CN115229195A - 一种纳米非晶态合金制备装置 - Google Patents
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Abstract
一种纳米非晶态合金制备装置,包括升降装置、样品仓装置、冷却装置、样品收集装置等。升降装置包括齿轮升降杆,驱动齿轮,驱动齿轮与齿轮升降杆啮合,齿轮升降杆升降带动样品仓升降;样品仓装置包括气体输送管,金属线材,样品仓壳体,喷头,将两根连续送进的金属线材作为自耗电极,在喷嘴端部产生电弧作为热源,利用压缩气体将熔融态金属雾化吹出;冷却装置包括冷却液,插板阀;样品收集装置包括阀门,样品收集室。吹出的金属雾化颗粒落入冷却液,冷凝后形成纳米非晶态合金。与其他方法相比,该方法简单易操作,绿色无污染,形成的纳米非晶态合金纯度高,合金种类和粒径尺寸可调节。
Description
技术领域
本发明涉及非晶态合金制备领域,特别涉及一种纳米非晶态合金制备装置。
技术背景
非晶态合金在原子结构上是典型的玻璃态,是一类具有长程无序、短程有序结构特点的材料,其具有极高的强度、硬度和良好的韧性,常被用于制作轮胎、传送带以及高压管道的增强纤维等。目前非晶态合金的制备方法有化学还原法、离子注入法和骤冷法等,其中骤冷法是指将熔融的金属或合金通过各种途径以至少105-106K/s的速度骤冷,使熔体中的原子未完成规则排列就完成凝固,从而使得液态金属的无序结构得以保持下来形成非晶态,通过这种方法可以很容易地大规模制备非晶态合金。
传统的骤冷法制备的非晶态合金比表面一般较小,制备出的材料均为薄片﹑粉末或者薄带,且粒径尺寸不可调节,反应装置复杂且要求高。此外,高温合金熔滴易与环境中气体如氧气等发生反应生成杂质,使制备的非晶态合金纯度不高,无法满足特定行业对非晶态合金纯度的要求。本发明针对上述问题,开发了一种纳米非晶态合金制备装置,通过调整双丝电弧喷头的高度、送丝速度、压缩气体流量,达到控制粒径尺寸。通过外置真空泵和气体输送管可以实现装置内部气体置换,确保装置内部反应环境为惰性环境,避免熔滴与环境气体发生反应。同时,在冷却池上方设置插板阀,隔绝前期不稳定的雾化颗粒,保证样品的纯度,通过调整金属线材种类,可以获得不同种类的非晶态合金,该制备方法简单,成本低,易操作,降温速率快。基于牛顿冷却定律,考虑熔滴速度、温度、直径等参数以及冷却液温度对熔滴冷却速率的影响,将熔滴简化为球形,采用冷却速率模型(1)推断非晶态合金的冷却速率,推断采用该非晶态合金制备装置制备非晶态合金的冷却速率约109-1010K/s,远高于105-106K/s。计算冷却速率模型如下:
dT/dt=9h(T-Ts)/Cpρ(T)d0 (1)
其中,h是熔滴和冷却液的界面传热系数,T是熔滴温度,Ts是冷却液的温度,Cp是熔滴定压比热,ρ(T)是融滴在温度为T时对应的密度,d0是熔滴的直径。
发明内容
为解决上述问题,本发明开发了一种纳米非晶态合金制备装置。本发明为解决上述技术问题提供一技术方案如下:一种纳米非晶态合金制备装置,包括升降装置、样品仓装置、冷却装置、样品收集装置等。具体包括齿轮升降杆(1),驱动齿轮(2),气体输送管(3)金属线材(4),外壳(5),智能控制面板(6),真空抽气口(7),冷却液(8),阀门(9),样品收集室(10),阀门手轮(11),插板阀(12),样品仓壳体(14),喷头(15),送丝轮(16),空气帽(17)喷嘴(18)。
其中,驱动齿轮与齿轮升降杆啮合,齿轮升降杆与样品仓连接,通过齿轮升降杆的升降,驱动样品仓升降。
其中,喷头中部与样品仓连接,样品仓的上下移动带动喷头,达到调整喷头高度的目的。
其中,智能控制面板设置在装置侧端,通过智能控制面板,可调节驱动齿轮转速,从而控制样品仓升降速度;同样可调节送丝轮转速,从而控制金属线材雾化速率。
其中,在装置侧端设置真空抽气口,通过外置真空泵可将本体真空度控制在10-7~10-4Pa。
其中,气体输送管设置在喷头中部位置,进气流量可控,即可通过调节进气流量调整金属雾化颗粒的喷出速率。
