.
Die sich in Masse verfestigenden amorphen Legierungen weisen allerdings auch einige Schwächen auf. Im Allgemeinen weisen die amorphen Legierungen, verglichen mit ihren kristallinen Gegenstücken, ein niedrigeres Young'sches Modul (Elastizitäts- und Zug-Modul) auf. Beispielsweise besitzen amorphe Legierungen auf Ti-Basis typischerweise ein Modul, das 10 bis 25% niedriger ist als das von den führenden Ti-Basis-Legierungen. Als solches ist das Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis von amorphen Legierungsmassen nicht günstig und es schränkt im eigentlichen Sinn die Verwendung und Anwendung derartiger Legierungen in Konstruktionen ein, bei denen die Steifigkeit den Haupteinflussfaktor darstellt. Eine weitere Schwäche von amorphen Legierungen ist die eingeschränkte Belastbarkeit und das eingeschränkte Energieabsorptionsvermögen von diesen Materialien, was ihre Beständigkeit gegenüber Schlageinwirkungen verringert, insbesondere wenn ihre Dicke 2 mm oder mehr überschreitet. Noch ein weiterer Nachteil von amorphen Legierungen ist eine fehlende Beständigkeit gegenüber der Rissfortpflanzung, was im Wesentlichen die Lebensdauer von amorphen Legierungen verringert.
Es wurden unterschiedliche Verfahren für die Herstellung von gegossenen amorphen Massen aus Metallglas und Metallglasmaterialien beschrieben. Qui und Apfel (Rev. Sci. Instrum. 1995, 66: 3337–3343) beschreiben zum Beispiel ein Verfahren zur Herstellung von geschäumtem amorphen Material. Das Verfahren umfasst eine rasche Dekompression von einer Schmelze, welche mit einer flüchtigen Flüssigkeit angeimpft worden ist. Während der plötzlichen Dekompression verdampft die dispergierte Flüssigkeit, wobei die Umwandlungswärme aus der Schmelze entnommen wird und wobei dadurch die Schmelze homogen abgekühlt und ein amorpher fester Schaum bereitgestellt wird.
Es besteht jedoch ein Bedarf für verbesserte Formulierungen von sich in Masse verfestigenden amorphen Legierungen, die verbesserte physikalische Eigenschaften aufweisen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Schaumstruktur gerichtet, die in Patentanspruch 10 in der sich in Masse verfestigenden amorphen Legierungsstruktur dargelegt ist, welche eine Gießdicke von etwa 0,5 mm oder weniger aufweist, wobei ein kontinuierliches Stück der Legierung durch eine Porenstruktur verbunden ist, wobei die Größe von jeder Pore zwischen 1 μm und 0,5 mm beträgt und die Volumenfraktion der Poren von 10% bis zu 95% beträgt, mit verbesserter Schlagfestigkeit, einem hohen Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis und/oder einer hohen Beständigkeit gegenüber Ermüdung und Rissfortpflanzung.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung, wie in Patentanspruch 1 festgelegt, gerichtet auf ein Verfahren zur Bildung derartiger geschäumter Legierungsstrukturen durch Erhitzen der Legierung über die Schmelztemperatur, durch Unterdrucksetzen der geschmolzenen Legierung, Erzeugen einer Vielzahl von Luftblasen in der geschmolzenen, sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung lediglich durch die Bewegung, die durch mechanisches Rühren der geschmolzenen, sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung unter Druck erzeugt werden und Abkühlen der Mischung mit einer Rate von etwa 500 K/s oder weniger und ausreichend rasch unter die Glasübergangstemperatur, wobei während des Abkühlens der Druck herabgesetzt wird. In einer derartigen Ausführungsform ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Formgebung derartiger geschäumter Strukturen in einer sogenannten Near-to-Net-Shape-Fertigung von Gegenständen gerichtet, wie in Patentanspruch 41 festgelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, den anhängenden Patentansprüchen und den beigefügten Zeichnungen offensichtlich, wobei:
1a eine schematische Darstellung von einer beispielhaften geschäumten „geschlossenen Zellstrucktur" gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
1b eine schematische Darstellung von einer beispielhaften geschäumten „offenen Zellstruktur" gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform von einem Verfahren zur Bildung der geschäumten, sich in Masse verfestigenden amorphen Legierungsstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ein Flussdiagramm einer weiteren beispielhaften Ausführungsform von einem Verfahren zur Bildung der geschäumten, sich in Masse verfestigenden amorphen Legierungsstruktur zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf Schaumstrukturen von sich in Masse verfestigenden amorphen Legierungen gerichtet, die, verglichen mit den monolithischen festen Formen der amorphen Basislegierungen, eine wesentliche Verbesserung in einer oder mehrerer der folgenden Eigenschaften zeigen: spezifischer Modul, spezifische Festigkeit, bessere Energieabsorption bei Schlagwirkung, höherer Grenzwert für die elastische Formänderung, Bruchzähigkeit und Beständigkeit gegenüber Rissfortpflanzung.
