CN111272509A - 电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型装置和方法，其包括真空腔体、悬浮感应加热装置、运动探测装置和压力成型装置。真空腔体包括从上到下依次连接的悬浮加热腔体、自由下落腔体和成型腔体，自由下落腔体使合金液滴样品获得微重力；悬浮感应加热装置包括悬浮感应线圈和高频感应加热电源。悬浮感应线圈螺旋绕制成中空圆柱体并设于悬浮加热腔体内，用于对合金样品进行加热熔融和悬浮。运动探测装置用于对在自由下落腔体中下落运动的样品的温度及形态进行连续动态采集。压力成型装置设于成型腔体内，包含两个移动式半模，半模合模后可将落入半模间的合金样品挤压成型。本发明可使合金样品获取微重力和连续动态采集其温度及形态数据。

Description

电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型装置和方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型装置和方法。

背景技术

传统铸造技术是将液态金属浇入铸型经冷却凝固，表面处理后得到具有一定形状、尺寸和性能的金属零件毛坯成型方法。其优点包括适用范围广，成本低廉，所获得铸件尺寸较大，已广泛应用于国民工业的各个领域。然而这种传统铸造依然存在较多的缺点与局限性。首先，当金属熔体在正常重力、压力以及存在坩埚和铸型等容器的条件下凝固时，容器壁将会带来大量的异质形核点，同时金属熔体由于体积大凝固较为缓慢，所得凝固组织较为粗大，缩孔等缺陷较多。其次，由于重力的作用，某些合金体系在铸造过程中将会产生严重的宏观偏析(重力偏析)，这极大地影响了其各项应用性能。因此，如何有效调控液态金属的凝固过程是获得高质量金属零件的关键。

超常凝固是指在微重力、无容器、高真空、强物理场等特殊环境或深过冷，急冷和高压等特殊条件下的凝固过程。落管法是模拟空间“微重力”特征的主要方法之一，通过高压气流使合金熔体从试管底部中央喷出(大于0的初速度)、分散成大量尺寸不等的微小液滴并使其在自由下落过程中凝固。它有效地结合了深过冷凝固和急冷凝固的特点，能够提供短时间的微重力和无容器环境，从而影响合金熔体凝固过程的形核及热传导，使得合金最终的凝固组织呈现出晶粒细化，偏析程度更小，固溶度拓展等特点，从而有效提升合金的应用性能，并且在某些体系合金中甚至可能产生常规条件下无法得到的亚稳相或非晶相。然而传统的落管由于管体高度及样品冷却方式的限制，所收集的合金液滴的凝固体尺寸通常在微米量级，且一次产生液滴较多，现有探测技术难以对单一液滴进行位置捕捉，这极大地限制了凝固体的性能表征测试及应用前景。

电磁悬浮无容器处理技术是实现液态合金超常凝固的重要手段之一，具有结构简单，悬浮能力强，熔体均匀，加热熔化速度快等优点，被广泛应用于非平衡凝固理论研究，以及金属高温热物性测定、金属中气体分析等领域。该方法通过优化设计的悬浮感应线圈在空间产生具有势阱的高频交变电磁场，从而在导电实验样品中产生涡流，该涡流与电磁场相互作用产生悬浮力来抵消样品的自身重力，同时涡流也会转化为焦耳热，使悬浮与加热同时进行。采用电磁悬浮熔炼方法，可有效消除传统铸造工艺中坩埚壁带来的污染与异质形核作用，使熔体达到深过冷状态，从而得到性能更加优异的新型凝固材料。

专利申请CN110252986A公开了一种超高真空电磁悬浮材料制备系统和方法，该发明是基于电磁感应原理实现大体积金属的悬浮熔炼与压力铸造，但是材料在铸造过程中的温度及形态变化无法进行连续的动态采集。专利申请CN110216272A公开了一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置及方法，合金样品在悬浮熔化之后需直接进入压力铸造模具中成型，然而材料在制备过程中虽处于无容器状态，但难以获取微重力，仍然会受到较大的重力的影响，熔体内部的宏观偏析难以被有效抑制。文献“电磁悬浮条件下液态Fe₅₀Cu₅₀合金的对流和凝固规律[J].物理学报,2017(13):197-205.”报道了在电磁悬浮条件下，Fe₅₀Cu₅₀合难混溶合金凝固时会发生由重力引起的上下分层现象，即使当过冷度达到204K时，合金内部强制对流也无法完全抑制宏观偏析。专利申请CN104569033A提出了一种静电悬浮配合短落管的材料微重力快速凝固实验装置与方法，通过静电悬浮技术使金属材料加热熔化，随后样品通过短落管落入托盘中进行回收。然而静电悬浮实验需要在极高真空条件下进行(不可再充入惰性保护气体)，否则会导致样品氧化甚至放电使实验失败。此外该装置在抽取一次真空条件下只能获得一个样品的凝固，降低了实验效率。

