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CN102892915A - 使用电容性放电和磁场的金属玻璃的电磁形成 - Google Patents

使用电容性放电和磁场的金属玻璃的电磁形成 Download PDF

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CN102892915A CN2011800245840A CN201180024584A CN102892915A CN 102892915 A CN102892915 A CN 102892915A CN 2011800245840 A CN2011800245840 A CN 2011800245840A CN 201180024584 A CN201180024584 A CN 201180024584A CN 102892915 A CN102892915 A CN 102892915A
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Abstract

一种对金属玻璃均匀加热、流变软化并且结合由所施加的电流与横向磁场的相互作用产生的电磁力使用快速电容器放电形成（RCDF）工具使其热塑性形成为网形状的装置和方法。RCDF法利用存储于电容器内的电能的释放来在几毫秒或更短的时间尺度内均匀快速地将金属玻璃合金的样品或供料加热到在非晶金属的玻璃化转变温度与合金的平衡熔点之间的预定的“处理温度”，在该点处，电场与磁场之间的相互作用产生了能够经由包括例如注射成型、动态锻造、冲压锻造和吹塑成型在内的许多技术使受热样品在小于一秒的时间尺度内形成为高质量的非晶块体物品的力。

Description

使用电容性放电和磁场的金属玻璃的电磁形成
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和磁场来施加电磁形成力而形成金属玻璃的工艺。
背景技术
非晶材料是新的一类工程材料，该工程材料具有高强度、弹性、耐腐蚀性以及熔融状态下的可加工性的独特结合。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的晶态合金的原子结构的典型的长程有序模式。非晶材料一般地通过使熔融合金以“足够快”的冷却速率从结晶相的融化温度（或热力学融化温度）以上冷却至非晶相的“玻璃化转变温度”以下，从而避免合金晶体的成核和生长。正因如此，非晶合金的处理方法总是涉及对“足够快的冷却速率”（也称为“临界冷却速率”）的量化，以确保非晶相的形成。
对于早期的非晶材料的“临界冷却速率”是极高的，量级为106℃/秒。同样地，常规的铸造工艺并不适用于如此高的冷却速率，并且还研发出了诸如熔融纺丝和平面流铸之类的特殊的铸造工艺。由于这些早期的合金的结晶动力学是相当快速的，因而需要熔融合金的排热的极短时间（量级为10-3秒或更小）来绕过结晶，并且从而早期的非晶合金的尺寸同样会在至少一个维度上受到限制。例如，使用这些常规的技术仅能成功生产很薄的箔片和带状体（ribbon）（厚度的量级为25微米）。因为这些非晶合金的临界冷却速率严重地限制了由非晶合金制成的部件尺寸，所以早期的非晶合金作为大体积的对象和商品受到了限制。
多年来，确定的是“临界冷却速率”很大程度上取决于非晶合金的化学组成。因此，大量的研究都集中于研发具有更低的临界冷却速率的新的合金组成。在美国专利No.5,288,344、5,368,659、5,618,359和5,735,975中给出了这些合金的实例，并在此以提及方式将其全文并入本文中。这些非晶合金系统（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，这允许比之前可实现的非晶相对象更大的块体非晶相对象的处理和形成。
在可获得低的“临界冷却速率”BMG的情况下，应用常规的铸造工艺来形成具有非晶相的块体物品成为了可能。在过去数年中，许多公司（包括LiquidMetal技术公司）进行了研发用于生产由BMG制成的网形状金属部件的商用制造技术的努力。例如，诸如永久模具金属压铸和到受热模具（mold）中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，用于标准的消费类电子器件（例如，手机和手持式无线器件）的电子套管、铰链、紧固件、医疗器械和其他高附加值的产品。但是，即使块体凝固的非晶合金给凝固铸造的基本缺陷，尤其是以上所讨论的压铸和永久模具铸造工艺提供了某些修补，但是仍然存在这需要解决的问题。首先，需要由范围更广泛的合金组成来制成这些块体对象。例如，目前可购得的具有能够制成大块体非晶对象的大的临界铸造尺寸的BMG仅限于基于可选性很小的金属的几组合金组成，包括：基于Zr的合金，此外还有Ti、Ni、Cu、Al和Be，以及基于Pd的合金，此外还有Ni、Cu和P，这些合金从工程或成本的角度来说并不一定是最优的。