Derartige, vorangehend erwähnten Verbesserungen werden durch die Bildung einer Schaumstruktur erreicht, wobei ein kontinuierliches Stück der amorphen Legierung durch eine Porenstruktur verbunden ist. Hierin sind die Poren entweder durchgehend miteinander verbunden und werden als „offene Zellstruktur" bezeichnet, wie schematisch in 1a dargestellt, oder jede Pore ist vollständig durch einen Anteil von dem kontinuierlichen Stück der amorphen Legierung umschlossen und wird als „geschlossene Zellstruktur" bezeichnet, wie schematisch in 1b dargestellt.
Die Schaumstruktur ist derart ausgebildet, dass die Porosität und die Blasen in bestimmten Formen und Volumenfraktionen gebildet werden. Im Allgemeinen beträgt die Porengröße von 1 μm bis zu 0,5 mm in der Größe und die Volumenfraktion der Poren reicht von 10% bis zu 95% oder mehr.
Die Größe von dem Körperelement der amorphen Legierung, welche die Schaumstruktur festlegt (die Schaumstruktur selbst ist definiert als die Größe, die Form, der Vernetzungsgrad und die Verteilung der Poren) spielt eine kritische Rolle beim Erreichen der vorangehend erwähnten Verbesserungen, insbesondere im Falle der Energieabsorption, der Bruchzähigkeit und bei der Beständigkeit gegenüber der Rissfortpflanzung. Im Allgemeinen sind die Dimensionen von dem amorphen Körperelement, welches die Schaumstruktur umfasst, derart, dass die Wanddicke der sich verfestigenden amorphen Masse weniger als 0,5 mm, vorzugsweise weniger als 250 μm, beträgt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Gewicht des amorphen Legierungsanteils eines Schaumstrukturkörperelementes nicht mehr als 50% des Gesamtgewichts der amorphen Legierung, vorzugsweise nicht mehr als 20% des Gesamtgewichts der amorphen Legierung und am meisten bevorzugt nicht mehr als 5% des Gesamtgewichts der amorphen Legierung. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Gewicht des amorphen Legierungsanteils eines Schaumstrukturkörperelementes nicht mehr als 50% des Gesamtgewichts der amorphen Legierung, vorzugsweise nicht mehr als 20% des Gesamtgewichts der amorphen Legierung und am meisten bevorzugt nicht mehr als 5% des Gesamtgewichts der amorphen Legierung. In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Gewicht des amorphen Legierungsanteils eines Schaumstrukturkörperelementes, mit einer Dicke von nicht mehr als 0,25 mm, nicht mehr als 50% des Gesamtgewichts der amorphen Legierung, vorzugsweise nicht mehr als 20% des Gesamtgewichts der amorphen Legierung und am meisten bevorzugt nicht mehr als 5% des Gesamtgewichts der amorphen Legierung. Die Dicke ist hierin definiert als die kleinste Abmessung in jedem Querschnitt des festen Anteils von einer amorphen Legierungsmasse des Körperelementes.
