KR20030061401A - 다성분 벌크형 금속 유리 형성 합금들을 확인하고,가공하고, 제조하기 위해 큰 관성체 힘들을 이용하는 장치및 방법과 그로부터 제조되는 성분들 - Google Patents

다성분 벌크형 금속 유리 형성 합금들을 확인하고,가공하고, 제조하기 위해 큰 관성체 힘들을 이용하는 장치및 방법과 그로부터 제조되는 성분들 Download PDF

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KR20030061401A
KR20030061401A KR10-2003-7006576A KR20037006576A KR20030061401A KR 20030061401 A KR20030061401 A KR 20030061401A KR 20037006576 A KR20037006576 A KR 20037006576A KR 20030061401 A KR20030061401 A KR 20030061401A
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윌리엄 엘. 존슨
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캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
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Abstract

금속 유리 형성 합금을 확인하고 제조하기 위해, 큰 관성 힘들 또는 "g"-힘들을 사용하여, 결정상들(입자들)은, 이 합금의 액상 온도 아래로 이 합금을 점차적으로 냉각하는 동안, 융융된 합금에서 형성되고 성장하면서 분리된다. 실제 결정형 입자들이 형성되면서, 이런 힘들은 그 실제 결정형 입자들을 남아있는 나머지 용액으로부터 물리적으로 이동시키고 분리한다. 큰 g-힘의 영향하에, 이것은 급격하고 효율적인 침전 및 층화에 의해 달성된다. 산화물, 탄화물, 또는 다른 외래 입자들의 형태로 된 막 생기려하는 고체 "데브리스(debris)"와 추가적인 오염물은 동일한 침전/층화 기술을 이용하여 용융된 합금으로부터 제거될 수 있다. 마지막으로, 최종 낮은 용융의 층화되고 정화된 액체를 효과적으로 냉각하여 고체유리 성분으로 응고하는 방법으로, 냉각 기체에 의한 대류 열 전달을 이용하는 방법이 제공된다. 이 결과, 순수 형상에 가까운 유리화된 벌크형 금속 유리 성분이 얻어진다.

Description

다성분 벌크형 금속 유리 형성 합금들을 확인하고, 가공하고, 제조하기 위해 큰 관성체 힘들을 이용하는 장치 및 방법과 그로부터 제조되는 성분들{METHODS AND APPARATUS FOR USING LARGE INERTIAL BODY FORCES TO IDENTIFY, PROCESS AND MANUFACTURE MULTICOMPONENT BULK METALLIC GLASS FORMING ALLOYS, AND COMPONENTS FABRICATED THEREFROM}
지난 10년간, 수 많은 대학과 기업의 연구진들이 용융상태에서 비교적 느린 냉각 속도로 냉각될 때, 유리를 형성하는 금속 합금 공식들을 발견하기 위해 많은 노력을 기울려 왔다. 금속 합금의 유리화 또는 유리 형성은, 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크날리지 ("Caltech", 이하 "칼테크")의 피. 두웨즈(P. Duwez)와 그 동료들이 약 1960년에 처음으로 발견했다. 그들은 "급속 응고 (rapid solidification)" 기술을 이용하여 초당 약 1 백만도의 비율로 액체 합금을 냉각함으로써 유리같은 합금을 얻었다. 다양한 그런 급속 냉각된 금속 유리들은 다음 30년이상 생산되었다.
약 1990년에 시작하여, 일본의 에이. 이노우에 (A. Inoue) 교수와 칼테크의더블유. 엘. 존슨 (W.L. Johnson) 교수의 연구 그룹들은 평형 액체 상태로부터 응고될 때, 전형적으로 초당 1 내지 100 도의 훨씬 낮은 냉각 속도로 유리들을 형성하는 3, 4, 5 또는 그 이상의 성분들을 함유하는 복합된 합금을 개발했다. 지난 몇년간, 이런 벌크형 ("bulk") 유리를 형성하는 합금들은 공학 재료들로서 상당한 상업적인 관심을 끌었다. 벌크형 금속 유리들은 높은 강도와, 경도와 비강도, 및 다양한 다른 유용한 공학적 성질들을 가지고 있다. 게다가, 액체 합금은 높은 가공성을 가지며 복잡한 3차원으로 된 순수 형상에 아주 가깝게 주조될 수 있다. 공학적인 적용례들에서 이런 재료들을 이용하는 관심으로 인해, 새로운 벌크형 유리를 형성하는 합금들을 개발하고 발견하며, 용융물에서 이런 합금을 처리하고, 막대, 판, 시트, 튜브 및 다른 더 복잡한 형상들같은 상업적으로 유용한 물질들을 생산하는 것에 관한 전반적인 관심이 생겨났다.
예외적인 유리 형성 능력을 가진 합금을 구별하는 주 인자는 그 것들의 상대적으로 낮은 용융점이다. 벌크형 금속 유리를 형성하는 합금들은 합금을 구성하는 순수 금속들의 용융점을 조성상으로 평균한 값과 비교할 때 상대적으로 낮은 온도 범위에 걸쳐 초기 합금의 평형 용융점을 통과한다(undergo). 아주 종종, 최적의 유리 형성 합금은 합금 조성의 함수로 취해진 합금의 용융표면 (액상 표면)의 최소값 근처에 존재한다. 이런 액상 표면은 일반적으로 "액상 돌기"로서 합금 상태도에 표현된다. 예를 들면, 2원 합금에서, 액상 선은 조성과 온도 면에 곡선으로 표현될 수 있다.
간단한 예가 도 1의 Au-Si 상태도에 도시되어 있다. 이런 2원 합금 Au-Si 상태도를 따르면, 363℃의 공정온도 (12)에서의 공정조성 (10)이 표시되어 있다. 액상선 (14, liquidus line)은 단독 액상이 존재하는 위쪽 라인을 가리킨다. 고상선 (16)은 계가 완전히 응고하는 아래 라인을 나타낸다. Au의 녹는점은 약 1064℃이고 Si는 약 1414℃이다. 또한, XL이 남아 있는 나머지 액체의 조성인 곳에서 응고가 일어나는 동안 공정을 벗어난 조성 (18)에서 천천히 냉각된 액체의 조성상의 분할이 설명되어 있다.
이런 간단한 이원 합금의 경우, 공정조성은 두웨즈와 협력자들이 급속 냉각으로 최초 금속 유리를 생산한 조성 범위에 정확히 있다. 더 일반적으로, 낮게 위치한 액상 온도(예를 들면, 합금 공정조성에 가까이)에 의해, 최적의 유리 형성 지역이 더 고차원인, 3원, 4원, 5원 등등의 유리 형성 합금들에 위치하게 된다. W.L. Johnson의 24 MATERIALS RESEARCH SOCIETY BULLETIN 42~56 (1999년 10월)을 참조하라. 일반적으로 말하면, 금속 유리를 형성하는 능력은 공정 조성, 또는 더 일반적으로 3원, 4원 그리고 더 높은 차원의 합금에서 액상면의 가장 낮은 온도 근처에서 최적화된다. 그리하여, 쉬운 유리 형성 합금에 대한 조사는 곧 가장 낮게 위치한 용융 온도 (또는 가장 낮은 액상면)에 해당하는 합금 조성을 찾는 것과 종종 동등한 것으로 된다. 가장 자주, 가장 최선의 유리 형성 합금은 액상면의 최소값의 약 ±5 at% 내에 존재한다. 그래서, 유리 형성 합금에 대한 조사는 최저 용융 합금이 확인될 수 있을 때 매우 간단해 진다.
유리 형성 조성을 찾기 위해, 고차원 합금들의 용융곡선의 가장 낮은 지역들근처에 위치한 조성을 가진 합금을 확인하거나 "발견하는" 것이 중요하다. 그래서, 2, 또는 바람직하게는 3이나 그 이상의 금속들을 함유하는 복합 다성분 합금계에서 최저 용융 합금을 발견하고 분리하는 효고적인 수단을 개발하는 것이 중요하다. 3가지 이상의 성분을 가진 합금에 있어서, 상태도는 일반적으로 이용할 수 없어 조사자가 최적의 낮은 용융 조성들을 찾는 데 도와줄 정보가 거의 또는 전혀 존재하지 않는다.
실제로, 조사자가 말 그대로 수 천가지의 합금 조성들을 만들어 (예를 들면, 박막 가공법을 이용하여) 그것들의 용융점들을 빠르고 병렬적 방법으로 스크린함으로써 낮는 용융 합금들을 조사하는 재료 조합법을 개발하는 것을 제안되어 왔다. 159 CHEM. WEEK 57 (1997)를 참조하라. 이런 접근법은 말 그대로 수 천가지 또는 수만가지의 스크리닝 실험들을 수행하는 것이 필요하다. 그래서 필요한 것은 벌크형 액체에서 단일 또는 작은 수의 실험들에서 낮은 용융 합금을 확인하는 방법이다.
