способ получения порошкового аморфного материала

Формула изобретения

1. Способ получения порошкового аморфного материала, включающий формирование высокотемпературного газового потока, расплавление в нем исходного материала и охлаждение расплавленных частиц, отличающийся тем, что расплавление исходного материала осуществляют при прохождении высокотемпературного газового потока вдоль поверхности исходного материала с диспергированием образующейся на поверхности тонкой пленки расплава в газовый поток, а перед охлаждением осуществляют ускорение газового потока, содержащего капли расплавленного исходного материала, до сверхзвуковых скоростей с последующим газодинамическим охлаждением потока при сверхзвуковом истечении его через сверхзвуковое сопло.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость высокотемпературного газового потока, проходящего вдоль поверхности исходного материала, составляет 0,7 1,2 М.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к получению некристаллических высокодисперсных порошков и покрытий металлов и их сплавов.

Из предшествующего уровня техники известен способ получения аморфных материалов (см. Ю. А. Куницкий, В. Н. Коржик и Ю. С. Борисов Некристаллические металлические материалы и покрытия в технике, Киев: Техника, 1988, с.37-39), включающий введение в струю пламени порошка исходного материала, нагрев в струе пламени частиц порошка до температуры плавления и перенос полученного двухфазным потоком исходного материала на поверхность основы.

Недостаток этого способа заключается в том, что он не обеспечивает получение аморфных материалов без кристаллических включений, так как при его осуществлении не обеспечиваются условия, необходимые для подавления процесса кристаллизации, а именно: полное расплавление частиц порошка и высокая скорость охлаждения капель. Действительно даже при использовании высокодисперсных порошков не удается получить капли одинакового и маленького размера, так как имеет место слипание частиц порошка. Вследствие этого не обеспечивается проплав всех конгломератов частиц порошка струей пламени. Кроме того, охлаждение капель на поверхности основы, выполненной даже из материала с высокой теплопроводностью, не обеспечивает скоростей охлаждения, достаточных для подавления кристаллизационных процессов в объеме всей капли расплавленного материала.

Известен способ получения аморфных материалов, взятый в качестве прототипа ( см. Ю. А. Куницкий и др. Некристаллические металлические материалы и покрытия в технике, Киев: Техника, 1988, с.40-41), включающий формирование высокотемпературного газового потока, содержащего капли расплавленного исходного материала, путем введения в плазму порошка исходного материала и быстрого охлаждения на поверхности охлаждаемой основы (подложки).

Недостаток этого способа заключается в том, что он не обеспечивает получение однородного двухфазного потока, содержащего капли размером 0,5-1,0 мкм, а также высоких скоростей охлаждения капель, достаточных для подавления процессов кристаллизации. Действительно даже при использовании высокодисперсных порошков не удается получить капли одинакового и маленького размера, так как имеет место слипание частиц порошка. Вследствие этого не обеспечивается проплав всех конгломератов частиц порошка. Кроме того, охлаждение капель на поверхности основы, выполненной даже из материала с высокой теплопроводностью, не обеспечивает скоростей охлаждения, достаточных для подавления кристаллизационных процессов в объеме всей капли расплавленного материала.

В основу изобретения поставлена задача разработать способ получения аморфных материалов, который при сохранении высокой производительности обеспечивал бы повышение качества целевого продукта, а именно отсутствие включений кристаллической фазы и примесей.

Поставленная задача решена тем, что в способе получения аморфных материалов, включающем формирование высокотемпературного газового потока, содержащего капли расплавленного исходного материала и быстрое охлаждение капель, согласно изобретению высокотемпературный газовый поток направляют вдоль поверхности образца исходного материала, а перед охлаждением осуществляют ускорение двухфазного потока до сверхзвуковых скоростей с последующим газодинамическим охлаждением потока при сверхзвуковом истечении его через сверхзвуковое сопло.

Предпочтительно, чтобы скорость высокотемпературного газового потока, направляемого вдоль поверхности образца исходного материала, была равна 0,7-1,2 М.