In den vorangehend beschriebenen Schaumstrukturen liegt die Volumenfraktion der Poren im Bereich von 20 bis 95%. In derartigen Formen ist die effektive Belastbarkeit und das Energieabsorptionsvermögen der sich verfestigenden amorphen Legierungsmassen außerordentlich verbessert. Die geometrische Abhängigkeit der Bruchzähigkeit sowie die Duktilität der amorphen Legierungsmassen werden hier ausgenutzt, um die Eigenschaften zu verbessern.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die amorphe, sich verfestigende Legierungsmasse in einer derartigen Schaumstruktur, dass die Porengröße typischerweise größer als 250 μm beträgt. Die Porenform ist geschlossen ellipsenförmig und vorzugsweise kugelförmig. Die Größe der Pore (hierin definiert durch den Radius der Kugel) ist vorzugsweise größer als die kritische Rissgröße, wie sie durch das Verhältnis zwischen der Bruchzähigkeit, der Streckfestigkeit und der kritischen Rissgröße berechnet wird und in Standardtextbüchern der Bruchmechanik festgelegt ist. Die Volumenfraktion von solchen großen kugelförmigen Poren liegt im Bereich von 5 bis 50% und vorzugsweise von 10 bis 30%. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt die Volumenfraktion der Poren im Bereich von 40 bis 70%. In derartigen Formen werden scharfkantige Ermüdungsrisse durch gerundete Poren angezogen und die scharfen Kanten der Risse werden begrenzt. Dies wird wirksam die scharfen Ermüdungsrisse abstumpfen und die Lebensdauer der amorphen Schaumlegierungsstrukturmasse verbessern. Derartige Formen werden dadurch die Beständigkeit von sich verfestigenden amorphen Legierungsmassen gegenüber der Rissfortpflanzung und der Ermüdung verbessern.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt die amorphe, sich verfestigende Legierungsmasse in einer derartigen Schaumstruktur vor, dass die Porengröße typischerweise größer als 20 μm ist. Die Porenform ist geschlossen ellipsenförmig und vorzugsweise kugelförmig. Die Volumenfraktion von derartigen kugelförmigen Poren liegt im Bereich von 20 bis 90% und vorzugsweise von 50 bis 80%. In einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Schaumstruktur derart vor, dass die Porenform kugelförmig ist und die Volumenfraktion im Bereich von 20% bis 70% und vorzugsweise im Bereich von 40% bis 60% liegt. In derartigen Formen der sich verfestigenden amorphen Legierungsmassen wird das wirksame Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis wesentlich verbessert sein.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt die amorphe, sich verfestigende Legierungsmasse in einer derartigen Schaumstruktur vor, dass die Porengröße typischerweise kleiner als 10 μm und vorzugsweise kleiner als 5 μm ist. Die Porenform ist geschlossen ellipsenförmig und vorzugsweise kugelförmig. Die Volumenfraktion von derartigen Poren liegt im Bereich von 20 bis 90% und vorzugsweise von 50 bis 80%. In einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Schaumstruktur derart vor, dass die Porenform kugelförmig ist und die Volumenfraktion im Bereich von 20% bis 70% und vorzugsweise im Bereich von 40% bis 60% liegt.
In derartigen Formen der sich verfestigenden amorphen Legierungsmassen wird das wirksame Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis wesentlich verbessert sein.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt die amorphe, sich verfestigende Legierungsmasse in einer derartigen Schaumstruktur vor, dass die Porenstruktur offen ist und kontinuierlich perkolierend, wie es in einer offenen Zellstruktur typisch ist. Die Volumenfraktion von derartigen offenen Poren liegt im Bereich von 40 bis 95% und vorzugsweise von 70 bis 90%. In derartigen Formen der sich verfestigenden amorphen Legierungsmassen wird das wirksame Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis außerordentlich verbessert sein. Darüber hinaus kann in derartigen Strukturen ein Schaummaterial mit einem höheren Grenzwert der elastischen Formänderung als bei den amorphen Basislegierungen erreicht werden.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weisen die Gegenstände aus derartigen Schaumstrukturen von sich verfestigenden amorphen Legierungsmassen eine feste dünne Schale an der äußeren Oberfläche dieser Gegenstände auf. Die Dicke der festen Oberflächenschale beträgt weniger als 2,0 mm und vorzugsweise weniger als 1,0 mm und am meisten bevorzugt weniger als 0,5 mm. Vorzugsweise ist die feste dünne Schale selbst ein kontinuierliches Stück, das die äußere Oberfläche des Gegenstandes bedeckt. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform bedeckt die feste dünne Schale zwei gegenüberliegende Flächen von dem Schaumgegenstand. Darüber hinaus weist in einer bevor zugten Ausführungsform die äußere Schale eine metallurgische Bindung an den amorphen Schaumlegierungskörper auf.