벌크형 금속 유리의 생산은 낮은 용융점 합금을 개발하는 것과 더불어 낮은 용융액 합금에서 불순물, 산화물, 및 결정화를 유발하는 기타 물질이 실질적으로 제거 될 필요가 있다. 금속에 대해서, 이 용융액이 가장 자주 마주치는 오염은 결정화된 산화 입자들, 탄화 입자들, 및 다양한 다른 타입의 초기의 외래 물질들에 의한 것들이다. 이런 오염물질들은 금속 성분들의 주조시에 사용되는 거의 모든 사업적인 금속들의 공정시에 언제 어디서나 존재한다. 가장 흔한 경우로 (예를 들면, 알루미늄, 철, 티타늄 합금의 주조에서), 그 것들은 이 용융액에 불가피하게 삽입되는 것들이다. 이런 초기의 오염은 용융액 합금이 용융점이하로 과냉각됐을 때 용융액 합금의 결정화를 유발한다. 금속야금학자들은 이 것을 불균질(heterogeneous) 결정 핵생성화라고 언급한다. 실질적으로 말하면, 불균질 핵생성은 금속 합금의 유리 형성 능력을 극히 떨어뜨린다. 그리하여, 금속 유리를 생산하고자 할 때, 발생하려하는 산화물, 탄화물, 및 다른 데브리스(debris)를 금속용융물로부터 제거하거나 줄이는 방법들이 개발되어 왔다.
결국 유용한 형상의 벌크형 금속 유리를 생산하는 것이 중요하다. 필요한 것은 최적화된 조성을 가진 (최저 용융점을 가진) 오염물질이 제거된 합금을 효과적으로 냉각하여 응고시키거나 또는 주조하여 판, 막대, 튜브, 또는 순수 형상에 매우 가까운 타 주조물을 만들기위한 자연적인 수단이다.
본 발명은 벌크형 금속 유리 형성 합금들을 확인하고 가공하는 방법과 장치 및, 이 합금들로부터 가공되는 성분들의 제조에 관한 것이다.
도 1은 이원 합금 Au-Si의 상태도이고,
도 2는 액체안에 위치하여 구심력의 g-필드에서 낙하하는 고체구 입자를 도시한 개략도이고,
도 3은 다성분 합금의 최소 용융 공정 조성을 결정하기 위한 원심 분리기의 개략도이고,
도 4는 Fe-O계의 상태도이고,
도 5A 내지 5C는 바람직한 원심분리기들에서 사용될 수 있는 다양한 로터의 디자인에 대한 개략도이고,
도 6A는 액체 합금 표본을 함유하기 위한 기밀된 캡슐의 사시도이고,
도 6B는 액체 합금 표본을 함유하기 위한 도가니를 구비한 표본 캡슐의 단면도이고,
도 7은 표본 캡슐을 원심분리기에 넣기 위한 덮혀진 공동 디자인의 단면도이고,
도 8은 표본 캡슐을 원심 분리기에 넣기 위한 스플릿 로터 디자인의 단면도이고,
도 9는 바람직한 일 실시예에 따른 원심분리기의 사시도이고,
도 10은 도 9의 원심분리기에서 사용되는 로터의 사시도이고,
도 11은 안쪽 공동들을 설명하기 위해 개방도시된 도 10의 로터의 사시도이고,
도 12는 도 10의 로터를 형성하는 판들 중의 어느하나의 내측 면의 단부를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 벌크형 금속 유리를 형성하는 낮은 용융 합금의 합금 조성을 확인하고 물리적으로 분리하는 빠르고 효율적인 방법을 제공함으로써 이런 저런 필요성들을 충족시킨다. 또한, 어떤 바람직한 실시예들은 액체 합금의 유리 형성 능력을 향상시키기 위해 불필요하고 해로운 불순물들과 데브리스(debris)들(예를 들면, 결정형 산화물, 탄화물 또는 질화물 입자들)을 제거하는 방법으로 이런 재료들을 가공한다. 또한, 바람직한 실시예들은 정화되고 조성상으로 최적화된 액체 합금으로부터 큰 순수 형상 주조물 (net shape castings), 판들, 봉들, 및 다른 유용한 형상들을 생산하고 제조하는 것을 설명한다.
본 발명에 따른면, "n"상들(n≥2)을 가진 합금의 최저 용융 공정조성을 확인하는 방법이 제공된다. 임의의 초기 합금이 마련된다. 이 합금은 실질적으로 용융될 때까지 가열된다. 바람직하게는, 용융 합금이 일정 기간동안 그것의 용융점 이상의 온도에서 관성력을 받는다. 이 합금의 온도는 이 합금이 큰 관성력 또는 가속도를 격는 동안 내려간다. 또한, 관성가속도는 종종 중력가속도 또는 중력으로 언급된다. 여기서 중력과 가속도는 서로 다른 의미이다. 온도가 낮춰치면, 최초 결정체로 된 고상의 결정은 주위의 액체상내에서 핵생성을 하고 성장한다.
이 최초 고체상의 결정은 본체 (body) 또는 관성의 힘(바람직하게는, 관성 가속도 또는 중력에 의해 발생된)을 받게 되어, 최초 고체상은 나머지 액체상에서 (관성가속도의 방향에 대해) 위 또는 아래로 움직인다. 여기서 사용되는 용어로, (상부와 하부뿐만아니라) '위로'와 '아래로'는 이 용어의 보통의 의미를 가리키는 것이 아니라, 관성 가속도에 대한 방향을 가르킨다. 여기서 하부는 가속도와 반대되는 방향 (또는 가해진 중력의 방향)을 가리킨다. 움직임의 방향 (즉, '위로' 또는 '아래로')은 결정과 주위의 액체 사이의 밀도차의 부호에 따라 결정된다. 더 무거운 결정은 관성 가속도의 방향에 반대로 움직이고; 더 가벼운 결정은 관성가속의 방향을 따라 움직인다. 이런 공정은 일반적으로 침전이라 불린다.
합금이 상기 관성 가속도와 본체 힘을 받는 동안 합금의 온도를 낮추면, 추가적인 고체상의 핵생성과 성장이 일어나고, 이런 추가적인 고체상 결정은 관성력을 받게되어 추가적인 고체상이 이 결정과 나머지 액체간의 밀도차에 따라 위 또는 아래로 이동한다. 그래서, 결정 상들이 계속해서 형성되면서, 결정들은 액체를 포함하는 용기의 상부와 하부서 액체 형성층들의 상부 또는 하부에 침전된다.
온도는 합금이 본질적으로 완전히 응고될 때까지 더 내려간다. 응고되는 최종 고체상이 미리 응고된 층들간에 바람직하게 위치한다. 그러나 고체상이 실질적으로 동일한 밀도를 가진 경우에, 응고되는 최종 고체상은 다른 미리 응고된 층들간에 있을 필요가 없다. 마지막 용액은 모든 응고된 층의 가장 낮은 용융점을 가질 것이다. 이 마지막 용액이 최소 용융점을 가진 공정 조성을 가질 때, 남아있는 최종용액은 윤곽이 뚜렷한 레이어 또는 층에서 공정 조성으로 응고될 것이다. 공정조성의 합금은 윤곽이 뚜렷한 레이어에서 물리적으로 분리될 것이다.
또한, 본 발명에 따르면, 합금의 최소 용융점 공정 조성의 벌크형 표본을 생산하는 방법이 제공된다. 임의의 시작 합금이 제공된다. 합금의 온도는 이 합금이 관성력을 받을 동안 내려가고, 온도가 내려가면, 주위 액체내에서 최초 고체상의 핵생성과 성장이 일어난다. 최초 고체상은 관성력을 받게되어, 최초 고체상은 주위 액체에서 위로 또는 아래로 움직인다. 합금이 상기 힘을 받고 있는 동안 합금의 온도가 더 내려가면, 추가적인 고체상의 추가적인 핵생성과 성장이 발생하고, 이 추가적인 고체상은 관성력을 받게되어, 추가적인 고체상은 위로 또는 아래로 이동한다. 온도가 합금이 실질적으로 완전히 응고될 때까지 내려간다. 합금의 벌크형 표본은 가장 마지막 고체상이 응고되는 층(strata) 또는 레이어로부터 제거된다. 이런 최소 용융 표본은 재용융되고 최소 용융점 합금의 조성을 가진 벌크형 금속 주조물을 생산하기 위해 주조된다.
또한, 본 발명에 따르면, 합금을 용융하고 그 합금을 응고하는 것을 포함하고, 두 공정 모두 구심력 가속도장안에서 수행되는 다성분 합금을 가공하는 방법이제공된다. 일 실시예에서, 합금은 원심성의 움직임으로 산출된 약 1 내지 106g의 관성 가속도장(inertial acceleration field) 또는 g장(g field)안에서 응고된다. 여기서, g는 중력가속도 9.8 ㎨이다.
또한, 본 발명에 따르면, 정화되고, 다성분 벌크형 금속 유리 형성 합금을 형성하는 방법이 제공된다. 표본 합금은 고온에서 용융된다. 용융된 합금은 일정 시간동안 용융점 위의 온도에서 그 것을 수용하고 있는 동안 구심력 가속도를 받는다. 이 합금은 합금이 구심력 가속도를 계속 받는 동안 이 합금의 온도를 내려 응고되고, 이 응고된 합금은 최저 용융 공정 조성을 가진 나머지 합금으로부터 분리된 부분을 가진다. 최저 용융 공정조성을 가진 이 합금의 이 부분은 분리된다. 최소 용융점 공정 조성을 가진 이 합금의 부분은 이 부분이 구심력 가속도를 받는 동안 고온에서 재용융되고, 최저 용융 공정 조성을 가진 이 합금의 부분은 이부분이 구심력장에 있는 동안 냉각되고, 냉각된 합금은 남아있는 나머지 합금보다 불순물이 상대적으로 적은 부분을 갖는다.
또한, 본 발명에 따르면, 벌크형 유리 형성능력에 최적화된 조성을 가진 금속 합금이 제공된다. 원심분리기에서 초기 용융된 합금을 서서히 냉각하고 응고한 후 이 합금을 용융하여 이 조성을 얻는다. 원심분리기는 결정형 상들을 남아있는 나머지 용융 합금으로 부터 물리적으로 분리하는 응고과정동안에 이 합금으로 하여금 높은 관성력을 받게 한다. 그리하여, 이 금속합금의 최적화된 조성은 응고되는 합금의 최종 부분이며, 이 최종 합금의 윤곽이 뚜렷한 레이어에서 물리적으로 분리된다.
