CN112008053B - 一种合金的制备装置及电流施加方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种合金的制备装置，其包括舱体、舱门、滑移装置、喷气装置、驱动装置以及计算机，驱动装置与计算机通讯连接；喷气装置从舱体的上部伸入舱体内部，喷气装置的底部连接有石英管，石英管的外部设置有感应线圈，感应线圈连接有感应电源；舱体内设置有卧式铜盘，卧式铜盘设置在感应线圈的下方，卧式铜盘的上表面为弧形，卧式铜盘内部设置有形状为L型的肋板，肋板的材料为绝缘材料，肋板将卧式铜盘分割为n层从而形成n‑1个铜盘圆圈。本发明结构简单，在非晶合金的制备过程种巧妙地分层施加脉冲电流，增加了晶化激活能，晶化时所需要克服的能量势垒越大，意味着抵抗晶化的能力提高，从而提高了非晶合金的热稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及合金制备领域，特别涉及一种合金的制备装置及电流施加方法。
背景技术
合金是一种金属与另一种或几种金属或非金属经过混合熔化，冷却凝固后得到的具有金属性质的固体产物，其中有一种特殊的合金称为非晶合金，非晶合金(又称金属玻璃)被偶然发现的一种新型非晶材料，非晶态物质是复杂的多体相互作用体系，其本质特征是原子和电子结构复杂，微观结构长程无序，体系在能量上处于亚稳态，具有复杂多变的多重弛豫行为，其物理、化学和力学性质会随着时间的推移而发生变化。不稳定、随机性和不可逆性是非晶物质的基本要素。非晶合金以其优异的力学性能被广泛关注，拥有着很好的发展前景。凭借着科研人员无穷的智慧，已经发明出了很多非晶材料的制备方法，并且制备方法不断地被完善。
目前使用的比较多的非晶合金制备方法是喷铸法，这种方法主要是依靠极高的冷却速率，使熔融金属迅速冷却得到非晶合金。但是研发人员在研发新的非晶合金时，需要对各种成分配比的合金进行制备，同时还要得出制备合金的最佳速度，这就要耗费大量的时间不断进行实验，而且制备出的非晶合金的性能不尽如人意。因此，为了解决现有的问题，可采用在制备过程中巧妙施加脉冲电流的新方法，提高非晶合金的热稳定性，缩短非晶合金的研发时间。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种合金的制备装置及电流施加方法，其结构简单，能够提高非晶合金的制备效率。并且，在非晶合金的制备过程种巧妙地施加脉冲电流，经过脉冲电流处理后，形成的非晶合金玻璃转变温度和玻璃转变表观激活能升高，意味着非晶合金由玻璃态向过冷液体转变的难度提高，从而形成的非晶合金热稳定性更高。
具体地，本发明提供一种合金的制备装置，其包括舱体、舱门、滑移装置、喷气装置、驱动装置以及计算机，所述驱动装置与所述计算机通讯连接；
所述舱门与所述舱体连接，所述舱体的底部设置有容纳所述滑移装置的空腔，所述舱体内部设置有舱体；
所述喷气装置从所述舱体的上部伸入所述舱体内部，所述喷气装置的底部连接有石英管，所述石英管的外部设置有感应线圈，所述感应线圈连接有感应电源；
所述舱体内设置有卧式铜盘，所述卧式铜盘设置在所述感应线圈的下方，所述卧式铜盘的上表面为弧形，所述弧形的弧度为16-17.5°，所述卧式铜盘内部设置有形状为L型的肋板，肋板的材料为绝缘材料，所述肋板将所述卧式铜盘均匀地分割为n层从而形成n-1个铜盘圆圈；
所述卧式铜盘的两端分别借助于一个伸缩杆与所述舱体的侧壁进行固定，所述卧式铜盘的两个端部分别设置有一个转辊，所述转辊借助于支撑悬臂与所述伸缩杆连接，所述转辊与所述支撑悬臂之间借助于固定轴连接，卧式铜盘两侧的转辊分别与脉冲电源的正极和负极连接，所述转辊通讯连接有控制板，所述控制板设置有n-1组数字控制器和电磁开关，每一组数字控制器和电磁开关控制一个铜盘圆圈的脉冲电流的通入和断开；
所述舱体的底部设置所述驱动装置，所述驱动装置的输出轴连接有传动轴的第一端，所述传动轴的第二端与所述卧式铜盘连接。
优选地，所述卧式铜盘的底部设置有固定板。
优选地，n为4-5。