Was nun die Zusammensetzung von diesen geschäumten Strukturen betrifft, so sind die sich in der Masse verfestigenden amorphen Legierungen eine kürzlich entdeckte Familie von amorphen Legierungen, die mit 500 K/s oder weniger abgekühlt werden können und im Wesentlichen ihre amorphe atomare Struktur aufrecht erhalten. Als solche können sie in Dicken von 1,0 mm oder mehr hergestellt werden, was wesentlich dicker ist als bei herkömmlichen amorphen Legierungen, welche Dicken von annähernd 0,020 mm aufweisen und welche Abkühlraten von 105 K/s oder mehr erfordern. Die US-Patentschriften Nr. 5,288,344 ; 5,368,659 ; 5,618,359 und 5,735,975 (deren Offenlegungen hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden) legen derartige sich verfestigende amorphe Legierungsmassen offen.
Eine beispielhafte Familie der sich verfestigenden amorphen Legierungsmassen kann durch die Formel (Zr, Ti)_a(Ni, Cu, Fe)_b(Be, Al, Si, B)_c beschrieben werden, wobei a im Bereich von 30 bis 75, b im Bereich von 5 bis 60 und c im Bereich von 0 bis 50, angegeben in Atomprozenten, liegt. Eine bevorzugte Legierungsfamilie ist (Zr, Ti)_a(Ni, Cu)_b(Be)_c, wobei a im Bereich von 40 bis 75, b im Bereich von 5 bis 50 und c im Bereich von 5 bis 50, angegeben in Atomprozenten, liegt. Eine noch bevorzugtere Zusammensetzung ist (Zr, Ti)_a(Ni, Cu)_b(Be)_c, wobei a im Bereich von 45 bis 65, b im Bereich von 7,5 bis 35 und c im Bereich von 10 bis 37,5, angegeben in Atomprozenten, liegt.
Eine weitere bevorzugte Legierungsfamilie ist (Zr)_a(Nb, Ti)_b(Ni, Cu)_c(Al)_d, wobei a im Bereich von 45 bis 65, b im Bereich von 0 bis 10, c im Bereich von 20 bis 40 und d im Bereich von 7,5 bis 15, angegeben in Atomprozenten, liegt. Darüber hinaus können derartige Legierungen substanzielle Mengen von anderen Übergangsmetallen bis zu 20 Atomprozent aufnehmen und vorzugsweise Metalle wie Nb, Cr, V, oder Co.
Eine weitere Reihe von sich verfestigenden amorphen Legierungsmassen sind die auf Eisenmetall basierende Zusammensetzungen (Fe, Ni, Co). Beispiele für derartige Zusammensetzungen sind in der US-Patentschrift Nr. 6,325,868 und den Veröffentlichungen dazu (A. Inoue et. al., Appl. Phys. Lett., Band 71, Seite 464 (1997)), (Shen et. al., Mater. Trans., JIM, Band 42, Seite 2136 (2001)), und in der Japanischen Patentanmeldung 2000126277 (Publ.-#. 2001303218 A ) offengelegt. Eine beispielhafte Zusammensetzung derartiger Legierungen ist Fe72A15Ga2P11COB4. Eine weitere beispielhafte Zusammensetzung derartiger Legierungen ist Fe72A17ZrloMo5W2B15. Obgleich diese Legierungszusammensetzungen nicht bis zu dem Grad von den auf Zr-Basis bestehenden Legierungssystemen verarbeitet werden können, können sie jedoch mit Dicken von ungefähr 1,0 mm oder mehr verarbeitet werden, was hinlänglich ausreichend ist, um in der vorliegenden Erfindung verwendet zu werden. Obwohl ihre Dichte grundsätzlich größer ist, von 6,5 g/cm³ bis 8,5 g/cm³, ist zusätzlich ihre Streckfestigkeit ebenfalls größer, die im Bereich von 2,5 GPa bis 4 GPa oder mehr liegt, was sie insbesondere attraktiv für einige Anwendungen mit hoher Beanspruchung macht. Ebenso weisen sie höhere Grenzwerte für die elastische Formänderung auf als 1,2% und im Allgemeinen ungefähr um 2,0%. Die auf der Basis von Eisenmetallen bestehenden amorphen Legierungsmassen weisen ebenfalls sehr hohe Fließhärten auf, die im Bereich von 7,5 GPa bis 12 GPa liegen.