또한, 본 발명에 따르면, 매우 높은 관성력하에서 용융금속 합금을 가공하기 위한 고온 원심력 처리 장치가 제공된다. 로터는 약 400℃와 1200℃사이의 온도에서 고강도와 고파괴저항을 가지며, 최소한 50000g까지의 관성가속도를 견딜 수 있는 고온 재료로 만들어 진다. 로터내의 복수의 관성 공동은 대칭적으로 로터 본체내에 레이아웃된다. 로터가 장착되는 축에의해, 로터는 약 1000과 100000rpm사이의 높은 회전 주파수로 회전할 수 있다.
여기서 설명되는 바람직한 실시예들은 금속 유리를 형성하는 합금을 확인하고, 가공하고, 제조하는 방법과 이런 방법을 달성하기 위한 바람직한 장치들을 설명한다. 더 자세히는, 어떤 바람직한 실시예들은 원하는 합금 조성을 분리해 내고 불순물을 제거하도록 용융 합금이 냉각되면서 용융 합금에 가해지는 구심력을 생성하는 원심분리기의 사용을 설명한다. 그러나 다른 방법과 장치들 또한 그 원했던 분리를 할 수 있도록 사용될 수 있다. 또한, 여기서 설명되는 방법들은 금속 유리 형성 합금이상으로 까지 적용될 수도 있다.
층화, 침전 그리고 유체 역학 (Stratification,Sedimentation and Fluid Mechanics)
위에 개략적으로 설명된 목적을 달성하기 위해, 일 실시예에서, 결정 상태들(입자들)은 액상 온도 아래로 점차적으로 냉각될 동안 용융 합금에서 연속적으로 형성되고 성장할 때, 큰 관성력 또는 중력 ("g"-force) 은 그 결정 상태들을 분리하는데 이용된다. 결정 입자들은 형성되면서 남은 액상으로 부터 물리적으로 제거되고 분리된다. 큰 중력의 영향하에서, 이 것들은 급격하고 효율적인 침전과 층화에 의해 달성된다. 게다가, 오염과 산화물, 탄화물, 또는 용융 합금으로 부터의 다른 외래 입자들의 형태로 된 초기의 고체 "데브리스(debris)"은 위와 동일한 침전/층화 기술을 이용하여 제거될 수 있다. 최종 액상은 낮은 용융 층화되고 정화된 액상이다. 그리하여, 이 최종 액상의 합금은 가령, 냉각기체를 이용한 대류 열전달 방식등을 이용하여 효율적으로 냉각되고 고체 유리 성분으로 응고될 수 있다.
큰 관성력 또는 중력들은 원심분리기의 회전 운동에 의해 일 실시예에서 바람직하게 생성된다. 수 많은 원심분리기 디자인들 중 어느 하나를 이용하면, 관성 가속도 (a)는 예를 들면 약 1 내지 106g의 범위에서 생성될 수 있다. 여기서 g는 중력가속도 9.8 m/s2이다. 더욱 진보된 원심분리기를 이용하면, 약 105내지 106의 범위의 관성 가속도를 얻을 수 있다. 결국, 원심분리기와 함께 회전하는 밀도가 ρ인 어떤 물체에 작용하는 단위 부피당 본체 힘 밀도 (body force density) 는 ρ*a로 된다. 더 자세히, 액체에 위치하는 고체 입자에 작용하는 알짜 본체 힘 밀도 (net body force density)는 다음 과 같다.
f = (ρS-ρL)a = Δρa
여기서, ρS는 고체 입자의 밀도 (Kg/m3)이고 ρL는 운반액 (carrier liquid)의 밀도 (Kg/m3)이다. 고체 입자의 부피가 V 라면, 알짜 본체 힘 밀도 F = fΩ = ΔρaΩ 이다. 이 본체 힘에 의해 고체 입자는 중력장에서 이동하거나 침전되고, 잘 알려진 침전 현상이 일어난다.
도 2에 도시된 액체 기둥에 고체 입자가 있다고 고려하고 설명한다. 층류 (laminar flow)를 가정하면, 액체내에 있는 고체 입자의 표류 속도 (v)는 액체의 점성을 파악하여 구할 수 있다. 예를 들면, 단순한 구형 입자의 경우에, 입자에 작용하는 마찰 항력을 본체 힘과 같게하여 계산할 수 있고 다음 방정식으로 주어진다:
(1) ΔρaΩ = 3πμvd
또는
(2) v = [ΔρaΩ]/[3πμd] = [Δρa d2]/18μ
여기서, d = 구의 지름, Ω = (4π/3)(d/2)3= πd3/6, 그리고 μ= 액체 점성 (Pa-s). R. CLIFT ET AL., BUBBLES DROPS, AND PARTICLES 380 (ACADEMIC PRESS 1978)를 참조하라. 일례로, a = 104g = 105㎨, d = 1㎛, Δρ = 500 Kg/m3= 0.5 g/cc, 그리고 μ = 0.01 pa-s를 이용하면, 표류속도 v = 0.28mm/s를 얻을 수 있다. 입자를 거리 L만큼 침전 시키는 데 필요한 시간 (τ)는 L/v일 것이다. L이 10cm일 때, 1 미크론 구를 10cm 침전 시키는데 약 300초가 걸린다. 가로세로비가 다른 타원체와 같이 구형이 아닌 입자들은 시간이 더 짧아 질 것이다.
침전 정화율/시간 스케일
상대적으로 낮은 밀도의 용융액에서 "무거운" 고체 입자들의 혼합물에 대해, 지질학자들에 의하면 기둥 길이 L에 대해 구심력장을 따른 용융 분리는 다음과 같이 설명될 수 있다:
(3) d[lnf]/dt = (l/f)df/dt = -v/L
여기서, f는 고체상의 체적률 (volume fraction)이고, v는 중력장에 있는 액체안의 고체 입자의 평균 표류속도이다. D. Mckenzie, The Generation and Compaction of partially Molten Rock, 25 J. PETROL. 713-765를 참조하라.
간단한 근사법으로, 고체의 체적률은 기둥의 "상부"에서 다음 식을 따라 지하급수적으로 감소한다.
(4) f = f0exp(-tv/L) = f0exp (-tΔρa d2/18μL)
여기서, 위 (2) 식은 표류속도 v를 구하는 데 사용되고, f0는 초기 고체입자의 체적률을 가르킨다.
기둥의 상부에서 고체 체적률의 기하급수적인 감소에대한 특징적인 시간 스케일은 다음과 같다:
(5) τ = [Δρa d2/18μL]-1
104g의 구심력장에서 위에서 처럼 L = 10cm이면, Δρ = 0.5 g/cc, 그리고μ = 0.01 Pa-s = 10centipoise 인 1 ㎛ 입자에 대해서는 τ = 300 초이다. 입자들의 초기 체적률의 한계에서, 이 것은 입자들의 농도가 300초에 1/e의 인자만큼씩 감소하거나, 약 700초에 10 의 인자만큼씩 감소함을 의미한다. 지름이 10nm인 입자에 대해, 정화에 대한 시간 스케일은 3×106초가 되거나, 약 3일이 된다. 만약 L = 1cm라면, 같은 결과가 약 70 초 (10nm 입자들에 대해서는 약 8시간)에 1㎛인 입자 에 대해 얻어진다. 이 것이 1㎛ (10nm) 인 입자관한 융융 정화를 위한 특징적인 시간 스케일이다. 이런 시간 스케일은 1/d2, 점성도 μ, 1/a (a= 구심가속도장), 및 1/L (L= 기둥 길이)에 비례한다. 이런 것을 통해 고체 입자 (여기서는 구형이라고 가정함)를 함유하는 액체의 2상 혼합물에서 용융 정화의 속도들을 측정하는 데 필요한 모든 필수적인 물리적 특성을 얻을 수 있다.
궁극적인 정화 수준
원심분리기에서 달성되는 궁적적인 "정화"의 수준을 설명하면, 일반적으로, 람의 미분 방정식(Lamm differential equation)을 사용하여 구심력장에서 입자 침전의 문제에 대한 과도상태와 정상상태 솔루션을 얻을 수 있다. H. FUJITA, MATHEMATICAL THEORY OF SEDIMENTATION ANALYSIS (Academic Press 1962)를 참조하라. 구심력장에서 궁극적인 정상 상태 농도 프로파일을 얻기 위해서는 람의 방정식의 아키볼드 (Archibald) "정상 상태" 용액을 사용할 수 있다. 이것은 다음과 같이 주어진다:
(6) C(r)/C0= exp[sω2r2/2D]×[sω2(R2 2- R1 2)/2D]/[exp(sω2R2 2/2D) - exp(sω2R1 2/2D)]
여기서, C(r)은 반지름이 r인 위치에서 입자 농도 (입자/m3)를, C0는 표본에서 초기 평균 입자 농도를, s는 입자들의 침전 계수를, D는 입자들의 확산 상수를, r은 원심분리기의 반사상 좌표를, 그리고 R1과 R2는 각기 초당 ω라디안으로 회전하는 원심분리기의 반지름 팔을 따라 마련된 실린더형 표본의 안쪽과 바깥쪽 단부를 가리킨다.
