[发明专利]一种制备金属玻璃粒子的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于金属玻璃制备技术领域，特别涉及一种金属玻璃粒子的制备方法，另外还涉及其制备装置。

背景技术

某些液态金属合金在冷却速度非常快的情况下，金属内部的原子来不及“理顺”位置，仍处于无序紊乱状态便马上凝固成为非晶态金属。这些非晶态金属具有类似玻璃的某些结构特征，故称为“金属玻璃”。金属玻璃最主要的优势是具有很高的强度、硬度、弹性、刚性，其强度和硬度比现有的一般晶态金属都高，耐蚀性能极强，同时还具有良好的软磁性，使之在机械、通讯、航空航天、医学等领域都具有广泛的应用潜力。

具有精度高、形状结构复杂、机械强度优良、软磁特性好和耐腐蚀性高等特点的微小部件，如传感器、微小轴承、齿轮等在信息产业和医疗领域的需求量日益增多。具有上述特殊性能金属玻璃凭借低廉的价格和特有的过冷液相区间，在选材中倍受青睐。

但是，这些合金在形成玻璃相粒子时需要超过10³K/s的冷却速率，因此传统的制备方法，如熔纺法、铸造法等不再适用。目前，雾化法虽然满足快速凝固的要求可以大量制备粒子，但粒径过于分散，必须筛分后才能使用，而且粒子热履历不同，进而导致微观结构有异，因此亟需新的制造工艺及其制备设备的出现。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备金属玻璃粒子的方法及其装置，通过脉冲小孔喷射法制备金属玻璃粒子，由于无容器的快速凝固，获得了粒度均匀一致，圆球度高的粒子，且粒径可控，制备效率高，解决了现有制备金属玻璃粒子工艺冷却速率低、粒径分部不均匀、热履历不一致等问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种制备金属玻璃粒子的方法，其特征在于：在真空度不高于10^-3Pa的条件下，熔化坩埚中的金属成熔融状态的金属熔体，向坩埚中通入惰性气体使坩埚与真空腔室之间形成稳定差压0-50KPa，同时对压电陶瓷施加一定的脉冲信号，使其带动传动棒产生一纵向微小位移，此位移作用于坩埚底部的金属熔体，使微小液滴从坩埚底部小孔射出，压电陶瓷往复运动一次产生一个金属液滴，金属液滴从微孔中产生之后，在降落过程中无容器快速冷却凝固形成球形金属玻璃粒子。

所述方法包括以下具体步骤：

(1)装料：将带有小孔的陶瓷片固定于坩埚底部，打开坩埚上盖，在坩埚3中加入需要制备的金属，并密封；

(2)抽真空：打开连通管，坩埚与真空腔室连通，利用机械泵和扩散泵对坩埚和真空腔室抽真空至不高于10^-3Pa，并充入惰性保护气体Ar，反复进行，最后使真空腔室内压力达到一个大气压；

(3)熔化金属：利用加热器加热熔化坩埚3内的金属，并用热电偶实时监测坩埚内的温度，金属完全熔化后保温10-30分钟；

(4)脉冲喷射制备金属玻璃粒子：关闭连通管，坩埚与真空腔室隔离，将档板置于小孔正下方，通过坩埚进气管向坩埚中通入惰性气体，使坩埚与真空腔室之间达到稳定差压0-50kPa，利用信号发生器编辑脉冲信号并施加给压电陶瓷，压电陶瓷在脉冲信号的驱动下产生微小位移，并带动传动棒运动，此微小位移由传动棒作用在坩埚底部的金属熔体，从而使得微小金属液滴从小孔中射出，形成金属微粒子液滴；

(5)获得均匀液滴：电脑利用计算机图像分析软件，根据CCD摄像机所拍摄的金属微粒子液滴图象计算出金属微粒子液滴的直径，反馈调整振荡器产生的频率、波形参数，从而获得设定尺寸的均匀金属微粒子液滴；

(6)无容器快速凝固：移开档板，喷射出的均匀金属微粒子液滴经过石英玻璃管无容器凝固形成球形金属玻璃粒子，最终降落到收集器中，收集得到金属玻璃粒子。

所述金属为Fe-Co、Zr-Cu、Cu-Hf、Ni-Nb、Zr-Cu-Al、Nd-Al-Fe或Nd-AL-Co合金。

一种制备金属玻璃粒子的方法所采用的装置，其特征在于：该装置包括真空系统、液滴喷射系统、图像采集系统和粒子收集装置，所述真空系统包括真空腔室，粒子收集装置安装于真空腔室底部，液滴喷射系统安装于真空腔室顶部，且位于粒子收集装置的正上方，图像采集系统连接于真空系统的真空腔室之上，档板通过支架活动安装于液滴喷射系统与粒子收集装置之间。

所述真空系统包括真空腔室、机械泵和扩散泵，扩散泵安装于真空腔室侧壁之上，机械泵连接于扩散泵之上，真空腔室上还安装有腔体进气管和坩埚进气管，坩埚上安装有连通管。