优选地，转辊与卧式铜盘的接触位置以及支撑悬臂均设置有绝缘材料。
优选地，所述滑移装置包括底座、滑块、滑轨、位移传感器和电机，所述滑块安装在滑轨上，所述滑块在电机驱动装置的驱动下在滑轨上移动，从而带动卧式铜盘平移，所述电机的输出轴连接两个滑轨，每一个滑轨上分别设置有一个滑块，所述底座安装在所述滑块上并与所述舱体的底部连接，每一个滑块分别设置有一个位移传感器。
优选地，本发明还提供一种电流施加方法，其包括以下步骤：
S1、卧式铜盘两侧的转辊分别与脉冲电源正极和负极连接，转辊内的每一组数字控制器和电磁开关对应控制着卧式铜盘上每个铜盘圆圈的脉冲电流的通入和断开；
S2、工作时，开启脉冲电源，设置合适的脉冲电流参数，当熔融的合金被喷射到卧式铜盘的圆圈上时，通过计算机给对应圆圈的数字控制器发送信号，控制电磁开关的闭合与断开，使脉冲电流在卧式铜盘的对应圆圈内流通，卧式铜盘、转辊和脉冲电源形成一个闭合回路；
S3、确定合金的最佳制备速度：滑块在电机的驱动下在滑轨上移动并带动卧式铜盘平移，伸缩杆进行伸缩，从而实现在卧式铜盘转速恒定的情况下，得到不同线速度下制备的合金，根据制备过程中的实际对流换热情况，由对流换热方程式：
可知速度μ越快，对流换热量Q也越大，合金的冷却速度越快，通过比较不同速度下制备出的合金的性能，得到合金的最佳制备速度；对流换热方程式中，Q为对流换热量；h为传热系数；A为换热面积；tw为空气温度；t∞为表面温度；μ为速度；ν为运动粘度；Pr为普朗特数；λ为空气物性参数；l为特征尺寸；
S4、根据步骤S3得到的合金的最佳制备速度重复步骤S2，并根据Kissinger方程计算合金的表观激活能E：
其中，β为升温速率；T为特征温度；R为气体常数；v0为频率因子；
之后对合金表观激活能E进行验证，判断合金表观激活能E是否增加，验证结果证明得到的合金的表观激活能增加，非晶合金的热稳定性得到提升。
与现有技术相比，本发明的效果如下：
(1)本发明设置转辊实现了对卧式铜盘施加脉冲电流。卧式铜盘上表面呈弧形，能够使形成的非晶合金更容易地受到离心力被甩出卧式铜盘，卧式铜盘上表面被肋板分成了三至四圈，肋板为绝缘材料，实现圈与圈之间的绝缘。
(2)本发明设置滑块和滑轨可以控制卧式铜盘在工作时平移，实现制备同一转速下不同线速度的非晶合金，简化了制备过程，提高非晶合金的制备效率，通过比较不同速度下制备出的非晶合金性能，得到最佳制备非晶合金的转速和速度。
(3)本发明在非晶合金的制备过程种巧妙地施加脉冲电流，经过脉冲电流处理后，通过计算得到其晶化激活能增加，所以晶化时所需要克服的能量势垒越大，意味着抵抗晶化的能力提高，从而提高了非晶合金的热稳定性。
附图说明
图1是本发明装置一个优选实施例的总体结构图；
图2是本发明装置一个优选实施例的卧式铜盘和转辊立体图；
图3是本发明装置一个优选实施例的卧式铜盘和转辊剖面图；
图4是本发明装置一个优选实施例的滑块和滑轨立体图；
图5是本发明装置一个优选实施例的转辊剖面放大图；以及
图6是本发明装置一个优选实施例的肋板立体图。
图中部分附图标记如下：
1-石英管；2-感应线圈；3-卧式铜盘；4-转辊；5-伸缩杆；6-固定板；7-传动轴；8-驱动装置；9-滑移装置；10-舱门；11-脉冲电源；12-舱体；13-固定轴；14-支撑悬臂；15-感应电源；16-喷气装置；17-计算机；18-肋板；19-轴承；20-脉冲电源正极；21-脉冲电源负极；22-绝缘材料；23-滑轨；24-滑块；25-位移传感器；26-电机；27-1号数字控制器；28-1号电磁开关；29-2号数字控制器；30-2号电磁开关；31-3号数字控制器；32-3号电磁开关；301-1号圈；302-2号圈；303-3号圈。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明提供一种合金的制备装置，其包括舱体12、舱门10、滑移装置9、喷气装置16、驱动装置8以及计算机17，驱动装置8与计算机17通讯连接。
舱门10与舱体12连接，舱体12的底部设置有容纳滑移装置的空腔，舱体12内部设置有舱体12。