이런 정상 상태 용액은 입자들에 대한 정상 상태 분할 (또는 "정화") 계수를 계산하는데 사용될 수 있다. 다음과 같이 정의될 수 있다:
(7) K = C(R1)/C(R2) = exp[sω2(R2 2- R1 2)/2D]
스베드버그 관계식 (Svedberg relation)은 비 s/D를 결정하는데 사용될 수 있다. 위의 Fujita를 보라. 이것은 다음과 같이 주어 진다.
(8) s/D = M (1 -ρL/ρS)/(kBT)
여기서, ρL과 ρS는 각각 운반액과 고체 입자의 밀도이다.
일례로, 분할 계수는 5000kg/m3인 전형적인 값을 가질 것으로 가정하는 운반액보다 10%정도 더 큰 밀도를 가진 구형 고체입자의 전형적인 경우에 산출된다. 1㎛ 와 10nm (실질적인 관심의 대상이 되는 전형적인 경우)의 지름을 가진 입자들에 대해, 각기 M은 2.6×10-15과 2.6×10-21이다. kB= 1.38×10-23J/particles-K 이고 T= 1000K (관심의 대상이 되는 전형적인 온도)에 대해, 각기, s/D = 0.1 (M/kBT) = 19 와 1.9×10-2이다. R1= 0.4m 와 R2=0.5m (표본 기둥의 높이 = 10cm), 및 ω = 500Hz 와 함께 식 (7)를 적용하면, 각기 K = exp(2.14×107) 과 exp(21.4) = 2×109를 얻을 수 있다. 1㎛ 구의 경우에, 정화는 본질적으로 완전한 반면, 10nm 구형 고제 입자의 경우는 정화는 2 parts/billion 이다. 따라서, 이 방법으로 어떤 초기 농도의 입자들에 대해 측정되는 parts/billion 의 수준에까지 용융물로부터 극도로 작은 결정형 입자들을 제거할 수 있다.
액상 합금 응고와 결정핵 생성시 구심력장 이용 - 다성분 상태도에서 최저 용융액의 분리
벌크형 금속 유리 형성 합금을 발견하고, 분리하고, 가공하는 위의 원리를 적용하는 것을 설명하기 위해, 어떤 바람직한 실시예들의 몇가지 목표들이 첫째로 기술될 것이다. 이것은 다음과 같다:
(1) 최저 용융합금을 "발견하고" 그 것을 물리적으로 분리한다는 목표하에, 임의의 출발합금으로 부터 최저 용융 공정합금을 물리적으로 분리하는 것과,
(2) 유리 형성 능력을 최적화하기 위해, 융융된 공정 합금에서 고체 결정성 데브리스 또는 오염물 (예를 들면, 산화물 입자)을 제거하는 것과,
(3) 상기 분리되고 정화된 최저 용융 또는 공정 액체로 부터 벌크형 금속 유리 성분을 생산하는 것.
이런 목적을 달성하기 위해, 일 실시예에서 액체 합금은 순차적으로 용융되어 구심적인 g-필드하에서 서냉하여 점차 응고된다. 바람직하게는, 이런 것은 고온 로가 갖추어진 원심분리기에서 행해진다. 도 3은 이 장치의 개략적인 설명을 하고 있다. 원심분리기의 추가적인 실시예들은 아래 기술되어 있다.
도 3에서 보듯이, 원심분리기 (20)은 진공 챔버 (22)안에 바람직하게 밀폐되어 마련된다. 회전자 팔 (24)은 중심 축 (26)에 대해 회전하고, 쌍둥이 로는 (twin furnace, 28, 30) 챔버안의 온도를 제어하도록 팔(24)의 내부에 마련된다. 합금 표본은 후술할 표본 홀더에 넣어지고 여기서 표본 홀더는 설명의 목적상 실린더형인 것으로 한다. 표본 홀더는 각 로에 인접한 팔(24)의 공동(32, 34)에 넣어진다. 바람직하게는, 이 조립체에는 열전쌍을 이용하여 로의 온도를 측정하는 외부 측정기에 사용되는 낮은 전류가 순환하는 접점뿐만아니라 저항 발열 로에 전력을 공급하기 위해 도시하지 않은 순환하는 높은 전류의 접점이 마련되어 있다.
설명된 것과 같이, ω는 원심분리기의 각 주파수이고 R은 원심분리기 회전 점에서 로까지의 평균반지름이다. 로에서의 가속도 a = ω2R 이다. 하나의 바람직한 장치에 대해서, 약 5000 rpm 또는 약 80 회전/초의 회전 주파수를는 (2π)-1ω와 같고, 여기서 ω는 500 라디안/초라고 주어지고 R = 0.4m라고 주어지면, 가속도 a = ω2R = 2.5×105×0.4m/s2= 105m/s2= 104g 이다.
실린더형 표본안의 온도가 변할 수 있으며 표본안에서 균일하게 (등온조건) 유지될 수 있다고 가정하면, 임의의 시작 조성을 가진 합금은 다음과 같이 처리될 수 있다. 첫째로, 합금은 완전히 녹을 때까지 액상 온도위에서 가열된다. 그런 다음, 상태도의 가장 높은 용융 결정상의 합금 액상선과 교차될 때까지 온도는 단계적으로 점차 낮춰진다. 최초 결정상 (이하, α상)이 핵생성되고 성장할 때까지 합금은 이 액상선아래로 과냉각된다. Au-Si 계 (도 1 참조)에 대해, 초기 조성에서, 이 초기 상은 다이아몬드 큐빅 구조를 가진 거의 순수한 Si이다. 남아있는 액체보다 밀도가 더 낮아서, 이런 성장하는 Si는 중력을 받을 것이다. 상술한 경우에, 약 104g의 중력은 원심분리기의 내부에 급격한 침전현상을 초래할 것이다. 성장하는 결정이 단지 약 10nm 스케일에 이르면, 10cm 스케일 이상의 침전을 위해서는 수시간의 스케일이 걸릴 것이다. (이 경우에서, Au와 Si의 밀도차 Δρ가 크다는 것을 주목하라)
실리콘 결정들은 표본 홀더의 일단부에 빠르고 효율적으로 이동하고 남겨진 액체는 주어진 온도에서 액상선의 조성을 가진다. 더 냉각될 때, 더 많은 핵생성과 더불어 기존의 실리콘 결정의 추가적인 성장이 발생한다. 이런 결정들은 차례대로 원심분리기의 가장 안쪽으로 옮겨진다 (남아있는 액체보다 밀도가 더 낮기 때문에) .
결국, 363℃ (Au-Si계에 대해서)의 고상선에 이른다. 더욱 과냉하면, 궁극적으로 Si와 협력하여 Au의 핵생성과 성장이 발생한다(공정 응고, eutecticsolidification). 두 상이 공정미세구조의 성장에 의해 동시에 응고될 정도로, 추가적인 침전과 분리는 억제된다. 응고하는 표본의 마지막 부분은 상태도에서 공정조성에 매우 근접한 조성에서 공정결정화를 격을 것이다. 완전히 응고된 후에, 표본은 주위온도로 냉각되고, 원심분리기는 멈추고, "층으로 된 합금 (stratified alloy)"은 원심분리기로부터 제거된다.
그런 다음, 표본은 원시 표본 실린더 축에 수직방향으로 슬라이스형태로 분할된다. 횡분할된 슬라이스들은 상을 확인하기 위한 x선 회절검사를, 슬라이스의 전체 조성을 결정하기 위한 이온 마이크로프로브(ion microprobe) 검사를 하는 것이 바람직하다. x선 분광기이용법과 같은 다른 방법들, 즉 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 와 오제이 분광기 (Auger spectroscopy)가 이용될 수 있다. 순수한 공정액체는 응고를 겪는 마지막 "스트라타(strata)"에 위치할 것이다. 이 스트라타는 하나의 층화된 구역에서 모든 상들 (이 예에서는 두 상, Au 와 Si)이 존재하는 특징을 가질 것이다. 이 것이 공정 합금이다.
기술의 원리는 3원 또는 4원 공정 합금의 경우에도 동일하게 적용된다. n이 합금의 차수이면 (예를 들면, 2원, 3원 등등), 공정점은 그 용액의 평형에서 n차 결정상이 존재하는 특징이 있다. 일반적으로 말하자면, 모든 n 상들이 포함된 스트라타는 원심력을 이용해 분리되어 응고된 합금의 공정조성일 것이다. 이런 방법에 의해, 임의의 초기 합금이 상태도의 낮은 온도에서 n-상 결정 상존지역의 어느 곳에 존재하기만 하면, 임의의 초기 합금을 원심력을 이용하여 처리함으로써 더 높은 차수의 합금에서의 공정조성을 물리적으로 분리하고 확인할 수 있다. 즉, 바람직하게도, 임의의 초기 합금이 고상온도 아래로 내려갈 때 n-결정상을 포함한다.
산화물 같은 외래 고체 입자를 함유하는 용융물의 정화
산화물에 대한 용융물 정화의 예로, 실질적으로 중요한 대표적 예들이 아래 설명된다. Fe를 기반으로 한 벌크형 금속유리를 합성하기 위해 많은 노력이 기울려져 왔다. 지금까지 가장 성공적인 접근들 중의 하나는 Fe를 기반으로 한 유리 형성 합금의 결정화를 유도할 때, 산화 입자들의 효과를 억제하기 위해 붕소산화물 (B2O3) 플럭스를 사용해 왔다.
