陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置及方法，本裝置為陣列式高通量制備裝置且包括進排氣口等，將坩堝和冷卻水水冷的銅模作為一個模塊，將12?21個模塊整合在一臺裝置中，共用一套電磁感應設備和水冷設備，利用電磁感應對各個坩堝中的合金進行加熱熔化、熔體攪拌及熔體凈化，待熔體制備完成后利用壓差成型的方式將金屬液注入冷卻水水冷的銅模，同時制備出多個不同成分的非晶塊體材料。本裝置和技術可將非晶塊體材料的制備效率提高10倍以上，同時大幅度降低了合金制備的分攤成本，特別適用于實驗室進行非晶合金的研究。
【專利說明】
陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置及方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及合金制備技術領域，特別是涉及一種陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置及方法。
【背景技術】
[0002]非晶合金具有獨特的長程無序結構，因此比傳統(tǒng)的晶態(tài)合金具有更為優(yōu)異力學性能、良好的耐腐蝕性能、很高的彈性極限、優(yōu)良的軟磁性能、更高的活化性能等，使其在機械、電子、化工等各個行業(yè)均具有巨大的應用潛力。自從上世紀六十年代非晶合金首次被制備成功以來，制備大尺寸非晶合金就成為材料領域研究的重點研究方向之一。經過幾十年的努力，人們通過制備技術的發(fā)展，以及非晶合金成分設計的探索，已經能夠制備出直徑超過72mm的大塊非晶合金和長達數十厘米的非晶合金管。影響塊體非晶合金形成的成分因素有:合金中原子的鍵合特征、電子結構、原子尺寸的相對大小、各組元的相對含量、合金的熱力學性質以及相應的晶態(tài)結構等。研究者根據實驗總結出非晶形成的三條規(guī)律(MaterialTransact1n JIM, 38, 185-188，Inoue A, et al., 1997): 一是合金由三種以上組元構成;二是各組元原子尺寸差大于12%;三個組元具有負的混合熱。經過大量的實驗研究，一系列新的非晶合金被開發(fā)出來，目前，已經開發(fā)出來的塊體非晶合金材料體系有La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pd基、Fe基、Cu基、Ce基等。但是目前還沒有關于非晶形成的完整理論來進行合金成分設計和預測非晶形成能力，主要依靠大量實驗探索。另一方面，非晶合金材料的制備技術也是制約非晶合金材料規(guī)模應用的關鍵技術之一。目前制備塊狀非晶合金的方法主要有水淬法、真空吸鑄法、高壓鑄造法、定向凝固法、液態(tài)模鍛法等。然而上述各個方法都是一次只能制備一個合金，效率低、成本高，無法滿足塊狀非晶合金大量實驗研究的需要。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置及方法，其合金加熱速度快、溫度可控性強、熔體成分均勻、雜質去除效果好，大幅度降低非晶合金制備的成本，顯著提升非晶合金制備效率，非晶塊體材料的制備效率可以提高10倍以上。
[0004]本發(fā)明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的:一種陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置，其包括:
進排氣口，用于通入高純氬氣；
真空高壓室，為圓柱形不銹鋼容器，與銅模相連并密封，用于放置坩禍和電磁感應線圈；
電磁感應線圈，對合金進行加熱熔化及熔體凈化；
坩禍，用于盛放合金，是加熱熔化、熔體攪拌及熔體凈化的容器；
銅模，與坩禍相連，用于冶煉完成的合金熔體澆鑄，制備非晶合金棒；
銅模底蓋，與銅模相連，用于防止合金熔體從銅模中流出； 密封墊圈，位于銅模與銅模底蓋之間，保證兩者之間的連接處無縫隙，保證密封性； 冷卻水，用于冷卻銅模，帶走熱量；
水套，盛放冷卻水的容器，在熔煉合金澆鑄的同時將銅模浸沒在里面，起到冷卻銅模，帶走熔煉合金凝固的熱量的作用，實現(xiàn)快速冷卻。
[0005]優(yōu)選地，所述坩禍材料為無機非金屬，直徑為20?30mm，坩禍材料種類包括Al2O3、Si02、BaZr03、Zr02、Ca0、石墨，用于適應不同合金成分。
[0006]優(yōu)選地，所述陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置采用電磁感應技術。
[0007]優(yōu)選地，所述進排氣口聯(lián)通高壓氬氣瓶以及真空栗，在熔煉階段，真空高壓室內為高真空環(huán)境，以確保合金熔煉環(huán)境的清潔;在澆鑄階段，真空高壓室內為高壓氬氣環(huán)境，以實現(xiàn)合金熔體的加壓鑄造。
