第8期 王成铎等：玻璃包覆铁基合金微丝制备微熔池的稳定性 。1041。 小量即是该实验条件下金属球受到悬浮力的大小， 1200 0.008 由于液态金属容易与玻璃发生吸附，为避免吸附造 一。一计算温度 …o…测量温度 成测量误差，同时液态金属球中心与感应加热器下 1000F 0.006 锥孔上端面之间的距离难以控制，因此本文只对固 16-280A 态铁基合金球进行测量.实验测量结果如图4中虚 0.004 线所示 4 a=120° 氢气 6004 0.002 一▲一计算悬浮力 r=3mm 石英管 …△一测量悬浮力 :12 mm 感应加热器 400L 金属球 0 340 下锥孔高度mm 图4计算结果与实验测量结果对比 石英棒 Fig.4 Comparison of calculated and experimental wsults 值如表1所示.由于非品态金属和液态金属具有类 似的结构，二者电阻特性相近可，因此可以将液态 天平 金属的电阻近似为金属的非晶态电阻，即用铁基合 金非晶态时的电阻率1.3×1062m代替其液态 时的电阻率.计算结果如图4中实线所示. 图3悬浮力测量装置示意图 图4表明，微熔池所受悬浮力的计算值与实验 Fig.3 Schem atic drawing of the apparatus for measuring levitation 测量值相比误差小于12%，而温度的计算值和实验 force 测量值之间的误差小于4%，且二者变化趋势一致 采用式(3)和式(8)可计算出铁基合金球的温度 因此采用式(3)和式(8)分析感应加热器结构参数对 及所受悬浮力与下锥孔高度的关系，计算参量的数 微熔池所受悬浮力和温度的影响规律是合理的 表1计算参数 Table 1 Parameters for calculation 参数 数值 参数 数值 铁基合金电阻率，P/(Q~m) 1.3X10-6 玻尔兹曼常量，oa/(W·m一2K-4) 5.67×10-8 微熔池的半径，a/m 4X103 玻璃管外半径.a/m 5X10-3 交变电流的频率，PHz 5.1×105 玻璃辐射率，E 0.4 真空磁导率，(Hm一) 女×10-7 环境温度，To/℃ 20 微熔池中心到下锥孔上端面的距离，h。√m 5X103 2微熔池稳定性分析 纯从提高微熔池所受悬浮力角度考虑，采用45°的 感应加热器锥角是合适的.但是，此时微熔池温度 2.1感应加热器结构参数的影响 高达1725℃，过高的微熔池温度使玻璃的黏度过 采用式(3)和式(8)可以获得感应加热器结构参 小，从而使玻璃形成连续稳定液流柱的能力降低，不 数对微熔池的温度和所受悬浮力的影响规律，如图 利于稳定纺丝.此时，若要降低微熔池温度，则需要 5~图8所示.分析图5~图8.同时综合考虑微丝 减小感应加热器中的电流，但减小电流也会使微熔 制备工艺特点.有利于获得使微熔池保持稳定的感 池所受悬浮力减小，从而造成部分微熔池脱离加热 应加热器结构参数. 区或者微熔池体积过小等问题. (1)感应加热器锥角的影响.从图5(a)可以看 实验及前期研究结果表明，在本文实验条件下， 出，在电流等参数相同的条件下，随着感应加热器锥 使玻璃（牌号：Pyex)黏度适于纺丝要求的微熔池温 角的减小，微熔池的温度逐渐增大，而所受悬浮力则 度为1280℃左右：因此，在微熔池温度为1280℃的 先增大后减小，锥角为45°时悬浮力达到最大值.提 条件下，增大微熔池所受悬浮力是提高微熔池稳定 高微熔池所受悬浮力有利于避免部分微熔池脱离加 性的关键.从图5(b)可以看出，在微熔池温度为 热区而坠落或者微熔池体积过小等问题，因此若单 1280℃感应加热器尺寸以及微熔池位置相同的条小量即是该实验条件下金属球受到悬浮力的大小 . 