Im Allgemeinen sind kristalline Ablagerungen in den amorphen Legierungsmassen äußerst abträglich für die Eigenschaften der sich verfestigenden amorphen Legierungsmassen, insbesondere für die Belastbarkeit und die Beanspruchbarkeit, und als solches ist es üblicherweise bevorzugt, die Volumenfraktion von diesen Ablagerungen so weit wie möglich auf ein Mindestmaß herabzudrücken. Es existieren jedoch Fälle, in denen verformbare kristalline Phasen in-situ während der Verarbeitung der amorphen Legierungsmassen ausfallen, welche tatsächlich für die Eigenschaften der amorphen Legierungsmassen vorteilhaft sind, insbesondere für die Belastbarkeit und die Beanspruchbarkeit. Derartige amorphe Legierungsmassen, die solche vorteilhaften Ablagerungen umfassen, sind ebenfalls in der vorliegenden Erfindung eingeschlossen. Ein beispielhafter Fall ist in C. C. Hays et al., Physical Review Letters, Band 84, Seite 2901, 2000, offengelegt, wobei die Offenlegung hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Die Erfindung ist ebenfalls auf Verfahren zur Bildung der geschäumten Strukturen gerichtet, die vorangehend beschrieben wurden. In einer bestimmten Ausführungsform des Verfahrens, dessen Schritte in 2 kurz dargestellt sind, wird ein Ausgangsmaterial der sich verfestigenden amorphen Legierungsmasse auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur erhitzt, um eine geschmolzene, sich in der Masse verfestigende amorphe Legierung zu bilden (definiert als die Schmelztemperatur der entsprechenden kristallinen Phase für die vorgegebene Zusammensetzung). In einer derartigen Ausführungsform ist das Ausgangsmaterial der Legierung nicht notwendigerweise in einer amorphen Atomstruktur. Diese geschmolzene sich in der Masse verfestigende amorphe Legierung wird anschließend unter Druck gesetzt. In einem derartigen Schritt kann der Druck von 103421 Pa (15 psi) bis zu 103421 kPa (15000 psi) reichen. Die unter Druck stehende geschmolzene Legierung wird anschließend schnell gerührt, um Luftblasen zu bilden und einzuschließen. Das Rührwerkzeug ist ein hitzefestes Werkzeug, wie z. B. aus Graphit, Karbid (WC, BC), Nitriden, anderen feuerfesten Materialien, wie Zirkonoxid, oder feuerfesten Metallen wie Tungsten und Molybdän gefertigt. Das Rührwerkzeug ist typischerweise in der Form eines Propellers und wird mit Geschwindigkeiten von ab 30 U/min bis 1200 U/min gedreht. Die Rührgeschwindigkeit kann bis zu 5000 U/min oder mehr betragen, um eine höhere Volumenfraktion der Poren zu erreichen, mehr als etwa 30%. Die Rührgeschwindigkeit kann entsprechend angepasst werden, um die gewünschte Poren (Blasen-)-größe und Verteilung zu erhalten. Schließlich wird die Mischung aus Luftblasen und geschmolzener Legierung unter die Glasübergangstemperatur von der amorphen Legierung abgekühlt, um die Blasen in einer verfestigten Schaumstruktur einzufrieren. Wie vorangehend bereits diskutiert, ist eine Abkühlrate erwünscht, die schneller ist als die kritische Abkühlrate der amorphen Legierung, um die Bildung der amorphen Atomstruktur im Wesentlichen überall in der ganzen Struktur sicherzustellen. In einer derartigen Ausführungsform kann das Abkühlen durch außen liegende Mittel erreicht werden, wie die Verwendung eines massiven kalten Substrates oder Konvektionsgaskühlung.