此外，当前的处理技术需要大量昂贵的机器，以确保创造适当的处理条件。例如，大多数的成形工艺需要高真空的或受控惰性气体环境、材料在坩埚中的感应熔化、对压铸储筒的金属注入以及通过压铸储筒气动注射到相当精细的模具组件的浇口和模腔内。这些改性的压铸机的价格能够是数十万美元每台。而且，因为加热BMG到目前为止已经通过这些传统缓慢的热处理来完成了，所以块体凝固的非晶合金的现有处理和形成技术总是集中于使熔融合金从热力学熔化温度冷却到玻璃化转变温度以下。该冷却已经使用单步骤的单调冷却操作或多步骤工艺来实现。例如，金属模具（由铜、钢、钨、钼、它们的复合物或者其他高导电性材料制成）在环境温度下被用来促进和加速熔融合金的排热。因为“临界铸造尺寸”与临界冷却速率相关联，所以这些常规的工艺并不适用于形成范围更广泛的块体凝固的非晶合金的较大块体的对象和物品。另外，通常有必要将熔融合金在高压下以高速注入压模（die）内，以确保足够的合金材料在合金凝固之前被引入压模内，尤其是在复杂的且高精密的部件的制造中。因为金属在高压力下以高速注入压模之内，例如，在高压压铸操作中，熔融金属的流动变得易于出现Rayleigh-Taylor不稳定性。这种流动不稳定性的特征在于高韦伯数，并且这种流动不稳定性与促使形成突出的接缝和单元的流动前沿的破裂有关，该接缝和单元在铸造部件中呈现为表面和结构的微缺陷。同样，还存在着在未玻璃化的液体被截留于玻璃化金属的固体外壳内部时沿着压铸模具的中心线形成缩孔或空隙的倾向。
要修补与使材料从平衡熔点之上快速冷却至玻璃化转变之下相关的问题的尝试大部分都集中于利用过冷液体的动力稳定性和粘性流动特性。已经提出了包括以下操作的方法：将玻璃原料加热到玻璃松弛至粘性过冷液体的玻璃化转变之上，施加压力以形成过冷液体，并且继而在结晶之前冷却到玻璃化转变之下。这些有吸引力的方法本质上很类似于用来处理塑料的那些方法。但是，与防止在软化转变之上的结晶相当长的时段内保持稳定的塑料相比，金属过冷液体一旦在玻璃化转变处松弛就会相当快地结晶。因此，金属玻璃在以常规的加热速率（20℃/min）加热时于防止结晶方面稳定的温度范围是相当小的（在玻璃化转变之上的50-100℃），而在该范围内的液体粘度是相当高的（109-107Pa-s）。由于这些高粘度，使这些液体形成为所希望的形状所需的压力是巨大的，并且对于许多金属玻璃合金来说能够超过可通过常规的高强度加工获得压力（<1GPa）。近来已经研发出在以常规的加热速率加热到相当高的温度（在玻璃化转变以上的165℃）时于防止结晶方面稳定的金属玻璃合金。在美国专利申请20080135138以及G.Duan等人的文章（Advanced Materials，19（2007）4272）和A.Wiest的文章（ActMaterialia，56（2008）2525-2630）中给出了这些合金的实例，并在此以提及方式将其全文并入本文中。由于它们防止结晶的稳定性高，低至105Pa-s处理粘度变为可达到的，这意味着这些合金比传统的金属玻璃更适合于在过冷液体状态下处理。但是，这些粘度仍然大大高于塑料的处理粘度，塑料的处理粘度典型为10-1000Pa-s。为了获得这样低的粘度，金属玻璃合金应当在通过常规的加热来加热时展示出甚至更高的防止结晶的稳定性，或者以异常高的加热速率来加热，该加热速率会扩大稳定性的温度范围并且将处理粘度降低至对于在处理热塑性塑料中使用的那些粘度来说典型的值。
已经进行了试图创造出以下方法的几种尝试：将BMG瞬时加热达到足以成形的温度，由此避免以上所讨论的许多问题，并且同时扩充能够成形的非晶材料的类型。例如，美国专利No.4,115,682和5,005,456以及A.R.Yavari的文章（Materials Research Society SymposiumProceedings，644（2001）L12-20-1；Materials Science&EngineeringA，375-377（2004）227-234；以及Applied Physics Letters，81（9）（2002）1606-1608）全都利用非晶材料的独特传导性质来使用焦耳加热将材料瞬时加热至成形温度，并在此以提及方式将其全文并入本文中。但是，至今这些技术都集中于对BMG样品的局部加热，以仅允许局部形成，例如此类块件的连结（即，点焊），或者表面特征的形成。这些现有技术的方法没有一个教导如何均匀地加热整个BMG试样体积，以便能够执行整体形成。相反，所有这些现有技术的方法都预期在加热期间的温度梯度，并且讨论这些梯度如何能够影响局部形成。例如，Yavari等人（Materials Research Society Symposium Proceedings，644（2001）L12-20-1）写道：“正成形的BMG样品的外表面，不管它们与电极接触还是与成形腔室内的周围气体（惰性气体）接触，都将比内部稍微冷点，因为由电流生成的热量通过传导、对流或辐射散发到样品之外。另一方面，通过传导、对流或辐射加热的样品的外表面比内部稍微热点。这对本方法来说是一个重要的优点，因为金属玻璃的结晶和/或氧化通常首先从外表面和界面上开始，并且如果它们稍微低于块体的温度，则可以更容易地避免此类所不希望的表面晶体的形成。”