문제점을 도 4에 도시된 Fe-O 2원 상태도를 참조하여 설명한다. 상태도는 고온 액체의 혼합금지구역 (miscibility gap)을 설명한다. 1500℃아래의 온도에서, 작은 수준의 산소를 함유하는 철 합금 조차도 액상 분리를 겪는다. 훨씬 더 낮은 온도 (1000℃ 이하)로의 혼합금지구역에 대한 보외법에 의하면, 수십 ppm 범위안에 산소를 함유하는 합금의 상 분리를 알 수 있다. 상 분리로 인해, 대략 50 at.% 의 산소를 포함하는 산소가 풍부한 용융물이 산출된다. 이런 용융물은 우스타이트 상 (Wustite Phase, 대략 at.%가 같은 철산화물)으로 결정화되기 쉽다. 그러면, 우스타이트 상은 다른 결정상들 (예를 들면, 더 높은 차수의 합금에서 다른 금속간 물질 상들이나 Fe결정상)의 핵생성을 촉진한다. 산소가 풍부한 용융물과 우스타이트 입자들은 실질적으로 액상 철 (약 7.2 g/cc)보다 더 낮은 밀도 (우스타이트 상에 대해서 약 5.7 g/cc)를 가지고 있다. 그 차이는 실제로 20%이상이다 (위예 예시된 계산에서 사용된 10%와 비교하면).
우스타이트 결정들뿐만아니라 산소가 많이 함유된 용융물은 원심분리법에 의해 나머지 합금, 즉 Fe가 많은 합금으로 부터 제거 될 수 있다. 이 방법은 위해 설명된 침전거동에 기초로 한다. 액상의 혼합금지구역을 건너질 때까지 이 합금은 고온으로부터 단계적으로 서냉된다. 상분리에 의해, 중력에 의해 나머지 Fe가 많은 용융물로부터 멀리 떨어진 위치로 이동될 수 있는 산소가 풍부한 액체상 (또는 이 경우에서는 우스타이트 결정)이 산출된다. 주된 필수조건은 산소가 풍부한 상들이 0.001 내지 1㎛ (또는 더 큰) 범위의 크기로까지 조성되어야 하고 용융물이 수 시간 또는 수 일의 시간 스케일동안 처리되어야 한다. 이 때, 용융물의 시간 스케일은 입자들의 크기에 따라 결정되고 정확하게는 식 (5)에의해서 구해진다.
이런 환경하에서, 나머지 용융물은 산소가 풍부한 액상, 우스타이트 미립자 혼합물, 및 결정들의 불균질의 핵생성 자리가 제거되어 "정화"된다. nm 크기까지 결정형 우스타이트 입자들을 제거하는 것은 수 시간 또는 수 일의 시간 스케일로 성취될 수 있다. 이 방법은 Fe의 실질적 분율을 (전형적으로 70 at.% Fe보다 더 크게) 함유하는 더 복합적인 Fe를 기반으로 한 합금들에 적용될 수 있다. 이 방법의 원리는 용융물을 불균질의 핵생성 자리를 제거하여 정화하기위해 나머지 액상 합금으로 부터 산소가 풍부한 상(액상과 결정상 모두)를 제거하는 곳에 사용된다. 이런 방법은 산화물과 탄소화합물 입자들등을 포함하여 불순물을 Fe합금 이외의 합금으로 부터 제거하는데 적용가능하다. 이런 불순물들은 합금내에 존재하도록 계획적으로 의도되는 것이 아니라 합금이 만들어지는 재료의 순도 결함으로 발생한다.
벌크형 금속 유리 성분의 주조
위에 설명한 방법으로 금속 합금이 일단 확인되고 정화되면, 금속유리 성분의 주조가 두가지 일반적인 방법들 중 적어도 어느 하나를 이용하여 이루어 질 수 있다. 아래 설명되는 것 처럼, 이런 방법들은 "엑스-시튜(ex-situ)" 와 "인-시튜(in-situ)" 주조로 언급될 수 있다.
엑스-시튜 주조: 일실시예에서 합금은 (1) 낮은 용융 공정 조성을 격리하고, (2) 불균질한 결정 핵생성을 촉매하는 역할을 하는 결정형 데브리스 (산화물, 탄화물, 등등)를 제거하여 이런 낮은 용융점 합금을 정화하는 초기 처리 단계들을 수행하는 원심분리기에서 완전히 응고될 수 있다. 격리 정화된 용융물은 회전을 유지하면서 원심분리기의 로의 전력을 차단함으로써 냉각된다. 주위온도로까지 합금을 냉각할 때는 함금의 결정화를 충분히 억제하는 속도로 하는 것이 바람직하다. 그래서, 원심분리기로 부터 제거되는 낮은 용융점 합금 또는 정화된 공정 합금이 무정형 금속인 것이 바람직하며 전통적인 주조 처리용 피드 스톡 (feed stock)으로 이용될 수 있다.
인-시튜 주조: 정화되고 분리된 낮은 용융 합금은 순수 형상 성분으로 바로 주조될 수 있다. 이 경우에, 주조 게이트는 표본기둥의 적당한 위치에 마련되는 것이 바람직하다. 이 위치는 정화된 공정 용융물이 위치하는 기둥의 한 지점에 마련된다. 실제적으로, 낮은 용융점 또는 공정 합금이 위에 설명한 것처럼 최소 용융점 합금을 격리하고 확인하는 것에 목적을 둔 초기 구심력을 이용한 일련의 실험들에 의해 최초로 확인된다. 그런후, 이런 예상대로 진행된 조성을 가진 합금은 구심력을 이용한 주조용 피드스톡으로 이용된다. 최적화된 피드스톡 재료는 구심력을 이용한 로에서 용융된다. 그런 다음, 어떠한 산화물이라도 또는 다른 결정형 데브리스로부터 (위의 방법을 이용하여) 제거하여 정화된다. 그 결정형 불순물이 침전되는 지역으로 부터 멀리 떨어진 융융물 기둥의 한 위치로부터 금속 주형 또는 다이로 그 용융물을 운반하는 게이트가 마련된다. 이 게이트를 통해 옮겨지는 용융물은 공정온도에서 또는 그와 근접한 온도에서 주형 또는 다이로 옮겨지는 것이 바람직하다. 일단 주형에서, 합금은 결정화를 충분히 억제할 수 있는 속도로 냉각될 수 있어, 무정형의 금속 합금을 형성한다.
위의 설명들은 사용될 수 있는 일반적인 면에 대한 것을 개략한 것이다. 무정형 금속 합금의 주조에 관한 추가적인 상세한 설명은 미국특허 5950704호, 미국특허 5711363호, 및 2001년 6월 11일 출원된 미국출원 09/879545에 설명되어 있으면, 각각 전부가 여기에 참조로 반영된다.
위의 방법들을 사용하여 성분을 주조하는 것은 부피가 크게 (예를 들면, 최소한 약 1mm를 초과하여) 만들어 지는 것이 바람직하다. 성분들은 위에 설명된 "인-시튜" 또는 "엑스-시튜" 주조 방법들에 의해 구심력을 이용한 처리 방법을 사용하여 생산될 수 있는 유리형 또는 무정형의 구조를 가지는 것이 바람직하다. 또한, "벌크형(bulk)" 주조 성분은 부분적으로 무정형 또는 유리형의 구조를 가지도록 만들어 질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 벌크형 주조 성분의 일 실시예는 미세구조에 있어서 적어도 20 부피% 무정형 상을 가지고 있다. 또한, 바람직한 실시예는 정화되고 조성적으로 최적화된 액상 합금으로부터 큰 순수 형상 주조물, 판들, 막대들, 및 다른 유용한 형상들의 생산 및 주조를 설명한다.
바람직한 원심분리기 장치들
위에 설명한 것처럼, 금속 유리를 형성하는 합금들을 확인하고 처리하는 방법과 고온에서 액상 금속 합금을 처리하기 위해 큰 관성력을 이용하여 그 것들의 성분들을 제조하는 방법이 마련되었다. 이런 방법은 원심력을 이용하여 처리하는 플랫폼을 사용하여 구현되는 것이 바람직하다. 이 방법의 구현은 가속도 또는 중력을 이용하는 것이 바람직하다. 여기서 1g의 가속도는 중력가속도 9.8 m/s2이다. 액상 금속 합금들의 처리에서 약 103g (9.8×103m/s2) 에서 약 1백만 g 즉 약 106g에 이르는 가속도들이 바람직하다.
이런 방법을 구현하기 위해, 장치는 (1) 백만 범위 (105내지 106g)까지 관성 가속도를 생성하고 지탱할 수 있는 원심력 장치/플랫폼과, (2) 회전시 이 원심력 플랫폼위에 고체 또는 액상 금속 합금을 포함하거나 지지할 수 있는 원심력 장치와, (3) 지탱되는 기간 (바람직하게, 수십초에서 수십시간)에 용융 합금을 큰 관성 가속도 (백만 g)로 회전할 동안 용융금속 표본을 그 것의 융융점 이상으로 가열할 수 있는 능력과, (4) 이 용융 합금이 처리되는 환경을 제어할 수 있는 능력을 포함하는 것이 바람직하다. 특별히, 이 방법을 최적으로 구현하기위해서, 용융금속을 진공 또는 제어되는 기체 대기에서 처리할 필요가 있다. 그리하여, 높은 g-가속도에서 처리하는 동안, 이 액상 합금은 제어되는 진공 또는 기체 대기 환경에 위치하여야 한다.
실제 온도 필요조건(3)은 문제가 되는 합금의 용융온도에 따라 달라질 것이다. 어떤 바람직한 실시예에서, 알루미늄, 티타늄, 철, 니켈, 구리등등의 상업적으로 유용한 구조상의 금속들이 사용될 수 있다. 용융 온도의 전형적인 범위는 약 400℃에서 1200℃까지의 범위에 해당할 것이다.
