DK167215B1 - Indretning til fremstilling af amorfe keramikmaterialer eller metallegeringer - Google Patents

Description

DK 167215 B1

Opfindelsen angår en indretning til fremstilling af amorfe keramikmaterialer eller metallegeringer, med en højtryk-autoklav, hvori et materialeemne først bliver opvarmet til smeltetemperatur ved hjælp af en la-5 serstråle og derefter bliver hurtigt afkølet, hvorved en behandlingsposition ligger i skæringspunktet for mindst to laserstråler, der med henblik på opvarmning af emnet kan trænge ind i autoklaven gennem vinduer.

Amorfe metallegeringer, som også kaldes metal-10 lisk glas, har været kendt i omtrent 20 år. Der forstås herved et ikke krystallinsk størknet legeme, der har en uordnet struktur, som kan fremkomme ved afkøling af en smelte. Afkølingen skal ske med stor hastighed (i størrelsesordenen 10^ K/sekund) til en temperaturvær-15 di, hvor krystallisation ikke længere er mulig.

Sådanne amorfe substanser udviser nye mekaniske, elektriske og kemiske egenskaber, som ikke kan opnås med de tilsvarende krystallinske varianter.

Den store afkølingshastighed af det smeltefly-20 dende materiale er afgørende for fremstillingen af sådanne amorfe substanser. Der kendes en metode, hvor smeltegodset fra en induktivt opvarmet smeltedigel flyder ud på omkredsen af en om en vandret akse drejende kobberskive med båndafstryger. Det er også muligt at 25 indføre smeltegodset mellem to om vandrette akser drejende, smalle kobberskiver eller anbringe det på skivefladerne af en kobberskive, som drejer om sin lodrette akse.

Det er også tidligere foreslået, at holde elek-30 trisk ledende smeltegods magnetisk og beholderløst svævende, og opvarme dette således induktivt, at urenheder fra smeltediglen ikke kan påvirke legeringen. Endvidere er der i rumfartsforsøg foretaget opvarmning ved hjælp af laserstråler af dråber af et ikke ledende materiale 35 uden smeltedigel. Dråberne blev i rummet holdt i en defineret position ved hjælp af luftdyser.

DK 167215 B1 2

Fra DE-A-20 32 577 kendes en fremgangsmåde til smeltning af varmfaste materialer ved hjælp af mindst to gennem et vindue i en behandlings autoklav på et emne rettede laserstråler, der fortrinsvis finder sted i 5 et gravitationsfrit rum.

Rent bortset fra de omkostninger, der er forbundet med forlægningen af produktionen af sådanne legeringer til verdensrummet, er der endnu ikke fundet en tilfredsstillende løsning på problemerne med emneposi-10 tioneringen og emnestabiliteten. Opfindelsens formål er at anvise en indretning til fremstilling af amorfe substanser, som i jordens tyngdefelt tillader fremstilling med stor renhed af sådanne amorfe substanser, endog fremstilling af elektrisk ikke-ledende substanser. Den-15 ne opgave løses ved hjælp af den i patentkrav 1 angivne indretning. Med hensyn til træk ved foretrukne udførelsesformer for opfindelsen henvises der til de afhængige krav.

Herefter beskrives en foretrukken udførelses-20 form for opfindelsen nærmere med henvisning til tegningen, der skematisk og i perspektiv viser en indretning ifølge opfindelsen.

Indretningen omfatter som væsentligt element en autoklav 1 med i det væsentlige cylindrisk facon, i 25 hvis midtpunkt der er en behandlingsposition 2, dvs. et sted, hvor et kugleformigt emne kan afkøles og opvarmes. Emnet kommer fra en kugletilførselsindretning 3, som er påbygget autoklaven 1 i aksial forlængelse heraf, og som enkeltvis efter hinanden holder en følge 30 af kugler eller emner med den ønskede legeringssammensætning klar til transporten til behandlingspositionen 2. Til dette formål har denne indretning en skridtmotor 4 og en af denne drevet enkeltafgiverskive 5 samt et hult skaft 6, gennem hvilket en fra et maga-35 sin 7 frigivet kugle kan falde ned i behandlingspositionen 2.