BMG防止在玻璃化转变之上的结晶的有限稳定性的另一个缺点是无法在亚稳性过冷液体的整个温度范围内测量热力学性质和传输性质，例如，热容量和粘度。诸如示差扫描量热计、热机械分析仪和Coquette粘度计之类的典型的测量仪器依靠常规的加热仪器（例如，电感应加热器），并且从而能够获得被认为是常规的样品加热速率（典型为<100℃/min）。如以上所讨论的，金属过冷液体在以常规的加热速率加热时能够是在有限的温度范围内在防止结晶方面稳定，并且从而可测量的热力学性质和传输性质被限制于可达到的温度范围之内。因此，与在防止结晶方面稳定的并且它们的热力学性质和传输性质在整个亚稳态范围内可测量的聚合物及有机液体不同，金属过冷液体的性质仅对于刚好在玻璃化转变之上且刚好在熔点之下的狭窄温度范围之内是可测量的。
近来，已经研发出通过对金属玻璃进行均匀加热、流变软化并且使用快速电容器放电形成（RCDF）工具将其热塑性形成为网形状来克服这些常规方法的许多局限的方法。（参见，例如，美国专利公开No.US-2009-0236017-A1，并在此以提及方式将其全文并入本文中）。RCDF法利用存储于电容器内的电能的释放在几毫秒或更短的时间尺度内均匀快速地将金属玻璃合金的样品或供料（charge）加热到在非晶材料的玻璃化转变温度与合金的平衡熔点之间的预定“处理温度”。但是，在这种方法中，为使受热样品成形为高质量的非晶块体物品而进行的力的施加通过常规的技术来完成，这并不是最佳的。
因此，需要找到利用在瞬时RCDF加热方法中生成的电场的，使受热的BMG试样成形的新途径。
发明内容
本发明公开了一种形成金属玻璃、板片（sheet）、管或杆（rod）的方法，该方法利用电磁形成力来使金属玻璃供料成形为截面基本上均匀的板片、管或杆。
在一种实施例中，本发明涉及使用快速电容器放电和电磁力对非晶材料快速加热并使其成形的方法，包括：
·提供至少一个具有基本上均匀的截面的非晶金属样品；
·释放电能量子使其沿着电场轴均匀地穿过每个样品，以将所述样品的整体均匀加热到处理温度，使得非晶材料的粘度处于大约1Pa-s至大约105Pa-s；
·施加横贯电场轴的静态磁场，以生成使受热样品形成为非晶物品的电磁变形力；并且
·将物品冷却至非晶材料的玻璃化转变温度之下的温度。
在另一种实施例中，本发明涉及用于快速加热非晶金属并使其成形的磁形成装置，包括：
·具有基本上均匀的截面的非晶金属的样品；
·电能源；
·至少两个附接于样品的互连电极，使得基本上均匀的连接被形成于所述电极与所述样品之间，其中电能源能够产生足以将所述样品的整体均匀加热到处理温度的电能量子，使得非晶材料的粘度处于大约1Pa-s至大约105Pa-s；
·静态磁场源，被布置为产生横贯电场轴的静态磁场；以及
·其中与电能的量子关联的静态磁场能够生成足以使所述受热样品形成或成形为物品的电磁变形力。
在又一种实施例中，电能的量子被释放穿过电极，以产生沿着样品的纵向长度的电场。
在再一种实施例中，电场的量子为至少大约100焦，并且放电时间常数为大约10μs-10ms。
在另外一种实施例中，样品的加热和成形在大约100μs-1s的时间内完成。
在另外一种实施例中，电能量子的强度在加热及成形步骤中的至少一个步骤期间被改变。在一种这样的实施例中，改变包括在以较低的速率释放更多的能量之前于样品处生成快速预脉冲，所述预脉冲的能量足够使样品的温度均匀上升至非晶材料的玻璃化转变之上，而以较低速率释放的能量足以与磁场相互作用，以生成足以使受热样品形成的电磁力。
在另外一种实施例中，样品具有选自杆、板片、圆柱和立方体的形状。
在另外一种实施例中，磁场相对于磁场轴来布置，使得电磁变形力被形成为垂直于电场的轴。
在另外一种实施例中，电能源是电容器。
在另外一种实施例中，磁场通过至少一个选自永磁体和电磁体的磁源，例如，亥姆霍兹线圈或者与高磁导率的软磁芯结合的亥姆霍兹线圈。在一种这样的实施例中，永磁体选自铁钕硼磁体和钐钴磁体。
在另外一种实施例中，磁场由多个磁源的联合影响所形成。在一种这样的实施例中，该多个磁源被布置于相对电场轴的不同角度。在另一种这样的实施例中，成形工具被布置于所述样品附近，成形工具具有三维模腔。
在另外一种实施例中，装置和方法包括在样品附近的成形工具，使得变形力促使非晶材料与选自模具（mold）、压模（die）、挤压模（extrusion die）、注射模具（injection mold）、冲模（stamp）和轧辊（roller）的成形工具接触。在一种这样的实施例中，成形工具被加热至优选为在非晶材料的玻璃化转变温度附近的温度。在另一种这样的实施例中，成形工具至少部分由磁性材料形成。