필요조건(4)으로, 전체 장치는 기밀된 컨테이너에 위치하거나, 원심분리기에 장착될 수 있고 고온에서 그리고 큰 관성가속도 (백만 g 범위까지)에서도 기밀상태를 유지할 수 있는 기밀의 컨테이너안에 표본이 싸이는 것이 바람직하다.
발명자가 알기로는, 이 모든 필요조건을 충족하는 상업적으로 사용할 수 있는 원심분리기 또는 원심력을 이용한 장치가 없다. 고온과 큰 관성력의 조합은 회전하는 원심력 플랫폼 (이하, 로터(rotor)라 함)의 기계적인 무결성을 위협할 것이므로 필요조건(3)은 더욱 충족하기 어렵다.
이런 문제점들을 극복하가 위해, 제어된 환경에서 연장된 시간동안 백만-g 범위 (약 105내지 106)의 가속도하에서 고 용융점 액상을 처리할 수 있는 능력을 제공하는 고온 원심력 장치가 마련된다.
고온 로터
이 제안된 장치는 몇 가지 방법으로 실현될 수 있다. 한 예는 적절한 고온 재료로 구성된 로터를 포함하는 것이다. 여기서 고온 재료는 백만-g 범위의 가속도에 의해 높은 응력이 가해졌을 때 고온에서 적절한 수준의 강도를, 변형에 대한 저항력을, 파괴에 대한 저항력을 유지하는 재료이다. 적절한 로터 재료들의 예는 인코넬 (Inconel) 합금들; 니켈을 기반으로 한 슈퍼 합금들 (가령, 제트엔진 구성요소를 회전하는데 사용되는 것들); 알루미나, 지르코니아, 마그네시아 또는 이트리아(yttria)와 같은 강인화된 고온 세라믹들; 및 유리질 또는 열분해 탄소등을 포함한다.
이런 모든 재료들은 고온에서 상당한 강도와 인성을 가진 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 인코넬 합금들은 약 500MPa의 강도를 900℃에서 보일 수 있다. 유리화 탄소 또는 유리화 탄소봉, 도가니, 및 그 성분들은 1500℃에 이르는 온도에서 600MPa의 파괴강도를 가진 것으로 알려져 있다. 단일체로 된 로터는 이런 고온 재료들중의 어느 하나로 만들어 지는 것이 바람직하다.
바람직한 로터는 적어도 100000g에 이르는 관성 가속도에 견딜 수 있는 약 400 내지 1200℃에서 높은 강도와 파괴 저항을 가진 고온 재료로 만들어 질 것이다. 이런 로터는 약 1000 내지 100000 rpm의 고 회전 주파수에서 회전 시킬수 있는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 이 로터는 약 50000g에 이르는 가속도를 견딜 수 있고, 더 바람직하게는 약 100000g에까지 견딜 수 있으며, 더욱 바람직하게는 250000g에까지 견딜 수 있다.
바람직한 로터 성분의 간단한 예들이 도 5A 내지 5C에 도시되어 있다. 도 5A에는 축(38)에 장착된 디스크 로터(36)가 도시되어 있고, 도 5B에는 축(44)에 장착된 로드 로터(rod rotor, 42)가 도시되어 있다. 도 5C에는 축(54)에 대해 회전하는 중심 허브(50)에 장착된 복수의 블레이드(52)를 구비한 허브 로터(48)가 도시되어 있다. 이런 각각의 실시예에서, 로터는 진동이 없이 축에서 고 주파수로 회전할 수 있도록 균형잡힌 대칭적인 형상의 단일구조로 된 설치물이다. 이 것은 모든 바람직한 원심분리기들에 대한 공통된 필수요소이다.
공동이 존재함으로써 로터가 견딜수 있는 최대 하중을 줄여서 로터가 지탱할 수 있는 최대 회전 주파수를 감소할 수 있을 것이다. 그리하여, 공동들은 일반적으로 비교적 “작아”야 한다. 예를 들면, 도 5A 내지 5C에 도시되어 있는 것처럼 로터는 반지름이 R이고 두께는 t (페이지에 수직인 방향으로)이며, 공동은 지름이 d이고 길이가 L 인 실린더 형으로 되어있다면, D/t는 작은 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 약 0.5보다 더 작다. 또한, 회전에 의해 분할된 응력 하중하에서 로터의 기계적인 무결성을 충분히 유지하기 위해서, L/R도 작은 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 약 0.6보다 더 작다.
로터가 도 5B에서와 같이 막대 모양으로 되어 있지만, 로터는 원형, 정사각형, 직사각형, 또는 다른 형상의 단면을 가질 수 있다. 막대(42)는 막대의 중심에 위치하고 막대의 제 1 축 (장축)에 수직인 방향에 있는 축(44)에대해 회전하는 것이 바람직하다. 막대 (42)는 막대의 축과 단부사이에 위치한 두개의 내부 공동 (46)을 포함하는 것이 바람직하다. 막대/공동 조합은 고온에서 (바람직하게는 약 400 내지 1200℃) 축에대해 회전할 수 있어서 막대의 단부가 적어도 50000g의 관성가속도를 유지하고 바람직하게는 약 250000g 이상까지 유지할 수 있다.
도 5C의 로터는 바람직하게도 중심 허브로부터 연장된 블레이드 같은 돌출부(52)를 갖추고 있다. 각 돌출부는 표본 가공 공동(56)을 포함하고 있다. 바람직하게, 이 로터는 최대로 얻을 수 있는 관성 가속도의 최적화를 위한 형상을 가지고 있다.
도 5A 내지 5C의 로터는 바람직하게 약 10cm 내지 약 3m사이의 길이를 갖는다. 즉, 이런 길이는 도 5A의 디스크의 지름 또는 도 5B의 막대의 길이에 해당한다.
밀봉된 표본 캡슐과 도가니
도 5A 내지 5C의 공동들은 가공될 표본을 수용하는 데 사용된다. 도 6A 내지 6B에서 처럼, 표본들은 바람직하게도 기밀된 캡슐(58)내에 하우징된다. 가공될 액상 합금 표본(60)은 바람직하게도 캡슐(58)에 직접 또는 도 6B에서처럼 캡슐안에 하우징된 도가니(62)내에 들어간다. 액상 합금 표본(60)은 캡슐(58)안에 진공하에서 또는 불활성 기체 대기하에서 밀봉된다. 용융 상태의 대상표본과 캡슐 재료와의 반응성이 표본을 오염시키거나 기밀된 캡슐의 기계적인 무결성을 떨어뜨릴만큼 (예를 들면, 캡슐의 기밀성 파괴) 크지 않다면 캡슐(58)은 합금 표본을 직접 (도가니 없이) 수용할 수 있다.
반응성이 상당히 클 때, 적절한 도가니는 합금을 수용하기 위해 사용되어야 한다. 도가니는 다양한 적절한 재료들로 만들어 질 수 있으며, 이 적절한 재료는 용융된 실리카, 유리화 탄소, 내화 금속 또는 세라믹 재료등, 가령 알루미나나 지르코니아등을 포함한다. 바람직한 일 실시예에서, 도가니(62)는 망간으로 만들어 질 수 있다.
기밀의 표본 캐슐은 바람직하게도 고온에서 (약 500내지 1500℃에서) 큰 관성 응력 (전형적으로 약 10 내지 500MPa)을 견딜수 있는 재료로 만들어지고, 진공 또는 불활성 기체하에서 도가니와 합금 표본의 기밀성을 쉽게 유지하기에 적절해야한다. 적절한 캡슐의 예들은 제어되는 환경 (예를 들면, 진공 또는 불활성 기체하에서 이빔(ebeam) 용접)에서 실린더형 도가니위에 캡을 용접함으로써 밀봉될 수 있는 인코넬 또는 고온 강 캡슐, 유리 블로잉(glass blowing)에 의해 진공으로 밀봉될 수 있는 실리카 캡슐, Ni를 기초로한 슈퍼 합금, 및 몰리브덴같은 내화 금속등을 포함한다.
표본 캡슐들을 로터 공동에 로딩하는 편리한 수단이 바람직하게 마련된다. 이를 위해, 다양한 로터 디자인들이 제안될 수 있다. 덮개가 있는 공동 디자인의 예가 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 원심분리기(64)는 바람직하게 도 5A 내지 5C의 실시예 또는 다른 실시예에 따라 설계될 수 있는 로터(66)과 구동축(68)을 포함한다. 표본(60, 미도시)은 로터(66)의 위쪽 표면 바로 아래에 마련된 표본 공동(70)으로 투하되고, 공동 덮개(72)는 공동을 밀봉하기 위해 해체가능하게 로터(66)에 고정된다.
적절한 로터 공동 디자인의 다른 예가 도 8에 도시되어 있다. 여기서 스프릿 로터 디자인이 샘플 캡슐을 적재할 수 있게 마련된다. 이 어셈블리 (74)는 수평면을 따라 두 판(76,78)으로 나뉘어진 로터와 로터 구동축(80)을 포함한다. 표본 공동(82)은 서로를 마주하는 구성요소의 표면에 마련된다. 고정자(84)는 구성요소들을 서로 밀봉하는데 바람직하게 사용된다.
도 7과 도 8의 실시예는 로터 공동에 표본을 올려놓기 위한 방법을 제공하는 단지 두가지 가능한 구성이고 가능한 구성은 완전히 모두 설명된 것은 아니다. 다양한 구성의 장점들을 평가할 때, 로터의 기계적인 무결성이 고려되어야 한다. 위의 두 구성은 적당한 디자인을 제공한다. 추가적인 실시예가 아래 설명되어 있다.
