【技术实现步骤摘要】
本申请涉及气动悬浮领域，具体而言，涉及一种基于气动悬浮制备非晶材料的装置及方法。
技术介绍
1、悬浮状态消除了流体静压、浮力、自然对流、沉积等作用力对液态熔体的影响，不仅减弱了由重力引起的熔体组织和成分不均匀性，也使其以表面和界面张力占主导地位，让材料能够不与器壁接触的情况下熔化和凝固，从而产生具有快速凝固组织特征的细晶显微结构、亚稳相和非晶相。克服了传统铸造材料制备方法带来的材料组织粗大、成分偏析、缩孔和杂质等缺陷，尤其非晶相的形成和出现，使材料具备优异的强度、硬度、韧性、磁性、耐磨和耐腐蚀性等性能，成为高质量材料制备与发展的关键技术。
2、样品处于悬浮状态，并对其进行加热，能够精确检测微重力环境下样品的热物理性质；加热后快速冷却能够制备出质量较好的非晶材料；相比于传统的采用有形容器进行加热的技术，悬浮技术避免了器壁与样品之间的接触，且熔化过程中，样品的形状随加热过程的变化而变化，从而更容易探测到样品熔化过程中的热物理性质的变化，探测结果也更准确。
3、太空中的空间站是理想的悬浮环境，但空间站实验成本昂贵，为了在地面实现，目前发展的悬浮技术有电磁悬浮、声悬浮、静电悬浮、气动悬浮为基础的悬浮无容器地面模拟技术，用于材料的制备和性能研究。电磁悬浮通过涡流感应加热和悬浮物体，仅适用于金属材料，同时因为悬浮和加热相互耦合，无法在悬浮物体凝固过程中获得较大的冷却速度；声悬浮利用声场中的高能量驻波悬浮物体，并通过激光作为独立热源，悬浮熔化各种物体，但悬浮力小且声波对熔体存在机械扰动；静电悬浮凭借静电场的库伦作用力和
4、现有的气动悬浮装置仅用于实现样品悬浮的功能，当需要将样品制备为非晶体时，将样品取出，进行再次加工，得到非晶材料。然而，非晶材料的形成过程中冷却速度是一个重要的影响因素，上述方式得到的非晶材料质量较差。想要得到较好质量的非晶材料，需要通过其他技术进一步加工，这增加了制备成本，例如名称为“amorphization bymechanical deformation”的文献、名称为“一种高速冲击大面积制备非晶/纳米晶复合涂层及其制备工艺”的专利(授权公告号：cn113718093b)、名称为“一种铁基块体非晶合金的制备及热塑性成型方法”的专利(授权公告号：cn109457166b)等公开的球磨/机械合金化、冲击压缩和热塑性变形等机械变形手段对材料非晶化的形成和促进机制，其主要用来对已制备的小尺寸非晶材料进行再加工，进一步提高非晶的纯度或改变非晶的形状和尺寸；这使得制备流程更加复杂，极大增加了制备成本。
5、一般地，材料非晶化的程度随冷却速度的增加而增加。例如，名称为“aerodynamiclevitation processing of a zr-based bulk metallic glass”的文献中公开了通过气动悬浮技术制备了直径约为3mm(质量约为130mg)的zr57ti5ni8cu20al10块体非晶，研究发现当冷却速度大于11k/s后材料开始出现非晶化；其中气动悬浮采用一体式的锥形喷嘴，气体为氩气(ar)，流速范围为0.4l/min-0.8l/min。名称为“yag熔体无容器凝固条件下相选择机制的研究”的文献中报道了使用气动悬浮技术研究质量为60mg稀土掺杂钇铝石榴石(yag)熔体的相选择机制，表明yag熔体随冷却速度的增加依次析出yalo3(yap)相、yap/al2o3亚稳相、yap/al2o3亚稳相与稳态yag相共存组织、稳态yag相和yag非晶相，具有很差的非晶形成能力，只有当冷却速度达到250k/s后，可以获得yag的非晶相，但其中含有yap和yag结晶杂相。