在另外一种实施例中，成形工具是一对平行的轧辊，并且其中磁场被施加为垂直于样品且平行于有轧辊的轴所限定的平面，从而促使所述样品在所述轧辊之间形成为非晶板片物品。
在另外一种实施例中，装置包括将样品限制为沿着在由非传导的容纳部件形成的通道内的至少两个轴，以及释放能量的量子穿过样品宽度，使得变形力沿着样品的长度施加，以在样品内产生压力梯度，从而促使受热样品沿着通道并注入成形工具内。在这样一种实施例中，成形工具是压模或模具之一。
在另外一种实施例中，在电极和样品之间的样品接触表面是平的且平行的。
附图说明
通过参照下面的附图，将会更全面地理解本发明的描述，这些附图仅作为本发明的示例性实施例给出，并不应当理解为本发明的范围的完全叙述，在附图中：
图1提供了本发明的电磁形成方法的一种实施例的布局和几何形状的示意图；
图2A到2D提供了根据本发明的电磁成型（molding）的示范，其中（A）提供了在放电之前的初始设置的图像，示出了1英寸宽的带状体、铜电极和永磁体，（B）提供了放电之后的装置的图像，（C）提供了根据本发明的一种示例性实施例的形成于Macor模具之上的板片的图像，以及（D）提供了示出根据本发明的电磁成型的过程的一系列静止图像。
图3提供了根据本发明的一种实施例的用于形成板片的受热金属玻璃板的磁驱动扎制的装置。
图4提供了根据本发明的一种实施例的由永磁场生成的用于执行受限的供料到模具工具内的注射成型的电磁力的示意图；
图5提供了根据本发明的一种实施例的适用于放电加热电磁力以使相邻板片结合的装置的几何形状的示意图；以及
图6提供了根据本发明的一种实施例的包括两个不同强度和持续时间的连续脉冲的修整的电流分布的示意数据图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于对金属玻璃均匀加热、流变软化并结合焦耳加热使用电磁形成力使其快速地（典型为小于1秒的处理时间）热塑性形成为网形状的方法。
快速电容器放电形成(RCDF）
本发明的方法结合磁形成力，利用存储于电容器内的电能（典型为100J-100KJ）放电在几毫秒或更短的时间尺度内将金属玻璃合金的样品或供料均匀快速地加热到在非晶材料的玻璃化转变温度与合金的平衡熔点之间的中点附近的预定“处理温度”，并且在下文被称为磁激活的快速电容器放电形成（MERCDF）。常规的RCDF方法在美国专利公开No.US-2009-0236017-A1中进行了较详细的描述，并在此以提及方式将其全文并入本文中。
常规的RCDF方法从金属玻璃由于其为冷冻液体而具有相对高的电阻率的观察事实出发，这能够导致以使样品在适当应用放电的情况下于很短的时间内被均匀加热的速率对材料的高耗散和高效率的均匀加热。通过快速均匀地加热BMG，RCDF法将过冷液体抗结晶的稳定性提升到实质上比玻璃化转变温度高的温度，由此使整个样品体积进入与最适宜用于形成的处理粘度关联的状态。RCDF方法还提供了可达到由亚稳态过冷液体提供的整个粘度范围，因为该范围不再受稳定结晶相的形成所限制。
总而言之，RCDF方法允许提高所形成部分的质量、可用部分的产量增加、材料和处理成本的降低、可用BMG材料的范围的加宽、提高的能量效率以及制造机器的较低资本成本。另外，由于在RCDF方法所能够获得的瞬时且均匀的加热，在整个液体亚稳态的范围内的热力学性质和传输性质变为可获得的。
磁场形成
本发明的电磁形成将与常规的电磁形成（电磁形成或磁力形成）进行对比。常规的电磁形成是一种用于导电性金属（更常见的是铜和铝）的高速率的冷形成过程。在该过程中，工件通过高强度的脉冲磁场来再成形，该高强度脉冲磁场感生出了工件内的电流以及相应的排斥磁场、工件的快速排斥部分。在操作器件，快速改变的磁场通过电磁感应在附近的导体内感生出了循环的电流。该感应电流在导体周围产生对应的磁场。由于楞次定律，在导体和工作线圈内产生的磁场相互强烈排斥。高的工作线圈电流（典型为数万或数十万安培）产生克服了金属工件的室温屈服强度的超强磁力，导致永久性变形。但是，该过程需要金属在冷却状态下成形。
如以上所讨论的，本发明提供了一种形成金属玻璃、板片、管或杆的方法，该方法使用形式为截面基本均匀的板片、管或杆的金属玻璃供料。在该过程中，由穿过样品的长度的电容器组的放电产生的大的电流脉冲被用来将样品快速均匀地加热到过冷液体区内的目标温度。在加热之后，受热的样品受到通过所施加电流与垂直于电流流动方向来取向的磁场的相互作用而产生的电磁力的作用。