In einer fakultativen Ausführungsform der Erfindung wird die Schaumstruktur unter einem hohen Umgebungsdruck gebildet, wie beispielsweise von 6895 kPa (1 kpsi) bis 68950 kPa (10 kpsi) oder mehr, um geringere Porengrößen auszubilden. Anschließend wird die gebildete Struktur mit der gleichzeitigen Freisetzung des Umgebungsdruckes derart in Form gegossen, dass die Porengröße bis in den gewünschten Bereich hinein zunimmt. Das Gießverfahren kann gegebenenfalls in einem geschlossenen Gesenkhohlraum stattfinden, um individuelle Gegenstände herzustellen. Wahlweise kann das Gießen in einem offenen Gesenkhohlraum stattfinden, um kontinuierliche oder semi-kontinuierliche Gegenstände herzustellen, wie sie beispielsweise in der Form von Platten, Stäben usw. vorliegen.
In einer weiteren fakultativen Ausführungsform kann während des Rührens eine Gasleitung in die ge schmolzene Masse derart eingesetzt werden, dass zusätzliche Blasen erzeugt werden können. In einer derartigen Ausführungsform ist der Druck in der Gasleitung größer als der Druck, dem die geschmolzene Masse ausgesetzt ist. Das Gas ist vorzugsweise ein inertes Gas wie Argon, Helium und in bestimmten Fällen Stickstoff.
In einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens der Bildung derartiger Strukturen, wie in dem Flussdiagramm in 3 kurz dargestellt, wird ein flüchtiges oder leichtflüchtiges Mittel verwendet, um die erwünschte Form und Größe von Poren zu bilden. Eine bevorzugte Form von solchen Mitteln sind Hydride wie ZrH und TiH. In diesem Verfahren wird die amorphe Legierung wiederum auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur erhitzt. Das flüchtige Mittel wird anschließend in die geschmolzene Masse der Legierung eingeführt. Die Flüchtigkeit des flüchtigen Mittels wird durch die Steigerung der Schmelztemperatur oder über andere Mittel, wie beispielsweise mechanisches Rühren oder Unterstützung, aktiviert. Dementsprechend unterstützt das flüchtige Mittel die Bildung der Poren in der Schmelze. Die Schmelze wird anschließend unter die Glasübergangstemperatur der amorphen Legierung abgekühlt.
Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls auf ein Verfahren für einen geformten Gegenstand aus amorpher Schaumlegierungsstrukturmasse gerichtet. In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Ausgangsmaterial von einer sich in Masse verfestigenden amorphen Schaumlegierungsstruktur bereitgestellt, welche durch eines der vorangehend erwähnten Verfahren hergestellt werden kann. Das Rohmaterial wird dann ungefähr auf die Glasübergangstemperatur oder darüber erhitzt. Bei dieser Temperatur kann die amorphe Legierungsmasse mit der geschäumten Struktur mit einem geeigneten Formgebungs- und thermoplastischen Prozess in einen netzförmigen Gegenstand geformt werden, während seine zugrunde liegende Schaumstruktur im Wesentlichen bewahrt wird. Eine Vielzahl an Formgebungsverfahren wie beispielsweise Blasformen (wo ein Teil des Rohmaterials eingespannt ist und ein Druckunterschied auf die entgegengesetzten Flächen des nicht eingeklemmten Bereiches ausgeübt wird), Gesenkformen (wo das Rohmaterial in einen Formhohlraum gepresst wird) und Replikation von Oberflächenmerkmalen (wo das Rohmaterial in eine Pressform für die Replikation eingepresst wird). Die US-Patentschriften Nr. 6,027,586 ; 5,950,704 ; 5,896,642 ; 5,324,368 und 5,306,463 (deren Offenlegungen hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden) legen Verfahren zur Bildung von ausgeformten Gegenständen aus amorphen Legierungen offen, wobei die Verarbeitbarkeit um die Glasübergangstemperatur herum ausgenutzt wird.