6、综上所述，现有的非晶材料制备装置及方法得到的非晶材料的质量较差。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于气动悬浮制备非晶材料的装置及方法，以解决现有的非晶材料制备装置及方法得到的非晶材料的质量较差的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、本申请提供一种基于气动悬浮制备非晶材料的装置，包括外壳，外壳的底壁上固定设置有支撑系统，支撑系统上由上到下固定设置有气动悬浮系统、高速冲压系统、液淬系统。气动悬浮系统、高速冲压系统、液淬系统位于同一竖直线上，气动悬浮系统用于将样品悬浮，气动悬浮系统的喷嘴为分体式喷嘴，分体式喷嘴闭合时形成气体流道，分体式喷嘴打开时形成样品下落通道，高速冲压系统用于向下落中的样品施加横向压力，将样品冲压为片状非晶材料，液淬系统用于快速对样品进行冷却，得到球状非晶材料，外壳顶端设置有激光入射法兰窗口，用于垂直入射加热激光，对悬浮样品进行加热，外壳上还设置有向外壳内部通入气体的进气口以及接电法兰窗口。
4、进一步地，外壳的上部为球状，外壳的下部为柱状，外壳的上部侧壁上设置有第一活动窗口和探测窗口，第一活动窗口用于取放样品以及悬浮高度的探测，探测窗口用于设置热物理性质的探测装置。
5、更进一步地，外壳的下部侧壁上设置有第二活动窗口、抽气口、泄压阀、进气口，第二活动窗口用于取出制备好的样品，抽气口用于连接抽气泵，在外壳内部形成负压，泄压阀用于泄压。
6、更进一步地，进气口包括第一进气口和第二进气口，第一进气口设置于外壳的下部，用于向外壳内部充入气体，第二进气口用于向喷嘴提供气源。
7、更进一步地，支撑系统包括支撑底座、冲压底座、悬浮底座、冲压支杆、悬浮支杆，支撑底座与外壳的底壁固定连接，冲压支杆与支撑底座固定连接，冲压支杆的另一端与冲压底座固定连接，冲压底座远离冲压支杆的一侧与悬浮支杆固定连接，悬浮支杆的另一端固定连接悬浮底座。
8、更进一步地，悬浮底座用于固定气动悬浮系统，冲压底座用于固定高速冲压系统，支撑底座用于固定液淬系统，支撑底座、冲压底座、悬浮底座所在平面均水平，冲压底座、悬浮底座中间位置设置有贯穿孔，贯穿孔用于样品下落。
9、更进一步地，液淬系统包括冷却容器以及冷却容器中盛放的冷却液，冷却液为ga-ln-sn液态合金，冷却液的体积小于等于冷却容器容量的2/3。
10、更进一步地，加热激光的功率为100-3000w，加热激光的波长为875-1010nm，激光入射法兰窗口材料为紫外熔融石英。
11、一种基于气动悬浮制备非晶材料的方法，方法包括如下步骤：s1，获取样品；s2，对样品进行气动悬浮；s3，利用激光对悬浮样品进行加热；s4，加热后的样品自由下落；s5，下落过程中将样品制备为非晶材料；s2中通过调控喷嘴的气体流量使得样品悬浮在固定高度。
12、进一步地，s5包括如下步骤：s51，下落过程中将样品冲压为片状非晶材料；s52，下落过程中对样品进行液淬冷却，获取球状非晶材料本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于气动悬浮制备非晶材料的装置，所述装置包括外壳，所述外壳的底壁上固定设置有支撑系统，其特征在于，所述支撑系统上由上到下固定设置有气动悬浮系统、高速冲压系统、液淬系统，所述气动悬浮系统、所述高速冲压系统、所述液淬系统位于同一竖直线上，所述气动悬浮系统用于将样品悬浮，所述气动悬浮系统的喷嘴为分体式喷嘴，所述分体式喷嘴闭合时形成气体流道，所述分体式喷嘴打开时形成样品下落通道，所述高速冲压系统用于向下落中的样品施加横向压力，将样品冲压为片状非晶材料，所述液淬系统用于快速对样品进行冷却，得到球状非晶材料，所述外壳顶端设置有激光入射法兰窗口，用于垂直入射加热激光，对悬浮样品进行加热，所述外壳上还设置有向外壳内部通入气体的进气口以及接电法兰窗口。
2.根据权利要求1所述的基于气动悬浮制备非晶材料的装置，其特征在于，所述外壳的上部为球状，所述外壳的下部为柱状，所述外壳的上部侧壁上设置有第一活动窗口和探测窗口，所述第一活动窗口用于取放样品以及悬浮高度的探测，所述探测窗口用于设置热物理性质的探测装置。
3.根据权利要求2所述的基于气动悬浮制备非晶材料的装置，其特征在
4.根据权利要求3所述的基于气动悬浮制备非晶材料的装置，其特征在于，所述进气口包括第一进气口和第二进气口，所述第一进气口设置于所述外壳的下部，用于向所述外壳内部充入气体，所述第二进气口用于向所述喷嘴提供气源。