[0008]優(yōu)選地，所述冷卻水水冷的銅模的冷卻速度50?200°C/s，冷卻水水冷的銅模芯的直徑為2-8mm。
[0009]優(yōu)選地，所述進排氣口位于真空高壓室的頂端，電磁感應線圈位于坩禍的外側，坩禍位于真空高壓室內，銅模的一部分位于坩禍的底端且位于真空高壓室內，銅模的另一部分位于水套內且與銅模底蓋連接，密封墊圈位于銅模底蓋內，冷卻水位于水套內。
[0010]優(yōu)選地，所述坩禍內設有熔煉合金。
[0011]本發(fā)明還提供一種陣列式塊體非晶合金的高通量制備方法，其包括以下步驟: 步驟一，將不同成分設計的合金組元按配比稱量后放入坩禍中，通過電磁感應線圈將合金迅速熔化，由于表面張力使液態(tài)合金不會自動滴漏；
步驟二，在合金熔化后，通過改變電磁場參數，在加熱的同時，對合金熔體進行攪拌，使成分充分均勻化，并促使熔體中雜質和夾雜物上浮分離；
步驟三，熔體制備完成后，將銅模浸沒在盛有冷卻水的水套中，從坩禍上部通過進排氣口通入0.1?1.0MPa的高純氬氣，將合金熔體壓入冷卻水水冷的銅模中，在50?200°C/s的冷卻速度下得到不同成分的非晶合金棒。
[0012]本發(fā)明的積極進步效果在于:本發(fā)明采用了陣列式裝置和高通量制備技術，解決了傳統(tǒng)裝置一次只能制備一個樣品的問題，可同時制備出12?21種非晶塊體材料，可以大幅度降低非晶合金制備的成本，顯著提升非晶合金制備效率，非晶塊體材料的制備效率可以提高1倍以上。本發(fā)明采用電磁感應加熱技術，具有合金加熱速度快、溫度可控性強、熔體成分均勻、雜質去除效果好、冷卻水水冷的銅模不被直接加熱等優(yōu)點，尤其是利用電磁感應對熔體進行電磁攪拌及熔體凈化，能夠抑制熔體的非均勻形核，強化熔體的非晶形成能力，有利于非晶合金的形成。此外由于采用的熔煉和澆鑄條件完全一致，制備得到的不同合金之間的對比可完全歸結為合金成分的影響，非常有利于系統(tǒng)進行非晶合金的非晶化機理研究。
【附圖說明】
[0013]圖1為熔煉模塊單元結構示意圖。
[0014]圖2為單一熔煉模塊單元工作狀態(tài)下結構示意圖。
[0015]圖3為單元陣列式塊體非晶高通量制備裝置的單元布置示意圖。
[0016]圖4為單元陣列式塊體非晶高通量制備裝置工作狀態(tài)下結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術方案。
[0018]如圖1至4所示，本發(fā)明陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置包括進排氣口1、真空高壓室3、電磁感應線圈4、坩禍5、銅模6、密封墊圈7、銅模底蓋8、冷卻水9、水套1，其中:
進排氣口，用于通入高純氬氣；
真空高壓室，為圓柱形不銹鋼容器，與銅模相連并密封，用于放置坩禍和電磁感應線圈；
電磁感應線圈，對合金進行加熱熔化及熔體凈化；
坩禍，用于盛放合金，是加熱熔化、熔體攪拌及熔體凈化的容器；
銅模，與坩禍相連，用于冶煉完成的合金熔體澆鑄，制備非晶合金棒；
銅模底蓋，與銅模相連，用于防止合金熔體從銅模中流出；
密封墊圈，位于銅模與銅模底蓋之間，保證兩者之間的連接處無縫隙，保證密封性； 冷卻水，用于冷卻銅模，帶走熱量；
水套:盛放冷卻水的容器，在熔煉合金澆鑄的同時將銅模浸沒在里面，起到冷卻銅模，帶走熔煉合金2凝固的熱量的作用，實現(xiàn)快速冷卻。
[0019]所述坩禍的材料為無機非金屬，直徑為20?30mm，坩禍材料種類包括Al203、Si02、BaZr03、Zr02、CaO、石墨，用于適應不同合金成分。
[0020]所述冷卻水水冷的銅模的冷卻速度50?200°C/s(優(yōu)選地為120°C/s)，冷卻水水冷的銅模芯的直徑為2-8_，這樣冷卻效果最好。
[0021 ]真空高壓室安裝有進排氣口，可聯(lián)通高壓氬氣瓶以及真空栗，在熔煉階段，真空高壓室內為高真空環(huán)境，以確保合金熔煉環(huán)境的清潔;在澆鑄階段，真空高壓室內為高壓氬氣環(huán)境，以實現(xiàn)合金熔體的加壓鑄造。
[0022]本發(fā)明陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置將坩禍和冷卻水水冷的銅模作為一個模塊，將12?21個模塊整合在一臺裝置中，共用一套電磁感應設備和水冷設備，如圖4所示。利用電磁感應對各個坩禍中的熔煉合金進行加熱熔化、熔體攪拌及熔體凈化。本發(fā)明采用電磁感應技術，具有合金加熱速度快、溫度可控性強、熔體成分均勻、雜質去除效果好、銅模不被直接加熱等優(yōu)點。