로터 가열법 및 로터 온도 제어
원심력을 이용한 가공법을 구현하기 위해, 어느 한 수단이 표본 캡슐을 포함하는 전체 로터 어셈블리를 가열하도록 마련되는 것이 바람직하다. 다양한 방법들이 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 구성요소 설비의 고온특성에서 회전하는 항공기 구성요소를 검사하는 것과 유사하게, 회전하는 구성요소들은 로내에서 "스핀테스트"된다. 이런 방법에서 로터와 축 어셈블리 전체가 로안에 넣어져서 로의 온도에까지 가열된다. Ni를 기초로 한 슈퍼 합금(Ni-based supper alloy)과 인코넬 성분은 이 방법을 사용하여 약 1000℃까지의 온도로 일정하게 테스트된다.
바람직한 실시예에서, 공동과 표본 캡슐을 포함하는 로터는 로안에 넣어질 수 있다. 이와 반대로, 또한 로터 위로 실리더형 로를 세울 수 있다. 로는 미리 가열되거나 로터를 집어 넣은 후 가열된다. 두 경우에서, 전체 로터 어셈블리는 궁극적으로 로안의 정상상태 온도까지 가열될 것이다. 이런 방법을 사용하여, 로터 어셈블리는 캡슐안에서 표본 합금을 용융하기에 적당한 온도까지 가열된다. 표본 캡슐이 흑체 공동안에 본질적으로 둘러싸여 있어, 표본온도가 로터온터와 빠르게 평형상태가 된다. 로터와 표본은 높은 관성 가속도하에서 가공되는 표본과 로터의 최대 회전 주파수까지 회전할 수 있다.
인코넬 또는 슈퍼합금 로터를 사용할 때, 계산에 의하면, 105g의 약 1내지 2배의 가속도가 약 1000℃에 이르는 온도에서 얻어질 수 있다. 그런 다음, 로터는로에서 제거될 수 있거나, 로로 공급되는 전력이 로터와 캡슐로 싸인 표본을 서냉하기위해 감소될 수 있다. 그래서, 응고는 높은 g 가속도가 계속 유지되면서 수행될 수 있다.
위 방법에 대한 대안적인 것으로, 로터는 로터용 가열원을 마련하여 가열될 수 있다. 예를 들면, 로터는 RF 유도가열를 이용하여 회전하는 동안 가열될 수 있다. 여기서, RF 코일은 로터를 둘러싸는 구조일 수 있다. RF전력 공급에 의해 구동될 때, RF 코일은 금속 로터에 결합하고 RF 전력은 바로 로터에 결합된다. RF 전력의 세기를 조정함으로써, 다양한 "정상 상태" 로터 온도를 얻을 수 있다. 이런 방법은 전기전도성이 있는 로터를 로터의 열손실이 주로 방열에의해서만 되는 1200℃ 이상의 온도로 가열되도록 구현될 수 있다. 높은 열전도성을 가진 금속 로터는 정상상태에서 비교적 균일한 온도를 얻을 것이다. 이와 비슷하게, 로터안에 캡슐로 싸인 표본들은 명확히 구별되는 온도에서 액상 합금을 가공하는데 필요한 등온조건에 가까운 조건을 얻을 것이다.
유도 가열과 저항을 이용한 가열법 이외의 다른 방법이 로터 어셈블리를 가열하는데 이용될 수 있다. 선택적으로, 로터 어셈블리를 가열하기 위해 레이저를 이용할 수 있다. 여기서 비교적 높은 전력의 레이저가 필요할 것이다. 다른 가열 방법은 로터를 저항체를 이용하여 직접 가열하는 방법을 포함한다. 이 경우에서, 고전류에서 회전하는 전기 공급자가 외부 전원에 의해 회전하는 로터어셈블리로 전류를 공급하는데 필요할 것이다. 위의 모든 가열 방법들은 본 발명의 바람직한 실시예를 구현하는데 사용될 수 있다. 액상 금속 합금을 가공할 때, 높은 g 가속도하에서 액상 금속의 가공을 제어하도록 시간과 가속도 이력의 함수로서 표본(예를 들면, 로터)의 온도를 아는 것이 바람직할 것이다. 가공하는 동안 로터의 온도를 측정하기 위해, 여러가지 방법들이 사용될 수 있다. 이런 방법들은 가공하는 동안 로터 온도를 외부에서 모니터링하기 위한 자외선 또는 광학 고온계의 사용과, 표본 공동안에 (바람직하게는 포본과 직접 접촉하게) 마련된 결합부를 가진 로터에 장착되는 눈금이 표시된 하나 이상의 열전쌍의 사용을 포함한다. 열전쌍을 사용하기 위해서, 회전하는 전기 연결부는 열전쌍의 신호를 외부 전압계 또는 모니터링 시스템에 공급하는데 바람직하게 사용된다. 위 둘 방법 모두가 높은 g 가공동안 표본 온도를 모니터링하는데 효과적일 것이다.
실험 결과
도 9는 유리 형성 금속 합금을 가공하는 데 사용되는 하나의 바람직한 원심분리기 에셈블리(100)를 도시하고 있다. 이 어셈블리(100)은 챔버(104)를 둘러싸는 실린더형 본체(102)와 챔버를 밀봉하기위한 이 본체(102)위에 마련된 리드(106)를 포함한다. 실린더형 본체(102)는 바람직하게 챔버(104)안의 온도를 조절하는 로의 역할을 하고, 후술할 로터가 약 35000rpm까지의 회전 주파수로 회전하는 동안 약 1600℉ (약 875℃)까지, 더 바람직하게는 1200℃까지 올릴 수 있다. 본체 (102)와 리드 (104)는 저하됨이 없이 높은 온도에서 견딜 수 있는 적절한 강또는 세라믹 재료로 바람직하게 만들어진다. 표본 챔버는 바람직하게 약 30 내지 60cm의 내부지름을 가지고 있다.
도 10 내지 12에서 보듯이, 로터(102)는 두개의 인접한 판(112, 114)으로 구성된다. 도 11과 12에서, 이런 각각 판들의 내측면들에는 위에서 설명한 표본 캡슐을 하우징할 우묵한 곳들(120)이 복수개 마련되어 있다. 두개의 판이 긴밀히 붙을 때, 우묵한 곳은 표본 캡슐을 수용하기 위한 내부 공동을 함께 만든다. 도 11과 12에서 도시된 바와 같이, 어떤 개수로도 사용될 수 있지만, 8개의 공동이 로터에 마련되어 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 로터(110)의 상측과 하측 판은 판들에 있는 개구들(118)을 통과하는 고정자(116)를 사용하여 서로 부착된다.
로터는 고온 (바람직하게는 약 900℃이상)에서 고강도 (바람직하게는 약 500MPa이상)를 유지하고, 그런 온도, 하중하에서 크리프에 저항성을 갖는 재료로 만들어진다. 위에 설명한 수많은 재료들 중 어느 것이라도 사용될 수 있지만, 하나의 바람직한 로터는 인코넬(100)로 만들어 진다. Ni를 기반으로 한 슈퍼 합금, 또는 열분해 탄소/탄소 섬유 강화 재료는 로터재료로 적당하다. 또한, 고정자, 표본 캡슐 (로터 공동내에 함유된)이외의 다른 로터 구성요소도 인코넬(100)로 만들어 질 수 있다.
일 실시예에서 디스크형 로터 (표본 공동을 포함하는)는 10cm 내지 50cm의 범위의 바람직한 지름을 가지고 있다. 일 실시예실시예로터는 약 25cm으 지름을 가지고 있다. 로터 디스크의 두께는 바람직하게 약 1cm와 5cm사이에 있고, 더 바람직하게는 2 내지 3cm 범위내에 존재한다. 로터내의 공동은 각기 약 2 내지 10 cm의 길이를 가지고 있고, 더 바람직하게는 약 5cm의 길이를 가지고 있다. 그리고 각기 약 0.5 내지 2cm의 지름을, 더 바람직하게는 약 1.27cm의 지름을 가지고 있다. 로터는 바람직하게는 약 60000g (600000㎨)까지 가속할 수 있고, 더 바람직하게는 약200000g (2000000㎨)까지 가속할 수 있다. 한 바람직한 장치는 (표본 공동의 외부단에서) 120000g까지의 가속에서 테스트됐다. 약 1분 내지 10 시간의 냉각시간들이 사용될 수 있고, 더 바람직하게는 약 0.001℃/초 내지 약 10℃/초의 냉각속도로 사용될 수 있다.
본 발명의 어떤 변화나 수정이 당업자에게 자명할 것이라 판단된다. 본 발명의 범위는 여기의 설명이나 앞서말한 설명에 의해 한정되지 않으며, 단지 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 벌크형 금속 유리 형성 합금들을 확인하고 가공하는 방법과 장치 및, 이 합금들로부터 가공되는 성분들의 제조에 관한 방법이 제공된다.