DK 167215 B1 3 På den i forhold til kugletilførselsindretningen 3 modsatte side af behandlingspositionen er der på autoklaven 1 påbygget et hus 8, der har en beholder 9 til opfangning af færdige emner samt en løf-5 temotor 10, som gennem en spindel 11 bærer en akustisk resonans-levitationsindretning 12. Sidstnævnte befinder sig under behandlingspositionen 2 og har flere elektrisk aktiverbare piezokeramikskiver.

Mellem behandlingspositionen 2 og levitations-10 indretningen 12 er der endvidere en akustisk gennem-trængelig fangkurv 26, og ovenover behandlingspositionen er indføjet en reflektorskive 13, gennem hvis centrale hul kuglen kan tilføres fra magasinet 7. De fra levitationsindretningen udgående lydbølger bliver 15 reflekteret i en resonansdygtig afstand fra reflektorskiven 13, så at der muliggøres en nøjagtig, stationær, stabil, reproducerbar og svingningsfri positionering af kuglen, uden at kuglen bliver forurenet ved kontakt med en væg. Denne fremgangsmåde arbejder ved 20 autoklav-tryk fra 10 bar til 1000 bar og ved temperaturer fra 1000 K til 4000 K og højere samt med passende inaktive gasarter og muliggør den berøringsfri fastholdelse af både metalliske og også elektrisk ikke ledende materialer. Kuglediameteren kan ligge på mellem 25 0,2 og 2 mm, og levitationsforløbet kan være passende udstrakt og kræver kun en ringe effekt, omtrent som svarende til elektromagnetisk induktionslevitation. Gennem efterindstilling af løftemotoren 10 kan kuglen leviteres nøjagtigt ind i behandlingspositionen.

30 Opvarmningen af en kugle i behandlingspositio nen 2 sker ved hjælp af to laserstråler 14 og 15, der kan afledes fra en fælles Nd-YAG-generator. Hver af de to laserstråler bliver over et stråledelespejl 16 og 17 opdelt i to stråler, som over et omlednings-35 spejl 18 og gennem vinduet 19 i autoklaven l's væg bliver rettet mod behandlingspositionen 2, og på DK 167215 B1 4 en sådan måde, at overfor hinanden liggende stråler ikke blænder og dermed ikke ødelægger generatorerne med blændlys. Fortrinsvis forløber hver af de to laserstråler langs kanterne af to tænkte, overfor hinanden 5 liggende, firsidede pyramider, hvis spidser er dannet af behandlingspositionen og hvis kanter går over i hinanden. Hver af de to til en pyramide hørende laserstråler ligger i et område, der står vinkelret på et tilsvarende område for de andre laserstråler.

10 Ligeledes rettet hen mod behandlingspositionen, men stående vinkelret på autoklavens akse, er der indbyrdes flugtende og bevægeligt lejret to stempler 20 og 21, hvis endeflader kan virke som kølehoveder og ligger diametralt overfor hinanden på hver sin side af 15 behandlingspositionen. Føringskanalen for stemplet 20 eller 21 er tæt indbygget i autoklaven l's væg og befinder sig under dennes hydrostatiske gastryk. Gennem samtidig påsætning af en elektrisk impuls til på stemplerne indvirkende spoler 22 og 23, accelereres 20 de to stempler mod hinanden, og de støder mod hinanden med en sammenstødshastighed på eksempelvis 12,0 m pr. sekund. Derved bliver en smelteflydende kugle, der befinder sig i behandlingspositionen, mast mellem stemplernes endeflader og afkølet med høj hastighed (større 25 end 106 K pr. sekund), og kuglen bliver presset til en flad cylinder med en tykkelse på fra 10 til 50 pm. Afkølingshastigheden kan varieres ved hjælp af accelerationsdistancen .

For nøje at kunne følge og i givet fald påvirke 30 processen er der et seksbølgelængde-pyrometer 24, som gennem et yderligere vindue 25 i autoklavvæggen er rettet mod behandlingspositionen, og som tillader kontinuerlig måling af temperaturer mellem 1200 og 5000 K.

Det udnytter eksempelvis lysbølgelængderne 500 nm, 35 600 nm, 680 nm, 800 nm, 960 nm og 1040 nm. Apparatet kan udføre en måling på mikrosekunder og har rumligt DK 167215 B1 5 med henseende til den minimale målefladestørrelse en opløsning på 50 pm. Et sådant pyrometer er beskrevet i tidsskriftet Temperature, 1982, bind 5, side 439-446.