5.根据权利要求4所述的基于气动悬浮制备非晶材料的装置，其特征在于，所述支撑系统包括支撑底座、冲压底座、悬浮底座、冲压支杆、悬浮支杆，所述支撑底座与所述外壳的底壁固定连接，所述冲压支杆与所述支撑底座固定连接，所述冲压支杆的另一端与所述冲压底座固定连接，所述冲压底座远离所述冲压支杆的一侧与所述悬浮支杆固定连接，所述悬浮支杆的另一端固定连接所述悬浮底座。
6.根据权利要求5所述的基于气动悬浮制备非晶材料的装置，其特征在于，所述悬浮底座用于固定所述气动悬浮系统，所述冲压底座用于固定所述高速冲压系统，所述支撑底座用于固定所述液淬系统，所述支撑底座、所述冲压底座、所述悬浮底座所在平面均水平，所述冲压底座、所述悬浮底座中间位置设置有贯穿孔，所述贯穿孔用于样品下落。
7.根据权利要求6所述的基于气动悬浮制备非晶材料的装置，其特征在于，所述液淬系统包括冷却容器以及所述冷却容器中盛放的冷却液，所述冷却液为Ga-ln-Sn液态合金，所述冷却液的体积小于等于所述冷却容器容量的2/3。
8.根据权利要求1-7任一所述的基于气动悬浮制备非晶材料的装置，其特征在于，所述加热激光的功率为100-3000W，所述加热激光的波长为875-1010nm，所述激光入射法兰窗口材料为紫外熔融石英。
9.一种基于气动悬浮制备非晶材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1，获取样品；S2，对样品进行气动悬浮；S3，利用激光对悬浮样品进行加热；S4，加热后的样品自由下落；S5，下落过程中将样品制备为非晶材料；所述S2中通过调控喷嘴的气体流量使得样品悬浮在固定高度。
10.根据权利要求9所述的基于气动悬浮制备非晶材料的方法，其特征在于，所述S5包括如下步骤：S51，下落过程中将样品冲压为片状非晶材料；S52，下落过程中对样品进行液淬冷却，获取球状非晶材料；对于同一样品只能执行所述S51和所述S52中的一个。
...【技术特征摘要】
1.一种基于气动悬浮制备非晶材料的装置，所述装置包括外壳，所述外壳的底壁上固定设置有支撑系统，其特征在于，所述支撑系统上由上到下固定设置有气动悬浮系统、高速冲压系统、液淬系统，所述气动悬浮系统、所述高速冲压系统、所述液淬系统位于同一竖直线上，所述气动悬浮系统用于将样品悬浮，所述气动悬浮系统的喷嘴为分体式喷嘴，所述分体式喷嘴闭合时形成气体流道，所述分体式喷嘴打开时形成样品下落通道，所述高速冲压系统用于向下落中的样品施加横向压力，将样品冲压为片状非晶材料，所述液淬系统用于快速对样品进行冷却，得到球状非晶材料，所述外壳顶端设置有激光入射法兰窗口，用于垂直入射加热激光，对悬浮样品进行加热，所述外壳上还设置有向外壳内部通入气体的进气口以及接电法兰窗口。
2.根据权利要求1所述的基于气动悬浮制备非晶材料的装置，其特征在于，所述外壳的上部为球状，所述外壳的下部为柱状，所述外壳的上部侧壁上设置有第一活动窗口和探测窗口，所述第一活动窗口用于取放样品以及悬浮高度的探测，所述探测窗口用于设置热物理性质的探测装置。
3.根据权利要求2所述的基于气动悬浮制备非晶材料的装置，其特征在于，所述外壳的下部侧壁上设置有第二活动窗口、抽气口、泄压阀、所述进气口，所述第二活动窗口用于取出制备好的样品，所述抽气口用于连接抽气泵，在所述外壳内部形成负压，所述泄压阀用于泄压。
4.根据权利要求3所述的基于气动悬浮制备非晶材料的装置，其特征在于，所述进气口包括第一进气口和第二进气口，所述第一进气口设置于所述外壳的下部，用于向所述外壳内部充入气体，所述第二进气口用于向所述喷嘴提供气源。
5.根据权利要求4所述的基于气动悬浮制备非晶材料的装置，其特征在于，所述支撑系统包括支撑底座、冲压底座、悬浮底座、冲压支杆...
【专利技术属性】
技术研发人员：王伟丽，李楠，魏炳波，燕鹏旭，李文慧，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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