Claims (45)

1. "n"상(n≥2)을 가진 합금의 최저 용융 공정조성을 확인하는 방법에 있어서,
임의의 초기 합금을 마련하는 단계와;
상기 합금이 실질적으로 용융될 때까지 가열하는 단계와;
상기 합금의 용융점이상의 온도로 유지되는 시간 동안 상기 용융된 합금에 큰 관성력을 가하는 단계와;
상기 합금이 큰 관성력을 받고 있는 동안 상기 합금의 온도를 용융점이하로 떨어뜨려, 주위의 액상내에서 최초 고체상의 핵생성과 성장이 일어나게 하고, 상기 최초 고체상이 상기 관성력을 받게 되어 상기 최초 고체상이 침전작용에 의해 상기 주위의 액상내에서 위 또는 아래로 움직이는 단계와;
상기 합금이 상기 관성력을 받고 있는 동안 상기 합금의 온도를 더 낮추어, 추가된 고체상의 뒤 따른 핵생성과 성장이 일어나게 하고, 상기 추가적인 고체상이 상기 관성을 받아 상기 추가된 고체상이 침전작용에 의해 상기 주위의 액체상내에서 위 또는 아래로 움직이는 단계로, 여기서 상기 온도가 상기 합금이 실질적으로 완전히 응고될 때까지 떨어지는 단계와;
응고되는 최종 고체상을 확인하고, 상기 최종 고체상은 더 일찍 응고된 고체 레이어들 사이에서 하나의 레이어로 층화되며, 상기 최종 고체상은 최저 용융 공정조성을 갖는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 임의의 초기 합금은 상기 합금이 상태도의 낮은 온도 부분에 있을 때, n-상 공존지역에 위치한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 합금이 관성력을 받는 것은 합금이 회전하는 장치에서 구심가속도를 받는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서,
상기 합금이 구심가속도를 받는 것은 원심분리기에 상기 합금을 위치시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서,
상기 구심가속도는 약 1 내지 106g인 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서,
상기 구심가속도는 약 105내지 106g인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 최종 고체상이 응고되는 것을 확인하는 단계는 상기 최종 고체상의 조성을 확인하기 위해서 X레이 회절, X레이 분광기, EDS, 및 오제이 분광기로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 최종 고체상을 확인하기 전에 상기 합금을 냉각하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 최종 고체상이 응고될 때까지 상기 용융상태로부터 상기 합금의 온도를 낮추는 단계는 약 0.001℃/초 내지 약 10℃/초의 냉각 속도로 약 1 분 내지 10 시간의 기간에 걸쳐 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 합금은 3이상의 상들을 가진 혼합물로 응고되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 고체상들 중 적어도 몇몇은 불순물 상들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 불순물상들은 산화물, 탄화물, 또는 질화물 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 불순물들은 컨테이너안에서 재료를 가공하는 동안 도입된 데브리스(debris)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
합금의 최저 용융 공정 조성을 가진 벌크형 표본을 생산하는 방법에 있어서,
임의의 초기 합금을 마련하는 단계와;
상기 합금이 실질적으로 용융될 때까지 가열하는 단계와;
상기 합금의 용융점이상의 온도로 유지되는 동안 상기 용융된 합금이 큰 관성력을 받는 단계와;
상기 합금이 큰 관성력을 받고 있는 동안 상기 합금의 온도를 용융점이하로 떨어뜨려, 주위의 액상내에서 최초 고체상의 핵생성과 성장이 일어나게 하고, 상기 최초 고체상이 상기 관성력을 받게되어 상기 최초 고체상이 침전작용에 의해 상기 주위의 액상내에서 위 또는 아래로 움직이는 단계와;
상기 합금이 상기 관성력을 받고 있는 동안 상기 합금의 온도를 더 낮추어,추가된 고체상의 뒤 따른 핵생성과 성장이 일어나게 하고, 상기 추가적인 고체상이 상기 관성을 받아 상기 추가된 고체상이 침전작용에 의해 상기 주위의 액체상내에서 위 또는 아래로 움직이는 단계로, 여기서 상기 온도가 상기 합금이 실질적으로 완전히 응고될 때까지 떨어지는 단계와;
응고되는 최종 고체상으로 부터 취해진 재료를 사용하여 합금의 벌크형 표본을 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 임의의 초기 합금은 상기 합금이 상태도의 낮은 온도 부분에 있을 때, n-상 공존지역에 위치한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 합금이 관성력을 받는 것은 합금이 구심가속도를 받는 것을 특징으로 하는 방법.
제16항에 있어서,
상기 합금이 구심가속도를 받는 것은 원심분리기 또는 회전하는 로터 어셈블리에 상기 합금을 위치시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제16항에 있어서,
상기 구심가속도는 약 1 내지 106g인 것을 특징으로 하는 방법.
제16항에 있어서,
상기 구심가속도는 약 103내지 106g인 것을 특징으로 하는 방법.
제16항에 있어서,
상기 구심가속도는 약 105내지 106g인 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 최종 고체상이 응고될 때까지 상기 용융상태로부터 상기 합금의 온도를 낮추는 단계는 약 1 분 내지 10 시간의 기간에 걸쳐 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,
평형상태에서 상기 고상 합금은 3이상의 상들을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,
합금의 벌크형 표본을 주조하는 단계는 종래의 주조 공정용 피드스톡(feedstock)으로 상기 응고되는 최종 고체상을 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,
합금의 벌크형 표본을 주조하는 단계는 응고되는 상기 최종 고체상을 함유하는 상기 합금의 적어도 일부를 주형으로 직접 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항의 방법에 의해 형성되는 금속 합금 성분.
다성분 합금을 가공하는 방법에 있어서,
상기 합금을 용융하는 단계와;
상기 용융된 합금이 구심 가속도를 받게하는 단계와;
구심 가속도가 존재하는 상태에서 상기 합금을 계속해서 응고하는 단계를 포함하는 방법.
제26항에 있어서,
상기 다성분 합금은 두 개의 주요한 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서,
상기 다성분 합금은 셋 또는 그 이상의 주요 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서,
약 1 내지 106g사이의 g-필드가 존재하는 상태에서 상기 합금을 응고하는 단계를 포함하는 방법.
제26항에 있어서,
상기 합금은 원심분리기에 포함되는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서,
상기 합금은 약 0.001℃/초 내지 약 10℃/초의 속도로 응고되는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서,
응고되는 합금의 일 부분을 종래의 주소공정용 피드스톡으로 이용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서,
상기 합금을 응고하는 단계는 상기 남아 있는 나머지 합금에 비해 낮은 용융 공정 조성을 가진 합금의 일 부분을 분리하는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서,
상기 합금을 응고하는 단계는 상기 남아 있는 나머지 합금에 비해 더 작은 불순물질상을 가진 합금의 일 부분을 분리하는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서,
상기 합금은 표본 기둥에 포함되는 것을 특징으로 하는 방법.
제35항에 있어서,
상기 표본 기둥은 상기 합금의 적어도 일 부분을 이동시키기위한 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제36항에 있어서,
상기 게이트는 응고시에 남아있는 나머지 합금보다 상대적으로 더 적은 불순물을 포함하는 상기 합금의 일 부분에 근접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 25항의 방법에 의해 가공된 다성분 합금.
정화된 다성분 벌크형 금속 유리 형성 합금을 형성하는 방법에 있어서,
(a)고온에서 표본 합금을 용융하는 단계와;
(b)일정 기간동안 상기 용융점이상에서 상기 용융된 합금을 유지하며 상기 용융된 합금이 구심가속도를 받게 하는 단계와;
(c)상기 합금이 계속해서 구심 가속도를 받는 동안 상기 합금의 온도를 낮춰 상기 합금을 응고하여, 상기 응고된 합금이 최저 용융 공정 조성을 가진 나머지 남아 있는 합금으로부터 분리되는 부분을 갖게 하는 단계와;
(d)최저 용융 공정 조성을 가진 상기 합금의 부분을 격리하는 단계와;
(e)상기 최저 용융 공정 조성을 가진 상기 합금의 부분이 구심 가속도를 받고 있는 동안, 고온에서 상기 합금의 상기 부분을 재용융하는 단계와;
(d)상기 최저 용융 공정 조성을 가진 상기 합금의 부분이 구심 가속도를 받고 있는 동안, 상기 합금의 상기 부분을 냉각하여, 상기 냉각된 합금이 남아있는 나머지 합금보다 불순물 상이 비교적 더 적은 부분을 갖게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 방법.
제39항에 있어서,
최소 용융 공정 조성을 가진 상기 합금의 상기 부분은 표본 기둥에 포함되는 것을 특징으로 하는 방법.
제40항에 있어서,
상기 표본 기둥은 상대적으로 더 작은 불순물상을 가진 상기 냉각된 합금 상기 부분에 근접한 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제41항에 있어서,
상대적으로 더 작은 불순물상을 가진 상기 냉각된 합금 상기 부분을 상기 표본으로 부터 게이트를 통하여 제거하고, 그 제거된 부분을 주형이나 다이에 옮기는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
벌크형 유리 형성 능력에 최척화된 조성을 가진 금속 합금에 있어서,
상기 조성은 처음 용융된 합금을 원심분리기안에서 천천히 점진적으로 냉각 응고한 후 상기 합금을 용융하여 얻어 지고, 상기 원심분리기는 결정형 상들을 남아있는 나머지 용융된 합금으로부터 물리적으로 분리하는 응고작용시에 상기 합금이 높은 관성력을 받게하고, 그리하여 상기 금속 합금의 최적화된 조성은 응고되는 상기 합금의 최종 부분이고 최종 합금의 명확히 구별된 레이어에 물리적으로 격리되는 것을 특징으로 하는 금속 합금.
제43항에 있어서,
남아있는 나머지 용융된 합금으로부터 분리된 상기 결정형상들은 산화물, 탄화물, 및 질화물 상으로 구성된 그룹으로 부터 선택된 불순물 상들인 것을 특징으로 하는 금속 합금.
제43항에 있어서,
남아있는 나머지 용융된 합금으로부터 분리된 상기 결정형 상들은 상기 합금의 점진적인 응고시에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 합금.
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