下面的图1示出了用来实现本发明的示例性几何形状的示意图。在用于图示的示例几何形状，被布置于与成形元件（12）相邻的位置处的样品（10）（例如，模具、注射成型口、轧辊板片等）通过在样品两端所施加的电流（I）来加热。受热的样本然后受到由感应加热的施加电流（I）和在本例中垂直于电流的横向磁场（B）形成的电磁力（F）的作用。样品通过所产生的电磁力来成型，因为受热的样品是粘性液体，该粘性液体在电磁力的影响下变形，以复制成形元件所限定的形状（在图1的实例中为模具）。
据观察，大部分金属玻璃是非磁性的，尤其是在它们的玻璃化转变之上，因此，电磁形成过程是否会对它们起作用并不是显而易见的。但是，电磁形成在这些非晶系统中起作用，因为当金属玻璃存在于横向的磁场内时，通过在其两侧生成电场该金属玻璃被同时加热。
以下是允许电容性放电与磁场联合使用以执行金属玻璃材料的处理和网形状形成的一列基本元素。对于本领域技术人员而言，应当意识到，众多变化在基本的发明之内是可能的，但是，为了本公开的目的，本发明能够被限定为其特征在于下面的基本元素：
（1）样品
具有基本上均匀的截面的金属玻璃供料。尽管均匀的截面是要求的，但是应当理解，具有均匀截面的任意形状都可以使用，例如，杆、板片、圆柱、立方体等。同样地，具有可实现的非晶相的任意金属玻璃都可以使用，例如，在美国专利No.5,288,344、5,368,659、5,618,359和5,735,975中所公开的金属玻璃，并在此以提及方式将其全文并入本文中。
（2）电路
电容器，用来存储并通过均匀的欧姆耗散来释放电能，电流沿着样品的长度，由此将样品均匀地加热到金属玻璃的玻璃化转变温度之上的液体处理温度，这根据美国专利公开No.US-2009-0236017-A1，并在此以提及方式将其全文并入本文中。
（3）处理温度
被选定在由此使玻璃形成液体的粘度处于大约1Pa-s至大约105Pa-s之间的范围内的处理温度。应当理解，确定为使任意金属玻璃进入该粘度范围之内所需的温度的方法是本领域技术人员所知的。
（4）磁场的性质
施加于样品周围的区域内的静态磁场，该静态磁场与样品内所流动的时间及空间相关的电流起作用，从而产生作用于样品上以使液体样品成形及形成所期望的形状的电磁力。成形和形成能够在使用或不使用辅助成形工具（例如，模具、压模、板片轧辊、挤压机等）的情况下进行。（在下面的实例1到6中示出了与本发明的磁场成形过程结合的几个不同成形工具的实例。）
（5）磁场的几何形状
虽然磁场是静态的，但是它一般可以按照控制电磁成形力在样品之上的分布以产生网形状的最佳形成的方式在空间上改变。特别地，虽然在以上图1所提供的基本实例中，与所施加电流相关的磁场的几何形状被选择为使得施加于样品的磁场的方向垂直于样品并且对着压模工具或者朝向模具工具，但是应当理解，根据洛伦兹力方程（F＝I×B·sinΘ），施加于样品的力与电流和磁场的角度成正比。该力垂直于样品地推斥样品。因此，磁场和电场能够彼此相关地定位成适用于将必要的成形力施加于样品的任意几何形状。例如，场可以由布置成用于在样品上产生所期望的力分布的配置的单个或多个永磁体产生。静态磁场也可以全部/部分由电磁体产生。电磁体可以与一个或多个永磁体配合使用。永磁体可以是“铁-钕-硼”型的、“钐-钴”型的或/和永磁体的其他常见类型。作为选择，模具自身也能够由磁性材料来制作。
（6）淬火
在成形之后，最终的部件在充分短的时间内被冷却到金属玻璃的玻璃化转变温度之下，以避免部件的大量结晶。由此产生的最终构件保留为基本上玻璃质的状态。就定义而言，最终部件应当含有至少50%的金属玻璃以及低于50%的任意结晶材料。冷却能够通过任意合理的方法来完成，包括，例如，对模具工具的热传导，或者通过对包围最终网形状构件的周围环境的传导、对流或辐射。
虽然以上描述了本发明的MERCDF法的一种基本实施例，还描述了为使用磁场来在载流的金属玻璃工件中产生电磁“形成”力所需的基本元素，但是应当理解，该方法能够推广到其他各种几何图形以及其他形成方法。例如，具有高场强的多个永磁体（例如，铁钕硼永磁体）能够被用来产生空间上不均匀的永磁场，该永磁场与样品的电流相互作用以在工件上产生形成力的期望分布。该作用于工件上的力分布能够进行修整以优化本发明的网成形能力。另外，由于磁力随电流变化，而供料内的热耗散随电流二次变化，因而也能够使用多个电容器的放电来单独控制样品加热和成形。这些及其他变化将在下文给出的示例性实施例中更深入地讨论。
示例性实施例
作为用于实现上述基本元素的本发明的实例，下面提供了关于从各种初始形状到最终有用的部件的网形状形成的示例性实例。在此所给出的实例意在说明基本发明的几种有用的变型。所有这些变型都基于在本部分的开始处所概括的本发明的基本元素。这些变型应当全都被看作是本文献所公开的本发明的可替换实施例。本发明具有能够由本领域技术人员使用为了在电容性放电加热的工件上产生电磁力的适当布局所需要的修改的几何形状来实现的许多其他可能的变型。
实例1：成型（molding）