从上述现有技术中可知，现有悬浮凝固成型技术主要存在如下问题：(1)材料制备过程中无法获取微重力，其凝固过程易受重力影响引起宏观偏析。(2)无法对样品铸造过程中的温度及形态变化等信息进行连续的动态采集。(3)实现条件过于苛刻，效率难以提高。(4)通常无法实现毫米至厘米级尺寸上的金属精密器件从液态到固态一体化成型和成型效果难以控制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型装置和方法，用于克服现有悬浮凝固成型装置存在的样品凝固易受重力影响、无法连续动态采集温度及形态数据、难以实现毫米至厘米级金属材料一体化成型和成型效果难以控制等技术问题中的至少一个技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型装置，其包括：

真空腔体(10)，其包括从上到下依次连接的悬浮加热腔体(7)、自由下落腔体(8)和成型腔体(9)；

悬浮感应加热装置(71)，其包括悬浮感应线圈(71a)和高频感应加热电源(71b)；所述悬浮感应线圈(71a)螺旋绕制形成中空圆柱体，并设于所述悬浮加热腔体(7)内部，所述悬浮感应线圈(71a)用于对合金样品进行加热熔融和悬浮；所述自由下落腔体(8)为中空管体，对应于所述悬浮感应线圈(71a)的下方位置，与所述悬浮加热腔体(7)连通；自由下落腔体(8)提供合金液滴样品自由下落空间，使其获得微重力；

运动探测装置(50)，用于对在所述自由下落腔体(8)中进行下落运动的合金样品的温度及形态进行连续动态采集；

压力成型装置(90)，所述压力成型装置(90)包含两个分开的半模(91)，所述半模(91)设于所述成型腔体(9)的内部，所述两个分开的半模(91)受驱动后相向运动实现合模，将落入到所述两个半模(91)之间的合金样品进行挤压成型。

优选地，所述悬浮感应线圈(71a)包括内层线圈和外层线圈，所述内层线圈和外层线圈均为螺旋绕制形成的中空圆柱体，且内层线圈与外层线圈为同一轴心线，所述合金样品被悬浮在该轴心线上。两层线圈有利于进一步提高悬浮力，以及实现悬浮力大小的适应性调整。内层线圈和外层线圈由紫铜管绕制而成。悬浮感应线圈(71a)为可更换组件，当合金样品尺寸较小时，使用具有一层线圈的悬浮感应线圈(71a)；当合金样品尺寸较大时，使用具有两层的悬浮感应线圈(71a)。

优选地，所述内层线圈为4-6匝，外层线圈为2-4匝，内层线圈所绕成的中空圆柱体的直径为6-40mm。

优选地，绕制线圈所用材料为直径为4-6mm的中空紫铜管，所述紫铜管中间通入冷却循环水，防止加热过程中悬浮感应线圈发生损坏。

根据本发明的一个较佳实施例，所述自由下落腔体(8)为中空圆柱形管体，其高度为500-1500mm，用于在合金液滴在下落过程中获取微重力。

优选地，所述悬浮加热腔体(7)为球形腔体(内腔为球形)，球形腔体对称性好，便于使合金样品处于对称的环境(使合金样品处于腔体中央)，从而有利于对悬浮于腔体中央的样品各种物化性质进行探测。优选地，所述自由下落腔体(8)和成型腔体(9)为中空圆柱形腔体(内腔为中空圆柱体)，所述悬浮加热腔体(7)直径为250-500mm；自由下落腔体(8)直径为100-200mm，高度为500-1500mm；下部的成型腔体(9)直径为300-500mm，高度为300-500mm，真空腔体10内的真空度可达10^-4-10^-6Pa。

根据本发明的一个较佳实施例，所述金属材料凝固成型装置还包括送样装置(72)，其对应设在所述悬浮加热腔体(7)中，所述悬浮加热腔体(7)的一侧设有样品放置窗；

所述送样装置(72)包括样品置换盘(721)和样品置换杆(722)；所述样品置换盘(721)包括一个扇形盘面(721a)和与所述扇形盘面(721a)的圆心处连接的转轴(721b)，所述转轴(721b)竖直方向固定在所述悬浮加热腔体(7)中且其上部末端伸出至悬浮加热腔体(7)的外部，与驱动电机(721c)连接；在所述扇形盘面(721a)上设有通孔(721h)，所述通孔(721h)用于放置合金样品；

所述样品置换杆(722)包括顶出杆(722a)、连接杆(722b)和控制杆(722c)；所述控制杆(722c)竖直方向固定在所述悬浮加热腔体(7)中且其上部末端伸出至悬浮加热腔体(7)的外部，控制杆(722c)的下部末端连接水平方向的连接杆(722b)的一端，所述连接杆(722b)的另一端连接呈竖直向上设置的顶出杆(722a)；通过操作所述控制杆(722c)，控制所述顶出杆(722a)上下移动以及控制所述连接杆(722b)在水平面内转动。

通过操作所述控制杆(722c)，使顶出杆(722a)对齐于扇形盘面(721a)上的通孔(721h)的正下方，然后拉提控制杆(722c)使顶出杆(722a)向上穿过所述通孔(721h)，并将放置在该通孔(721h)位置处的合金样品托起送入到悬浮感应线圈(71a)中间，待悬浮感应线圈(71a)通电产生悬浮力使合金样品稳定悬浮后，操作该控制杆(722c)使顶出杆(722a)离开合金样品。