En ikke vist elektronisk styreenhed koordinerer 5 funktionen af lasergeneratorerne, levitationsindretningen og afkølingsstemplerne på følgende måde: Først bliver tilførselsindretningen 3's kuglemagasin 7 fyldt med omtrent 50 kugleformige prøveemner, og derefter lukkes det gastæt. Derefter fyldes 10 autoklaven med en for processen egnet gas og bringes op på det ønskede tryk. Dernæst bliver en emnekugle gennem betjening af motoren 4 bragt ind i tilførselskanalen 6, hvorfra den falder ned i fangkurven 26 umiddelbart under behandlingspositionen 2. Hvis der nu tæn-15 des for den piezokeramiske levitationsindretning 12, så bringes emnet ind i behandlingspositionen i en svævende tilstand, der om nødvendigt kan ændres gennem efter justering ved hjælp af løftemotoren 10. Så aktiveres begge laserne 14 og 15 kortvarigt og samtidigt, 20 idet impulsvarigheden og impulsenergien afhænger af den ønskede temperatur. Derved smelter emnet i løbet af en reproducerbar kort tid, så at spolerne 22 og 23 nu kan aktiveres, og stemplerne 20 og 21 kan mase det smelteflydende emne mellem sig. Efter hurtig tilbage-25 føring af stemplerne og slukning af levitationsindret-ningen falder det færdige emne gennem en tragt i opsamlingsbeholderen 9 i indretningens nedre del.

Hele forløbet kan følges gennem pyrometeret 24.

Dernæst kan det andet emne straks føres ud af 30 magasinet 7 og ind i behandlingspositionen 2 og dér bearbejdes på tilsvarende vis.

Det skal bemærkes, at fremstillingen af et emne kun tager brøkdele af et sekund, og at der uden afbrydelse kan fremstilles lige så mange emner, som maga-35 sinet 7 og opfangningsbeholderen 9 kan indeholde. Gennem optimering af det tidslige forløb mellem op-

Claims (6)

1. Indretning til fremstilling af amorfe keramikmaterialer eller metallegeringer, med en højtryksautoklav (l), hvori et materialeemne først bliver opvarmet til smeltetemperatur ved hjælp af en laserstråle 20 og derefter bliver hurtigt afkølet, hvorved en behandlingsposition (2) ligger i skæringspunktet for mindst to laserstråler (14, 15), der med henblik på opvarmning af emnet kan trænge ind i autoklaven gennem vinduer (19), kendetegnet ved, 25 at der under behandlingspositionen (2), hvori emnet kan opvarmes og afkøles, ligger en akustisk levitations indretning (12), der er udformet som en piezo-elektrisk drevet lydkilde, og som kan holde emnet berøringsfrit i behandlingspositionen, og 30 at der i autoklaven (1) er to overfor hinanden på hver sin side af behandlingspositionen liggende stempler (20, 21), der elektromagnetisk kan stødes hen mod hinanden for at mase og dermed hurtigt afkøle emnet mellem sig.

2. Indretning ifølge krav l, kendeteg net ved, at behandlingspositionen (2) ligger i skæ- DK 167215 B1 ringspunktet mellem fire laserstråler, hvor hver laserstråle forløber langs en kant af en tænkt, firesidet pyramide.

3. Indretning ifølge krav 2, kendeteg- 5 net ved, at hvert par af to overfor hinanden liggende laserstråler er afledt fra en fælles lasergenerator.

4. Indretning ifølge et af kravene 1-3, kendetegnet ved, at et flerebølgelængde-pyrometer (24) er rettet mod behandlingspositionen (2) gennem et 10 vindue (25) i autoklavens væg.

5. Indretning ifølge et af kravene 1-4, kendetegnet ved en programmerbar sekvensstyreen-hed, som styrer lasergeneratoren, levitationsindret-ningen (12) og stemplerne (20, 21).

6. Indretning ifølge et af kravene 1-5, ken detegnet ved, at der mellem levitationsindret-ningen (12) og behandlingspositionen (2) er en akustisk gennemtrængelig fangkurv.