作为在简单成型实例中的方法的示范，使用了由平面流铸造产生的金属玻璃板片（Metglas MBF 50-镍基铜焊合金）。该板片的形式为宽1-2”、厚度大约30-40μm的带状体。此类长度长的带状体可从日立金属公司（Hitachi Metals）的金属玻璃部门（Metglas Division）购得。受硅整流器控制的0.262法拉的电容器组（capacitor band）被使用。简单的示范压模工具由可加工陶瓷（Macor）制成。作为示范，具有机械加工于表面上的圆对称的同心凹槽的Macor压模如图2A到D所示的那样来选择。
~1kG的相当均匀的磁场被施加于模具周围的区域，并且由永磁体来提供，如同在图2A和2B中所看到的那样。电容器被充电至20-40伏的电压，并且通过铜引线以及在带状体上的铜夹条放电。图2A示出了在放电之前于磁场内的原始带状体。图2B示出了通过电容性放电在磁场内加热到~700℃的处理温度的带状体。图2C示出了在几秒钟的总耗用时间之后的成形的带状体。
以1000帧/秒的速率拍摄的高速视频影像显示：样品在几毫秒内被加热到处理温度，通过在加热之后的大约10毫秒内于模具内的动态变形而形成，并且在1-2秒的总耗用时间之后被冷却到环境温度。在图2D的一系列静态图片中所示出的结果示范了由样品电流与永磁场的相互作用所产生的用于将板片“压缩”锻造成成形的部件的电磁力的使用的“概念验证”。
实例2：板片形成
图3示出了使用双轧辊来使板材形成板片的方法的示例性设置。如图所示，在本实施例中，电磁力（F）被施加于位于两个旋转轧辊（16）之间的间隙之上的金属玻璃方形或矩形棒材（bar）（14）。放电（I）通过电极（未示出）转移至样品，所述电极与棒材（14）的末端接触。电流沿着棒材的长度感生出。施加静态磁场（B），使其垂直于棒材（14）并且平行于由双轧辊（16）的两个轴（18）所限定的平面。电磁力驱动受热的棒材进入轧辊之间的间隙以产生轧制的板片。棒材可以被容纳于由非传导材料制成的垂直通道（未示出），以便限制并有效地引导材料穿过轧辊。
实例3：网形状构件的注射成型和挤压
在另一种实施例中，基本方法可以被用来将方形杆注射成型到网形状的模具腔内。如图4所示，在本实施例中，电磁力（F）能够被用来在由两个棒形电极（22）提供于其宽度两侧的电流（I）对杆进行的放电加热期间产生沿着金属玻璃样品（20）的长度的压力梯度。为了避免泄漏，供料受非传导容纳壁（24）所限制。具有适当浇口（gating）和模具腔的模具工具能够被提供（未示出），该模具工具然后将在它被加热到适当的处理温度（如上所述）时由所注入的液体填充。
作为选择，相同的设施能够用于使用挤压模的均匀截面的网形状构件的挤压形成法。在本实施例中，该装置被用来迫使金属玻璃的受热供料穿过挤压模。在这种情况下，压模将位于图4中的模具的位置处。
实例4：多磁体形成
在另一种实施例中，多个磁体可以被用来将板片形成为盒形“箱”的形式，其形式为具有大于深度的宽度和长度的矩形实体。如上所述，应当理解，多个永磁体的适当配置能够被用来在工件上生成力的分布，该力的分布能够被修整以使工件形成为三维形状的模具腔，例如，盒形、环形、球形或其他所期望的形状。
实例5：构件的连结（joining）和接合（bonding）
两个构件（板片、棒材、板材）可以通过电容性放电来加热，同时使用本发明的方法。如果在两个构件内的电流流动的方向是相反的，则电磁力能够被用来驱使这两个构件接触。这种几何形状的实例被示出于图5中。如图所示，当两个条带（26）都通过具有相反电流流向的电容性放电（I）加热到适当的处理温度时，电磁力（F）被均匀地施加于两个表面上，这两个工件可以被共同驱动并被连结或接合。
在连结之后，工件可以使用任何适当的方法来淬火至玻璃化转变温度之下，例如，通过传导或对流到适当的流体或者通过辐射到周围。例如，在一种实施例中，工件的外表面能够暴露于气流或液流或者储气器或储液器内，例如，氦气或适当的油池。
实例7：电流分布成形
因为加热和形成在本方法中基本上是连在一起的，所以可以修整电流的分布，使得加热和形成阶段得以有效地分离。例如，在一种实施例中，优选的是首先施加第一高强度的短持续时间的电流脉冲，然后是第二低强度的长持续时间的脉冲。由于加热速率与电流二次相关（~I2），而力与电流线性相关（~I），因而大部分加热将在第一高强度的短持续时间的电流脉冲期间发生，而大部分的形成将在第二低强度的长持续时间的电流脉冲期间发生。特别地，第一脉冲将被用来使样品温度快速均匀地升高至玻璃化转变温度之上，在该玻璃化转变点，样本的粘度开始下降。即使第一脉冲的高电流将感生出大的力，该力也不会产生实际的形成，因为样品粘度在第一脉冲的大部分持续时间内都将是相当高的。与第一脉冲相比，强度低得多但持续时间长得多的第二脉冲将仅会引起稍微多一点的加热，因为加热与~I2成正比。但是，由于力与~I成正比，因而第二脉冲将会感生出比第一脉冲中的力小不了多少的力，施加达特别更长的时间在此期间样品粘度低得多，由此贡献更多的形成。该实施例在图6中以图表示范。