其中,装置下端设置冷却池,冷却池上端设置插板阀,插板阀存在的目的是隔绝前期不稳定的雾化颗粒,保证样品的纯度。
其中,冷却池下方设置样品收集室,待非晶态合金颗粒冷却完毕,打开阀门收集样品,以便于下一步样品处理。
其中,金属线材包括但不仅限于锌丝、铝丝、铝合金丝、铜丝、NiCrBSi合金丝、Ag-28Cu合金。
其中,冷却液包括但不仅限于液氮、液氨、冰盐浴、水。
其中,所述气体输送管提供的压缩气体压力不小于0.5MPa。
其中,所述送丝轮送丝速度为2-10m/min。
其中,所述金属线材直径为1-3mm,所述空气帽直径为5-15mm。
其中,所述两根金属线材端部空载电压为20-50V。
其中,所述喷头喷嘴与冷却液之间的高度为50-200mm。
本发明的有益效果:
(1)采用该纳米非晶态合金制备装置制备纳米非晶态合金的冷却速率约109-1010K/s,远高于105-106K/s,可以实现非晶态合金高效低成本制备。
(2)在装置侧端设置真空抽气口,通过外置真空泵和气体输送管可以实现装置内部气体置换,确保装置内部反应环境为惰性环境,避免熔滴与环境气体发生反应。
(3)装置右侧设置智能控制面板,根据制备纳米非晶合金所需条件的不同,调整制备参数,实现智能化控制。
(4)通过调整齿轮升降杆,带动样品仓和双丝电弧喷头升降,调整喷头高度,以实现调整非晶合金颗粒的粒径尺寸。
(5)在冷却池上方设置插板阀,可以隔绝前期不稳定的雾化颗粒,待吹出的雾化颗粒稳定后,开启插板阀,可以保证样品的纯度。
(6)在冷却池下方设置样品收集池收集纳米非晶合金样品,便于进行下一步样品处理。
附图说明:
图1是本发明所提供的一种纳米非晶态合金制备装置的结构示意图。
图2是本发明所提供的一种非晶态合金制备装置局部放大图。
附图标记:
齿轮升降杆(1),驱动齿轮(2),气体输送管(3),金属线材(4),外壳(5),智能控制面板(6),(7)冷却液换液口,冷却液(8),阀门(9),样品收集室(10),阀门手轮(11),插板阀(12),样品仓壳体(14),喷头(15),送丝轮(16),空气帽(17)喷嘴(18)。
具体实施方式
为了使本发明的目的,技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施实例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅图1-2,本发明提供一种纳米非晶态合金制备装置,包括升降装置、样品仓装置、冷却装置、样品收集装置等。
升降装置包括齿轮升降杆1,驱动齿轮2,驱动齿轮与齿轮升降杆啮合,齿轮升降杆升降带动样品仓升降;样品仓装置包括气体输送管3,金属线材4,14样品仓外壳,喷头15,将两根连续送进的金属线材作为自耗电极,在喷嘴端部产生电弧作为热源,利用压缩气体将熔融态金属雾化吹出;冷却装置包括冷却液8,插板阀12;样品收集装置包括阀门9,样品收集室10。吹出的金属雾化颗粒落入冷却液,冷凝后形成纳米非晶态合金。
在使用时:选择冷却液,在插板阀关闭的状态下,将冷却液注入装置,利用外置真空泵将本体真空度抽至10-7~10-4Pa,后联合气体输送管路对装置内气体置换2-3次。选择合适的金属线材,调整智能控制面板参数,设置送丝速度、压缩空气压力、喷头高度;打开设备运行开关,送丝轮开始送丝,两根连续送进的金属丝作为自耗电极,在18喷头端部产生电弧作为热源,利用压缩空气将熔化了的丝材雾化,并以高的速度喷出;待喷出雾化颗粒稳定后,打开插板阀,雾化颗粒高速喷向冷却液,待丝线反应完全,纳米非晶态合金冷却完毕后,打开阀门9,纳米非晶态合金和残余冷却液流入样品收集室10,将样品转移待进行下一步处理。
实施例1