Obgleich nachfolgende Verarbeitungsschritte verwendet werden können, um die Gegenstände aus den amorphen Legierungen der vorliegenden Erfindung fertig zu bearbeiten, sollte verstanden werden, dass die mechanischen Eigenschaften der amorphen Legierungsmassen in der gegossenen und/oder pressgeformten Form ohne jede Notwendigkeit einer nachfolgenden Bearbeitung, wie beispielsweise Hitzebehandlung oder Umformung, erhalten werden können.
Obgleich nur reine sich in Masse verfestigende amorphe Legierungen vorangehend beschrieben wurden, können schließlich, in einer Ausführungsform, ebenfalls Verbundwerkstoffe aus amorphen Legierungsmassen, einschließlich Verbundwerkstoffmaterialien, wie beispielsweise konventionelle Metalle und feuerfeste Materialien, in die Schaumstrukturen, die hierin beschrieben sind, unter Verwendung der Verfahren der vorliegenden Erfindung geformt werden.
Obwohl spezifische Ausführungsformen hierin offengelegt sind, wird erwartet, dass Fachleute in der Lage sind, alternative verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmassen und Verfahren zur Herstellung derartiger verfestigter amorpher Schaumlegierungsstrukturmassen zu entwickeln, die innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche liegen.

Claims

Verfahren zur Bildung einer verfestigten amorphen Schaumlegierungsstrukturmasse, wobei: eine sich in Masse verfestigende amorphe Legierung bereitgestellt wird; die sich in Masse verfestigende amorphe Legierung auf über die Schmelztemperatur einer entsprechenden kristallinen Phase der sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung erwärmt wird, um eine geschmolzene sich in Masse verfestigende amorphe Legierung zu bilden; die geschmolzene sich in Masse verfestigende amorphe Legierung unter Druck gesetzt wird; lediglich durch die Bewegung, die durch mechanisches Rühren der geschmolzenen sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung unter Druck erzeugt wird, eine Vielzahl von Blasen in der geschmolzenen sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung gebildet wird; und die Mischung mit einer Rate von etwa 500 K/s oder weniger und ausreichend rasch unter die Glasüber gangstemperatur der sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung abgekühlt wird, um eine verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse zu bilden, wobei die Mischung beim Abkühlen ferner drucklos gemacht wird, um einen Anstieg der Porengröße und der Volumenfraktion der Blasen zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mischung in einen geschlossenen Gesenkformhohlraum gespritzt wird, um einen geformten Gegenstand zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geschmolzene sich in Masse verfestigende amorphe Legierung bei einem Druck zwischen 103421 Pa und 103421 kPa unter Druck gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geschmolzene sich in Masse verfestigende amorphe Legierung mit einem Propeller gerührt wird und der Propeller mit Raten von 30 U/min bis 1200 U/min oder mehr gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner ein unter Druck stehendes Gas in die geschmolzene sich in Masse verfestigende amorphe Legierung injiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das unter Druck stehende Gas einen höheren Druck als den Druck der unter Druck stehenden geschmolzenen sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung hat.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Gas ein Inertgas aus der Gruppe bestehend aus Argon, Helium und Stickstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner: die verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse auf etwa die Glasübergangstemperatur oder darüber erwärmt wird; und die amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse zu einem netzförmigen Gegenstand geformt wird, während die darunter befindliche amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse im Wesentlichen bewahrt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Formungsstufe das Formen der erwärmten verfestigten amorphen Schaumlegierungsstrukturmasse unter Verwendung eines Formungsprozesses ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Blasformen, Gesenkformen und Replikation von Oberflächenmerkmalen beinhaltet.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse, umfassend eine Schaumstruktur einer sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung mit einer Gießdicke von etwa 0,5 mm oder weniger und einer Abkühlrate von etwa 500 K/s oder weniger, wobei ein kontinuierliches Stück der sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung durch eine Porenstruktur verbunden ist, die eine Vielzahl von Poren umfasst, und wobei die Größe jeder Pore 1 μm bis zu 0,5 mm beträgt und die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren 10% bis zu 95% beträgt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Poren miteinander durchgehend verbunden sind, um eine offene Zellstruktur zu bilden.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Poren jeweils von einem Teil des kontinuierlichen Stücks der amorphen Legierung vollständig umgeben sind, um eine geschlossene Zellstruktur zu bilden.