在以上所述的实施例中，磁场能够在释放附加的能量量子的同时通过电力激活电磁体（例如，亥姆霍兹线圈）来感生出。这样，加热和形成得以更有效地分离，因为在第一电流脉冲期间将不会感生出力，使得它被单独用于加热。
等同原则
本领域技术人员应当意识到，以上关于本发明的各种优选实施例的示例和描述在整体上仅仅用于说明本发明，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以改变本发明的步骤及各种构件。例如，本领域技术人员应当清楚，另加的处理步骤或者可替换的配置将不会影响本发明的方法/装置的改进性质，也不会致使该方法/装置不适用于其所预期的用途。因此，本发明并不限制于在此所描述的特定实施例，而是由所附权利要求书的范围来限定。

Claims (43)

1.一种在存在生成电磁力的磁场的情况下使用电能放电来快速加热非晶金属并使其成形的方法，包括：
提供至少一个非晶金属样品，所述样品具有基本上均匀的截面；
释放电能的量子使其沿电场轴均匀地穿过所述至少一个样品中的每个样品，以将所述样品的整体均匀地加热到处理温度，使得非晶金属的粘度处于大约1Pa-s至大约105Pa-s；
施加横贯所述电场轴的静态磁场以产生电磁变形力以使所加热的样品成形；以及
将所述物品冷却到所述非晶金属的玻璃化转变温度以下的温度，以产生非晶物品。
2.根据权利要求1所述的方法，其中释放所述电能的量子的步骤通过与所述至少一个样品中的每个样品的相对端连接的至少两个电极发生，并且产生沿所述样品的纵向长度的电场。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电能的量子通过使电容器放电来传递。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电能的量子至少为大约100焦耳，并且放电时间常数为大约10μs-10ms。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品的加热和成形在大约100μs-1s的时间内完成。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在加热和成形步骤中的至少一个步骤期间改变所述电能的量子的强度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述改变步骤包括：在以第一速率释放附加的能量的量子之前于所述样品处生成预脉冲；
所述预脉冲的能量足以使在界面处的样品的温度升高到所述非晶金属的玻璃化转变之上；并且
所述附加的能量的量子以比所述预脉冲的速率低的速率来释放，具有足以与所述磁场相互作用的能量，以产生足以使所加热的样品成形的电磁力。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述磁场是通过与所述附加能量的量子的释放同步地激活电磁体而感生的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品具有选自杆、板片、圆柱和立方体的形状。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述磁场相对于所述电场轴布置成使得所述电磁变形力垂直于所述电场的轴而形成。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述磁场通过选自永磁体和电磁体中的至少一个的磁源来形成。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述永磁体选自铁钕硼磁体和钐钴磁体。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述磁场由多个磁源的联合影响而形成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个磁源被布置成相对于所述电场轴处于不同的角度。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：在所述样品附近提供成形工具，所述成形工具具有三维的模具腔。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述样品附近提供成形工具使得所述变形力促使所加热的非晶金属与选自模具、压模、挤压模、注射模具、冲模和轧辊的成形工具接触。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述成形工具被加热至优选为在所述非晶金属的玻璃化转变温度附近的温度。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述成形工具至少部分由磁性材料形成。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述成形工具是一对平行的轧辊，并且其中所述磁场垂直于所述样品且平行于由所述轧辊的轴所限定的平面来施加，使得所述样品被驱策到所述轧辊之间以形成非晶板片物品。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括提供拉长的样品；