喷气装置从舱体12的上部伸入舱体12内部，喷气装置的底部连接有石英管1，石英管1的外部设置有感应线圈2，感应线圈2连接有感应电源15。
舱体12内设置有卧式铜盘3，卧式铜盘3设置在感应线圈2的下方，卧式铜盘3的上表面为弧形，弧形的弧度为16-17.5°，优选地，弧形的弧度为17.5°。卧式铜盘3内部设置有截面形状为L型的肋板18，肋板的材料为绝缘材料，肋板将卧式铜盘分割为n层从而形成n-1个铜盘圆圈。
卧式铜盘3的两端分别借助于一个伸缩杆与舱体12的侧壁进行固定，卧式铜盘的两个端部分别设置有一个转辊4，转辊4借助于支撑悬臂与伸缩杆连接，转辊与支撑悬臂之间借助于固定轴连接，卧式铜盘两侧的转辊分别与脉冲电源的正极和负极连接，转辊4通讯连接有控制板，控制板设置有n-1组数字控制器和电磁开关，每一组数字控制器和电磁开关控制一个铜盘圆圈的脉冲电流的通入和断开。
舱体12的底部设置驱动装置，驱动装置的输出轴连接有传动轴的第一端，传动轴的第二端与卧式铜盘连接。
具体实施例一
石英管1安装在喷气装置16上，驱动装置8与传动轴7相连，卧式铜盘3安装在传动轴7顶端，并借助固定板6固定，卧式铜盘3上表面呈弧形，弧形的弧度为17.5°，这样能使形成的合金更好地受到离心力作用被甩出卧式铜盘3。
卧式铜盘3中设置了截面形状为L型的肋板18，肋板18的材料为绝缘材料22，肋板18把卧式铜盘3的上表面分成了1号圈301、2号圈302和3号圈303，目的是可以在同一转速下制备不同线速度下的合金，并且肋板18间接地把卧式铜盘3分成了四层，实现圈与圈之间的绝缘，转辊4是方形的，可以与卧式铜盘3完全啮合，其主要目的是实现对卧式铜盘3施加脉冲电流，同时使卧式铜盘3定位，转辊4数量为两个，对称分布在卧式铜盘3左右两侧，转辊4与卧式铜盘3相应的接触位置也采用绝缘材料22分层，其中左侧转辊4内安装了1号数字控制器27、1号电磁开关28、2号数字控制器29、2号电磁开关30、3号数字控制器31和3号电磁开关32，目的是为了实现对卧式铜盘3上的每个圈单独施加脉冲电流。
转辊4通过轴承19与固定轴13连接，工作时固定轴13是不动的，转辊4随着卧式铜盘3转动，脉冲电源正极20和脉冲电源负极21分别与两根固定轴13连接，固定轴13与支撑悬臂14连接，支撑悬臂14为绝缘材料22，支撑悬臂14与伸缩杆5连接。
卧式铜盘3的驱动装置8固定在滑块24上，位移传感器25也安装在滑块24上，在工作时，计算机17通过给位移传感器25传输信号，能够精确控制滑块24移动的距离，滑块24安装在滑轨23上，滑块24在电机26的驱动下在滑轨23上移动，从而带动卧式铜盘3平移，同时伸缩杆5进行伸缩，从而实现在卧式铜盘3转速恒定的情况下，得到不同线速度下制备的合金，根据制备过程中的实际对流换热情况，利用对流换热方程式：
本发明方法由以下步骤实现：
(1)卧式铜盘3两侧的转辊分别与脉冲电源正极20和负极21连接，其中，1号电磁开关27和1号数字控制器28控制卧式铜盘3上1号圈301内的脉冲电流的流通，2号电磁开关29和2号数字控制器30控制卧式铜盘3上2号圈302内的脉冲电流的流通，3号电磁开关31和3号数字控制器32控制卧式铜盘3上3号圈303内的脉冲电流的流通；
(2)开启脉冲电源11，设置合适的脉冲电流参数，并根据上述步骤的的的合金最佳制备速度在卧式铜盘3上的1号圈301内制备非晶合金，通过计算机17给1号数字控制器27发送信号，控制1号电磁开关28的闭合与断开，使脉冲电流在卧式铜盘3上的3号圈301内流通，卧式铜盘3、转辊4和脉冲电源11形成一个闭合回路，脉冲电流作用时，非晶合金部分区域的温度会急剧升高和降低，产生局部应力，会促进原子的短程移动和重排，使非晶合金发生弛豫现象，根据Kissinger方程计算表观激活能E：
经计算得到的表观激活能增加，从而增加了非晶合金的热稳定性，由于脉冲电流产生的应力比较小，不足以使原子进行长程扩散，所以合金经过脉冲电流处理后仍然是非晶结构。
(3)脉冲电流参数设置如下表：
表1脉冲电流参数