Преимущество предложенного способа получения аморфнх материалов заключается в том, что целевой продукт не содержит включений ни кристаллической фазы исходного материала, ни примесей, поскольку, во-первых, в двухфазном потоке содержатся только полностью расплавленные частицы исходного материала (капли), имеющие приблизительно одинаковые размеры, во-вторых, процесс охлаждения капель осуществляется в объеме расширяющейся части сверхзвукового сопла, т.е. в отсутствии гетерогенной подложки и при высоких скоростях охлаждения 10⁷-10¹⁰ К/с.

Действительно, за счет взаимодействия высокотемпературного и высокоскоростного газового потока с поверхностью образца исходного материала генерируемые в газовый поток частицы исходного материала полностью расплавлены, так как генерация частиц происходит за счет диспергирования тонкой пленки расплава, образующейся на поверхности образца. При неизменных параметрах газового потока (скорость, температура) диспергирование происходит при одной и той же толщине поверхности пленки расплава, что обеспечивает малый разброс размеров генерируемых в газовый поток капель. Однородность полученного двухфазного потока обеспечивает одинаковые условия охлаждения для всех капель в потоке, а следовательно повышение качества целевого продукта.

На чертеже изображено устройство для осуществления предложенного способа.

Устройство содержит смеситель 1, плазмотроны 2, 3 и 4, охлаждаемые вводы 5, устройства 6 для подачи образцов, сопловой аппарат 7, охлаждаемую камеру 8 с двойными стенками и патрубком 9, охлаждаемую подложку 10.

Способ получения аморфных материалов осуществляется следующим образом.

Из плазмотронов 2, 3 и 4 через выходные сопла в смеситель 1 вводятся три потока плазменного газообменного теплоносителя. Использование нескольких плазмотронов позволяет получить суммарную мощность порядка 200 кВт. Сформированный в смесителе 1 поток высокотемпературного газа направляет в сопловой аппарат 7, при этом происходит ускорение газообменного теплоносителя. В области трансзвуковых скоростей (0,7-1,2 М) попутно газовому потоку размещают образцы исходного материала (прутки, проволоки, полоски и т.п.). Особенностью обтекания тел в этих условиях является большой угол между фронтом возникающих ударных волн и скоростью потока. Кроме того, при трансзвуковом обтекании образцов резко возрастает величина конвективных тепловых потоков и относительных скоростных напоров. В результате обтекания трансзвуковым высокотемпературным газовым потоком образцов исходного материала происходит не только расплавление поверхностного слоя материала образцов, но и диспергирование полученной пленки расплава в обтекаемый газовый поток. Вследствие постоянства параметров (скорости и температуры) газового потока, обтекающего образцы, диспергирование расплава происходит в условиях динамического равновесия, что обеспечивает малый разброс размеров капель расплава в образующемся двухфазном потоке. Изменяя параметры высокотемпературного газового потока, можно получить двухфазные потоки с размером капель исходного материала 0,1-1 мкм. Образцы исходного материала подают через охлаждаемые вводы 5 с помощью устройств 6 для подачи образцов, в качестве которых могут быть использованы, например, устройства для подачи расходуемых термоэлектродов.

При сверхзвуковом истечение двухфазного потока из сверхзвуковых сопел соплового аппарата 7 за счет расширения происходит быстрое охлаждение компонентов смеси: затвердевание капель и их охлаждение вместе с газообразным теплоносителем. Скорость охлаждения при истечении сверхзвукового двухфазного потока из сверхзвукового сопла составляет 10⁷-10¹⁰ К/с, что достаточно для подавления процесса кристаллизации. Высокая однородность полученного двухфазного потока обеспечивает практически одинаковые условия охлаждения для всех капель, содержащихся в потоке, что существенно повышает качество аморфного целевого продукта. Сбор целевого продукта осуществляют либо на специальные охлаждаемые подложки 10, либо непосредственно на дно охлаждаемой камеры 8.

Использование предлагаемого способа обеспечивает получение высококачественного аморфного материала с высокой производительностью.