由于液态金属容易与玻璃发生吸附, 为避免吸附造 成测量误差, 同时液态金属球中心与感应加热器下 锥孔上端面之间的距离难以控制, 因此本文只对固 态铁基合金球进行测量.实验测量结果如图 4 中虚 线所示. 图 3 悬浮力测量装置示意图 Fig.3 Schem atic drawing of the apparatus for measuring levitation force 采用式( 3) 和式( 8) 可计算出铁基合金球的温度 及所受悬浮力与下锥孔高度的关系, 计算参量的数 图 4 计算结果与实验测量结果对比 Fig.4 Comparison of calculat ed and experimental results 值如表 1 所示.由于非晶态金属和液态金属具有类 似的结构, 二者电阻特性相近 [ 17] , 因此可以将液态 金属的电阻近似为金属的非晶态电阻, 即用铁基合 金非晶态时的电阻率 1.3 ×10 -6 Ψ·m 代替其液态 时的电阻率 .计算结果如图 4 中实线所示. 图 4 表明, 微熔池所受悬浮力的计算值与实验 测量值相比误差小于 12 %, 而温度的计算值和实验 测量值之间的误差小于 4 %, 且二者变化趋势一致, 因此采用式( 3) 和式( 8) 分析感应加热器结构参数对 微熔池所受悬浮力和温度的影响规律是合理的 . 表 1 计算参数 Table 1 Parameters f or calculation 参数 数值 参数 数值 铁基合金电阻率, ρ/ ( Ψ·m) 1.3×10 -6 玻尔兹曼常量, σsb/ ( W·m -2·K -4 ) 5.67×10 -8 微熔池的半径, a/ m 4×10 -3 玻璃管外半径, a 1 / m 5×10 -3 交变电流的频率, f/ Hz 5.1×10 5 玻璃辐射率, ε 0.4 真空磁导率, μ0 /( H·m -1 ) 4π×10 -7 环境温度, T 0/ ℃ 20 微熔池中心到下锥孔上端面的距离, h 0/ m 5×10 -3 2 微熔池稳定性分析 2.1 感应加热器结构参数的影响 采用式( 3) 和式( 8) 可以获得感应加热器结构参 数对微熔池的温度和所受悬浮力的影响规律, 如图 5 ～ 图 8 所示.分析图 5 ～ 图 8, 同时综合考虑微丝 制备工艺特点, 有利于获得使微熔池保持稳定的感 应加热器结构参数. ( 1) 感应加热器锥角的影响 .从图 5( a) 可以看 出, 在电流等参数相同的条件下, 随着感应加热器锥 角的减小, 微熔池的温度逐渐增大, 而所受悬浮力则 先增大后减小, 锥角为 45°时悬浮力达到最大值 .提 高微熔池所受悬浮力有利于避免部分微熔池脱离加 热区而坠落或者微熔池体积过小等问题, 因此若单 纯从提高微熔池所受悬浮力角度考虑, 采用 45°的 感应加热器锥角是合适的 .但是, 此时微熔池温度 高达 1 725 ℃, 过高的微熔池温度使玻璃的黏度过 小, 从而使玻璃形成连续稳定液流柱的能力降低, 不 利于稳定纺丝 .此时, 若要降低微熔池温度, 则需要 减小感应加热器中的电流, 但减小电流也会使微熔 池所受悬浮力减小, 从而造成部分微熔池脱离加热 区或者微熔池体积过小等问题. 实验及前期研究结果表明, 在本文实验条件下, 使玻璃( 牌号 :Py rex) 黏度适于纺丝要求的微熔池温 度为1 280 ℃左右 ;因此, 在微熔池温度为 1 280 ℃的 条件下, 增大微熔池所受悬浮力是提高微熔池稳定 性的关键.从图 5( b) 可以看出, 在微熔池温度为 1 280 ℃、感应加热器尺寸以及微熔池位置相同的条 第 8 期 王成铎等:玻璃包覆铁基合金微丝制备微熔池的稳定性 · 1041 ·