将所述样品沿至少两个轴限制于由非传导的容纳部件形成的通道内；
跨所述样品的宽度两侧释放所述能量的量子；并且
沿所述样品的长度施加变形力，以在所述样品内产生压力梯度，使得所加热的样品沿所述通道驱策并被注入成形工具中。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述成形工具是压模或模具之一。
22.一种磁形成装置，用于在存在生成电磁力的磁场的情况下使用电能放电来快速加热非晶金属并使其成形，包括：
非晶金属的样品，所述样品具有基本上均匀的截面；
电能源；
将所述电能源与所述非晶金属的样品互连的至少两个电极，所述电极附接于所述样品使得在所述电极与所述样品之间形成基本上均匀的连接，其中所述电能源能够沿电场轴产生足以将所述样品的整体均匀加热到处理温度的电能的量子，使得所述非晶金属的粘度处于大约1Pa-s至大约105Pa-s；
静态磁场源，布置成使得静态磁场横贯所述电场轴产生；以及
其中与所述电能的量子关联的所述静态磁场能够产生足以将所加热的样品形成为成形物品的电磁变形力。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述样品的接触表面是平的且平行的。
24.根据权利要求22所述的装置，其中所述至少两个电极与所述至少一个样品中的每个样品的相对端连接，并生成沿所述样品的纵向长度的电场。
25.根据权利要求22所述的装置，其中所述电能的量子通过使电容器放电来传递。
26.根据权利要求22所述的装置，其中所述电能的量子至少为大约100焦，并且放电时间常数为大约10μs-10ms。
27.根据权利要求22所述的装置，其中所述样品的加热和成形在大约100μs-1s的时间内完成。
28.根据权利要求22所述的装置，还包括：与所述电能源进行信号通信的控制器，所述控制器能够在加热和成形步骤中的至少一个步骤期间改变所述电能的量子的强度。
29.根据权利要求28所述的装置，其中所述控制器能够在以第一速率释放附加的能量的量子之前于所述样品处生成预脉冲；
所述预脉冲的能量足以使在界面处的样品的温度升高到所述非晶金属的玻璃化转变之上；并且
所述附加的能量的量子以比所述预脉冲的速率低的速率来释放，具有足以与所述磁场相互作用的能量，以产生足以使所加热的样品成形的电磁力。
30.根据权利要求29所述的装置，其中所述磁场是通过与所述附加能量的量子的释放同步地激活电磁体而感生的。
31.根据权利要求22所述的装置，其中所述样品具有选自杆、板片、圆柱和立方体的形状。
32.根据权利要求22所述的装置，其中所述磁场相对于所述电场轴布置成使得所述电磁变形力垂直于所述电场的轴而形成。
33.根据权利要求22所述的装置，其中所述磁场通过选自永磁体和电磁体中的至少一个的磁源来形成。
34.根据权利要求33所述的装置，其中所述永磁体选自铁钕硼磁体和钐钴磁体。
35.根据权利要求22所述的装置，其中所述磁场由多个磁源的联合影响而形成。
36.根据权利要求35所述的装置，其中所述多个磁源被布置成相对于所述电场轴处于不同的角度。
37.根据权利要求35所述的装置，还包括：在所述样品附近的成形工具使得所述电磁变形力促使所述非晶金属与所述成形工具接触，所述成形工具具有三维的模具腔。
38.根据权利要求22所述的装置，还包括：在所述样品附近的成形工具，使得变形力促使所述非晶金属与所述成形工具接触，其中所述成形工具选自模具、压模、挤压模、注射模具、冲模和轧辊。
39.根据权利要求38所述的装置，其中所述成形工具被加热至优选为在所述非晶金属的玻璃化转变温度附近的温度。
40.根据权利要求38所述的装置，其中所述成形工具至少部分由磁性材料形成。
41.根据权利要求38所述的装置，其中所述成形工具是一对平行的轧辊，并且其中所述磁场垂直于所述样品且平行于由所述轧辊的轴所限定的平面来施加，使得所述样品被驱策到所述轧辊之间以形成非晶板片物品。
42.根据权利要求38所述的装置，还包括：非传导性容纳通道，所述样品被布置到其内，所述容纳通道沿至少两个轴限制所述样品；并且
其中所述电能源被布置使得所述能量的量子跨所述样品的宽度两侧释放，并且所述磁场源被布置使得电磁变形力沿所述样品的长度施加，以在所述样品内产生压力梯度，使得所加热的样品沿所述通道驱策并被注入成形工具中。
43.根据权利要求42所述的装置，其中所述成形工具是压模或模具之一。
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