[发明专利]含铍金属玻璃及其制造方法

说明书

本发明涉及非晶的金属合金，通常也称为金属玻璃，它是在合金熔体产生明显的均匀成核和结晶之前，将其冷却到其玻璃转变温度以下凝固而形成的。

近年来人们对在低温下非晶态或玻璃态的金属合金的形成很感兴趣。普通的金属和合金在从液相冷却时要结晶。但是，已经发现当冷却速度足够快时，某些金属和合金可以过冷并在室温下仍为极粘稠的液体或玻璃。通常要求冷却速度在10⁴-10⁶K/秒的量级。

为了达到这样快的冷却速度，使熔融金属的很薄层(如，小于100微米)或小液滴与保持在室温的导热基体接触。非晶材料的小的尺寸是要求以足够快的速度排出热量以便抑制结晶而产生的结果。因此，以前开发的非晶合金只能以薄带或片或者以粉末的形式获得。这种带、片或粉末可以通过在冷却的基体上熔体的离心铸造，使冷却的基体通过小的喷嘴而进行的薄层铸造，或使液滴在冷却的基体之间进行的“急冷”(“splat quenching”)而进行。

人们进行了很大的努力来寻找具有较大的抗结晶性的非晶合金，以便可以使用不太苛刻的冷却速度。若在较低的冷却速度下就可以抑制结晶，就可以制造较厚的非晶合金体。

非晶金属合金的形成一直面临的困难是过冷合金熔体结晶的趋势。结晶是通过晶体的成核和生长进行的。通常来说，过冷液体结晶很快。为了形成非晶的固态合金，人们必须将母材熔化，再在不发生结晶的前提下将液体从熔化温度T_m冷至玻璃转变温度T_g以下。

图1示意地说明了温度与时间的对数关系曲线图。图中指出了熔化温度T_m和玻璃转变温度T_g。一条列举的曲线a指出了以时间和温度为函数的晶化的起始点。为了形成非晶态固体材料，必须将合金从熔化温度以上冷却经过玻璃转变温度，而不与晶化曲线的尖端相交。该晶化曲线示意地表示了在一些最早形成金属玻璃的合金中结晶的开始。一般要求冷却速度超过10⁵通常为10⁶的量级。

图1中的第二条曲线b为后来研制的金属玻璃的结晶曲线。其形成非晶合金的冷却速率降低了一个或两个，甚至3个数量级，是一个相当显著的降低。第三条结晶曲线C示出了在本发明的实践中获得进一步的改进的数量级。结晶曲线的尖端向着时间延长轴方向移动了两或三个数量级。可获得低于10³K/秒的冷速，更好能低于10²K/秒。已经用低至2或3K/秒的冷速得到了非晶合金。

非晶合金的形成仅是问题的一部分。人们期望能够从非晶材料制成网状的部件和相当大尺寸的三维制品。为了加工或成形非晶合金，或将非晶态粉末固结成为具有好的机械整体性的三维制品。要求合金是可变形的。非晶合金仅在加热至靠近或超过玻璃转变温度时，在外加压力下发生基本的均匀形变。在该温度范围内一般又会观察到发生快速结晶。

再参照图1，如果将已经形成为非晶态固体的合金再加热至玻璃转变温度以上，在合金遇到结晶曲线之前存在一个很短的时间间隔。当使用制造的第一种非晶态合金时，将在几毫秒内遇到结晶曲线a，在玻璃转变温度以上进行机械成形基本上是不可能的。即使使用改进的合金，可用于加工的时间也是在几分之一秒到几秒之间。

图2是示意了在熔化温度和玻璃转变温度之间对处于过冷液体的非晶合金的温度和粘度的对数关系。玻璃转变温度通常认为是合金粘度在10¹²泊左右时的温度。另一方面，液态合金的粘度可以低于1泊(室温下水的粘度是大约1厘泊)。

从图2可以看出，非晶态合金的粘度在低温下逐渐降低，而在玻璃转变温度以上变化很快。温度仅增加5℃，粘度就可降低一个数量级。转好的是将非晶态合金的粘度降低至10⁵泊左右，以便在较低外力作用下就可进行变形。这意味着要加热至玻璃转变温度以上。适宜的非晶合金的加工时间(即从加热至玻璃转变温度以上到与图1中的晶化曲线相交的时间间隔)为几秒钟甚至更长时间，以便在发生明显的结晶之前有足够的时间来加热，操作，加工并冷却合金。因此，为了达到好的成形性，优选使结晶曲线向右移动，即向更长时间的方向移动。