本发明在非晶合金的制备过程种巧妙地施加脉冲电流，经过脉冲电流处理后，形成非晶合金时的晶化激活能增加，所以晶化时所需要克服的能量势垒越大，意味着抵抗晶化的能力提高，从而非晶合金的热稳定性更高。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种合金的制备装置，其特征在于：其包括舱体、舱门、滑移装置、喷气装置、驱动装置以及计算机，所述驱动装置与所述计算机通讯连接；
所述舱门与所述舱体连接，所述舱体的底部设置有容纳所述滑移装置的空腔，所述舱体内部设置有空腔；
所述喷气装置从所述舱体的上部伸入所述舱体内部，所述喷气装置的底部连接有石英管，所述石英管的外部设置有感应线圈，所述感应线圈连接有感应电源；
所述舱体内设置有卧式铜盘，所述卧式铜盘设置在所述感应线圈的下方，所述卧式铜盘的上表面为弧形，所述弧形的弧度为16-17.5°，所述卧式铜盘内部设置有截面形状为L型的肋板，肋板的材料为绝缘材料，所述肋板将所述卧式铜盘均匀地分割为n层从而形成n-1个铜盘圆圈；
所述卧式铜盘的两端分别借助于一个伸缩杆与所述舱体的侧壁进行固定，所述卧式铜盘的两个端部分别设置有一个转辊，所述转辊借助于支撑悬臂与所述伸缩杆连接，所述转辊与所述支撑悬臂之间借助于固定轴连接，卧式铜盘两侧的转辊分别与脉冲电源的正极和负极连接，所述转辊通讯连接有控制板，所述控制板设置有n-1组数字控制器和电磁开关，每一组数字控制器和电磁开关控制一个铜盘圆圈的脉冲电流的通入和断开；
所述舱体的底部设置所述驱动装置，所述驱动装置的输出轴连接有传动轴的第一端，所述传动轴的第二端与所述卧式铜盘连接。
2.根据权利要求1所述的合金的制备装置，其特征在于：所述卧式铜盘的底部设置有固定板。
3.根据权利要求1所述的合金的制备装置，其特征在于：n为4-5。
4.根据权利要求1所述的合金的制备装置，其特征在于：转辊与卧式铜盘的肋板处的相应接触位置以及支撑悬臂均为绝缘材料。
5.根据权利要求1所述的合金的制备装置，其特征在于：所述滑移装置包括底座、滑块、滑轨、位移传感器和电机，所述滑块安装在滑轨上，所述滑块在电机驱动装置的驱动下在滑轨上移动，从而带动卧式铜盘平移，所述电机的输出轴连接两个滑轨，每一个滑轨上分别设置有一个滑块，所述底座安装在所述滑块上并与所述舱体的底部连接，每一个滑块分别设置有一个位移传感器。
6.基于权利要求1所述的合金的制备装置进行电流施加的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、卧式铜盘两侧的转辊分别与脉冲电源正极和负极连接，转辊内的每一组数字控制器和电磁开关对应控制着卧式铜盘上每个铜盘圆圈的脉冲电流的通入和断开；
S2、工作时，开启脉冲电源，设置合适的脉冲电流参数，当熔融的合金被喷射到卧式铜盘的圆圈上时，通过计算机给对应圆圈的数字控制器发送信号，控制电磁开关的闭合与断开，使脉冲电流在卧式铜盘的对应圆圈内流通，卧式铜盘、转辊和脉冲电源形成一个闭合回路；
S3、确定合金的最佳制备速度：滑块在电机的驱动下在滑轨上移动并带动卧式铜盘平移，伸缩杆进行伸缩，从而实现在卧式铜盘转速恒定的情况下，得到不同线速度下制备的合金，根据制备过程中的实际对流换热情况，由对流换热方程式：
可知速度
越快，对流换热量Q也越大，合金的冷却速度越快，通过比较不同速度下制备出的合金的性能，得到合金的最佳制备速度；对流换热方程式中，Q为对流换热量；h为传热系数；A为换热面积；
为空气温度；
为表面温度；
为速度；
为运动粘度；Pr为普朗特数；
为空气物性参数；l为特征尺寸；
S4、根据步骤S3得到的合金的最佳制备速度重复步骤S2，并根据Kissinger方程计算合金的表观激活能E：
；
其中，
为升温速率；T为特征温度；R为气体常数；
为频率因子；
之后对合金表观激活能E进行验证，判断合金表观激活能E是否增加，验证结果证明得到的合金的表观激活能增加，非晶合金的热稳定性得到提升。
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