[0023]進排氣口I位于真空高壓室3的頂端，電磁感應線圈4位于i甘禍5的外側，i甘禍5位于真空高壓室3內，銅模6的一部分位于坩禍5的底端且位于真空高壓室3內，銅模6的另一部分位于水套10內且與銅模底蓋8連接，密封墊圈7位于銅模底蓋8內，冷卻水9位于水套10內，這樣結構緊湊，成本低。
[0024]坩禍5內設有熔煉合金2，這樣方便制備。
[0025]本發(fā)明陣列式塊體非晶合金的高通量制備方法包括以下步驟:
步驟一，將不同成分設計的合金組元按配比稱量后放入坩禍中，通過電磁感應線圈將合金迅速熔化，由于表面張力使液態(tài)合金不會自動滴漏；
步驟二，在合金熔化后，通過改變電磁場參數，在加熱的同時，對合金熔體進行攪拌，使成分充分均勻化，并促使熔體中雜質和夾雜物上浮分離；
步驟三，熔體制備完成后，將銅模浸沒在盛有冷卻水的水套中，從坩禍上部通過進排氣口通入0.1?1.0MPa的高純氬氣，將合金熔體壓入冷卻水水冷的銅模中，在50?200°C/s的冷卻速度下得到不同成分的非晶合金棒。
[0026]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置，其特征在于，所述陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置包括: 進排氣口，用于通入高純氬氣； 真空高壓室，為圓柱形不銹鋼容器，與銅模相連并密封，用于放置坩禍和電磁感應線圈； 電磁感應線圈，對合金進行加熱熔化及熔體凈化； 坩禍，用于盛放合金，是加熱熔化、熔體攪拌及熔體凈化的容器； 銅模，與坩禍相連，用于冶煉完成的合金熔體澆鑄，制備非晶合金棒； 銅模底蓋，與銅模相連，用于防止合金熔體從銅模中流出； 密封墊圈，位于銅模與銅模底蓋之間，保證兩者之間的連接處無縫隙，保證密封性； 冷卻水，用于冷卻銅模，帶走熱量； 水套，盛放冷卻水的容器，在熔煉合金澆鑄的同時將銅模浸沒在里面，起到冷卻銅模，帶走熔煉合金凝固的熱量的作用，實現(xiàn)快速冷卻。2.如權利要求1所述的陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置，其特征在于，所述坩禍的材料為無機非金屬，直徑為20~30mm，坩禍材料種類包括Al2O3、S12、BaZrO3、ZrO2、CaO、石墨，用于適應不同合金成分。3.如權利要求1所述的陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置，其特征在于，所述陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置采用電磁感應技術。4.如權利要求1所述的陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置，其特征在于，所述進排氣口聯(lián)通高壓氬氣瓶以及真空栗，在熔煉階段，真空高壓室內為高真空環(huán)境，以確保合金熔煉環(huán)境的清潔;在澆鑄階段，真空高壓室內為高壓氬氣環(huán)境，以實現(xiàn)合金熔體的加壓鑄造。5.如權利要求1所述的陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置，其特征在于，所述冷卻水水冷的銅模的冷卻速度50?200 °C/s，冷卻水水冷的銅模芯的直徑為2-8mm。6.如權利要求1所述的陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置，其特征在于，所述進排氣口位于真空高壓室的頂端，電磁感應線圈位于坩禍的外側，坩禍位于真空高壓室內，銅模的一部分位于坩禍的底端且位于真空高壓室內，銅模的另一部分位于水套內且與銅模底蓋連接，密封墊圈位于銅模底蓋內，冷卻水位于水套內。7.如權利要求1所述的陣列式塊體非晶合金的高通量制備裝置，其特征在于，所述坩禍內設有熔煉合金。8.一種陣列式塊體非晶合金的高通量制備方法，其特征在于，其包括以下步驟: 步驟一，將不同成分設計的合金組元按配比稱量后放入坩禍中，通過電磁感應線圈將合金迅速熔化，由于表面張力使液態(tài)合金不會自動滴漏； 步驟二，在合金熔化后，通過改變電磁場參數，在加熱的同時，對合金熔體進行攪拌，使成分充分均勻化，并促使熔體中雜質和夾雜物上浮分離； 步驟三，熔體制備完成后，將銅模浸沒在盛有冷卻水的水套中，從坩禍上部通過進排氣口通入0.1?1.0MPa的高純氬氣，將合金熔體壓入冷卻水水冷的銅模中，在50?200°C/s的冷卻速度下得到不同成分的非晶合金棒。
【文檔編號】B22D27/02GK105903931SQ201610287346
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月4日
【發(fā)明人】冷海燕, 李謙, 王剛, 周國治
【申請人】上海大學