以纳米非晶态NiCrBSi合金为例,选择液氮为冷却液,在插板阀关闭的状态下,将冷却液注入装置,利用外置真空泵将本体真空度抽至10-4Pa,后联合气体输送管路对装置内气体置换3次。设置空载电压为28V,选择直径为2mm NiCrBSi合金线材,调整智能控制面板参数,设置送丝速度为5m/min、压缩空气压力为0.5MPa、喷头距冷却液高度为60mm。打开设备运行开关,送丝轮开始送丝,两根连续送进的金属丝作为自耗电极,在喷头端部产生电弧作为热源,利用压缩空气将熔化了的锌铝丝材雾化,并高速喷出;待喷出雾化颗粒稳定后,打开插板阀,雾化颗粒高速喷向冷却液,待丝线反应完全,纳米非晶态合金冷却完毕后,打开阀门,纳米非晶态NiCrBSi合金和残余冷却液流入样品收集室,将样品转移待进行下一步处理,根据NiCrBSi合金参数(h=9×106W/m2·k,T=2300K,Ts=77.15K,Cp=620J/kg·k,ρ(T)=7000kg/m3),假设d0=200nm,计算冷却速率约为2.30×1010K/s。
实施例2
以纳米非晶Ag-28Cu合金为例,选择液氮为冷却液,在插板阀关闭的状态下,将冷却液注入装置,利用外置真空泵将本体真空度抽至10-5Pa,后联合气体输送管路对装置内气体置换2次。设置空载电压为30V,选择直径为1.5mm Ag-28Cu合金线材,调整智能控制面板参数,设置送丝速度为7m/min、压缩空气压力为0.7MPa、喷头距冷却液高度为80mm。打开设备运行开关,送丝轮开始送丝,两根连续送进的金属丝作为自耗电极,在喷头端部产生电弧作为热源,利用压缩空气将熔化了的铝镁丝材雾化,并高速喷出;待喷出雾化颗粒稳定后,打开插板阀,雾化颗粒高速喷向冷却液,待丝线反应完全,纳米非晶态合金冷却完毕后,打开阀门,非晶态Ag-28Cu合金和残余冷却液流入样品收集室,将样品转移待进行下一步处理,根据Ag-28Cu合金参数(h=2521J/m2·k,T=2298.15K,Ts=77.15K,Cp=30.76J/mol·k,ρ(T)=8.78×103kg/m3),假设d0=200nm,计算冷却速率约为1.77×109K/s。
上文中已参考实施例对本发明进行了描述,但在不脱离本发明范围的情况下,可以对其进行各种改进,并且可以用等效物替换其中的部件,只要不存在结构冲突,本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用,在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此,本发明并不局限于文中公开的特定实例,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (8)
1.一种纳米非晶态合金制备装置,其特征在于,包括:齿轮升降杆、驱动齿轮、气体输送管、金属线材、外壳、智能控制面板、真空抽气口,冷却液、阀门、样品收集室、阀门手轮、插板阀、样品仓壳体、喷头、送丝轮、空气帽和喷嘴;
所述驱动齿轮与齿轮升降杆啮合,齿轮升降杆与样品仓连接,通过齿轮升降杆的升降,驱动样品仓升降,所述喷头中部与样品仓连接,样品仓的上下移动带动喷头;所述气体输送管设置在喷头中部位置;
所述智能控制面板设置在装置侧端,通过智能控制面板调节驱动齿轮转速和送丝轮转速;
装置侧端设置有真空抽气口,将本体真空度控制在10-7~10-4Pa;所述装置下端设置冷却池,冷却池上端设置插板阀;所述冷却池下方设置样品收集室。
2.根据权利要求1所述一种纳米非晶态合金制备装置,其特征在于:金属线材包括但不仅限于锌丝、铝丝、铝合金丝、铜丝、NiCrBSi合金丝、Ag-28Cu合金。
3.根据权利要求1所述一种纳米非晶态合金制备装置,其特征在于:冷却液包括但不仅限于液氮、液氨、冰盐浴、水。
4.根据权利要求1所述一种纳米非晶态合金制备装置,其特征在于:所述气体输送管提供的压缩气体压力不小于0.5MPa。
5.根据权利要求1所述一种纳米非晶态合金制备装置,其特征在于:所述送丝轮送丝速度为2-10m/min。
6.根据权利要求1所述一种纳米非晶态合金制备装置,其特征在于:所述金属线材直径为1-3mm,所述空气帽直径为5-15mm。
7.根据权利要求1所述一种纳米非晶态合金制备装置,其特征在于:两根金属线材端部空载电压为20-50V。
8.根据权利要求1所述一种纳米非晶态合金制备装置,其特征在于:所述喷头喷嘴与冷却液之间的高度为50-200mm。
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