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei die verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse ein amorphes Körperelement bildet, und wobei die Dicke der sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung weniger als 250 μm beträgt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei das Gewicht der sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung in der verfestigten amorphen Schaumlegierungsstrukturmasse nicht mehr als 50% des Gesamtgewichts des amorphen Körperelements ausmacht.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei das Gewicht der sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung in der verfestigten amorphen Schaumlegierungsstrukturmasse nicht mehr als 20% des Gesamtgewichts des amorphen Körperelements ausmacht.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei das Gewicht der sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung in der verfestigten amorphen Schaumlegierungsstrukturmasse nicht mehr als 5% des Gesamtgewichts des amorphen Körperelements ausmacht.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 13, wobei das Gewicht der sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung in der verfestigten amorphen Schaumlegierungsstrukturmasse nicht mehr als 50% des Gesamtgewichts des amorphen Körperelements ausmacht.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 13, wobei das Gewicht der sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung in der verfestigten amorphen Schaumlegierungsstrukturmasse nicht mehr als 20% des Gesamtgewichts des amorphen Körperelements ausmacht.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 13, wobei das Gewicht der sich in Masse verfestigenden amorphen Legierung in der verfestigten amorphen Schaumlegierungsstrukturmasse nicht mehr als 5% des Gesamtgewichts des amorphen Körperelements ausmacht.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 20 bis 95% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Poren typischerweise eine Größe von mehr als 250 μm und eine Porenform haben, die ein geschlossenes Ellipsoid ist.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 21, wobei die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 5 bis 50% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 21, wobei die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 10 bis 30% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 21, wobei die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 40 bis 70% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Poren typischerweise eine Größe von mehr als 20 μm und eine Porenform haben, die ein geschlossenes Ellipsoid ist.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 25, wobei die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 20 bis 90% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 25, wobei die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 50 bis 80% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 25, wobei die Porenform kugelförmig ist und die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 20 bis 70% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 28, wobei die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 40 bis 60% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Poren typischerweise eine Größe von weniger als 10 μm und eine Porenform haben, die ein geschlossenes Ellipsoid ist.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 30, wobei die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 20 bis 90% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 30, wobei die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 50 bis 80% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 30, wobei die Porenform kugelförmig ist und die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 20 bis 70% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 33, wobei die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 40 bis 60% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Poren eine offenzellige Struktur haben.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 35, wobei die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 40 bis 95% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 35, wobei die Volumenfraktion der Vielzahl von Poren im Bereich von 70 bis 90% liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei die sich in Masse verfestigende amorphe Legierung eine Zusammensetzung gemäß der Formel (Zr, Ti)_a(Ni, Cu, Fe)_b(Be, Al, Si, B)_c hat, wobei a im Bereich von 30 bis 75, b im Bereich von 5 bis 60 und c im Bereich von 0 bis 50 in Atomprozent liegt.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 38, wobei die sich in Masse verfestigende amorphe Legierung ferner bis zu 20% von mindestens einem zusätzlichen Übergangsmetall umfasst.
Verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10, wobei die sich in Masse verfestigende amorphe Legierung eine Zusammensetzung gemäß der Formel Fe₇₂Al₅Ga₂P₁₁C₆B₄ hat.
Gegenstand, der die verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse nach Anspruch 10 umfasst, wobei der Gegenstand an seiner äußeren Oberfläche eine feste dünne Schale aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 41, wobei die feste dünne Schale eine Dicke kleiner als 2,0 mm hat.
Gegenstand nach Anspruch 41, wobei die feste dünne Schale ein kontinuierliches Stück ist, das die äußere Oberfläche des Gegenstands bedeckt.
Gegenstand nach Anspruch 41, wobei die feste dünne Schale eine metallurgische Bindung an die verfestigte amorphe Schaumlegierungsstrukturmasse hat.