根据本发明的一个较佳实施例，所述样品置换杆(722)为中空管一体弯折成型，得到所述顶出杆(722a)、连接杆(722b)和控制杆(722c)；所述控制杆(722c)伸出至悬浮加热腔体(7)的一端连接惰性气体气源(1)，借此通过所述样品置换杆(722)向真空腔体(10)通入惰性保护气体或通过操作所述控制杆(722c)使所述顶出杆(722a)对合金样品吹气实现温度调节。在对合金样品吹气冷却至预定温度后，操作所述控制杆(722c)使顶出杆(722a)离开悬浮感应线圈(71a)的下方，以便合金样品液滴能够顺利下落。

由于样品置换杆(722)为中空管一体弯折成型，故所述顶出杆(722a)的端面呈现环形圈状，该环形圈状的端面结构更可稳固地托起合金样品，将其托升到悬浮感应线圈(71a)的中央。

根据本发明的一个较佳实施例，所述扇形盘面(721a)上设置的通孔(721h)的数量为1个或1个以上，优选为多个，例如可设置3-10个或依实际需要设计，且所述通孔(721h)的中心到所述转轴(721b)的距离相等。扇形盘面(721a)为可更换组件，不同的扇形盘面(721a)上面的通孔(721h)的数量、孔径不同。

根据本发明的一个较佳实施例，所述金属材料凝固成型装置还包括样品温度监测装置(30)，其包括非接触式温度传感器(31)，所述非接触式温度传感器(31)设于所述悬浮加热腔体(7)的顶部上方；所述悬浮加热腔体(7)的顶部设有视窗，所述非接触式温度传感器(31)透过所述视窗，用于实时感测合金样品的温度。

优选地，所述非接触式温度传感器(31)为红外测温仪,其测温范围为800-2500K。

根据本发明的一个较佳实施例，所述运动探测装置(50)设于所述自由下落腔体(8)的外部，其包括探测器(50d)、固定架(50b)、滑轨(50c)和驱动装置(50a)；所述探测器(50d)通过固定架(50b)连接在所述滑轨(50c)上，所述驱动装置(50a)驱动所述固定架(50b)沿所述滑轨(50c)以一定速度上下移动；所述探测器(50d)朝向所述自由下落腔体(8)设置，所述自由下落腔体(8)与所述探测器(50d)靠近的一侧设有若干检测窗(C)；所述探测器(50d)为红外测温仪或高速CCD(高速摄像机)或前述二者的组合。检测窗(C)的数量不作限制，依检测需求设置，例如可设4-8个。

根据本发明的一个较佳实施例，所述压力成型装置(90)还包括模具支架(92)，所述模具支架(92)上设有线性轨道，所述两个半模(91)的底部滑动设在所述线性轨道上，在所述两个半模(91)的背向侧面上分别设有电磁铁(911)，通过控制输入所述电磁铁(911)的电流使所述两个半模(91)相向运动实现合模或背向运动实现开模。

优选地，所述半模(91)为铜质制成，具有更好的导热性能。

根据本发明的一个较佳实施例，所述两个半模(91)的相对的侧面形成凹槽，所述凹槽依据所要得到的金属凝固体的形状来设计。

根据本发明的一个较佳实施例，所述模具支架(92)可拆卸地安装在所述成型腔体(9)的内侧底部。

根据本发明的一个较佳实施例，所述金属材料凝固成型装置还包括真空系统(60)，包括泵体(61)和抽气管道，其抽气管道连接真空腔体(10)以用于对真空腔体(10)抽真空；所述泵体为分子泵和/或机械泵。

根据本发明的一个较佳实施例，所述金属材料凝固成型装置还包括控制系统(40)；在所述真空腔体(10)内还有气压传感器，所述气压传感器、和所述非接触式温度传感器(31)分别与所述控制系统(40)通信连接。

优选地，所述控制系统(40)通信连接所述高频感应加热电源(71b)和压力成型装置(90)的电磁铁(911)的伺服电路，以控制高频感应加热电源(71b)与悬浮感应线圈(71a)间电路的通断和输出功率，以及控制压力成型装置(90)的半模(91)的运动启停(启停时刻)或运动方向和速度。进一步地，控制系统(40)还通信连接所述真空系统(60)的泵体(61)的伺服电路、所述运动探测装置(50)的驱动装置(50a)、所述送样装置(72)的驱动电机(721c)，以控制所述真空系统(60)的泵体(61)的启停；或控制所述运动探测装置(50)的驱动装置(50a)，使其驱动探测器(50d)保持与样品同步移动；或者控制所述送样装置(72)的驱动电机(721c)的转动方向和转动角度。

优选地，所述惰性气体气源(1)设有电磁阀，所述控制系统(40)根据非接触式温度传感器(31)所监测的样品温度(或探测器50d感测的温度)或气压传感器所感应的真空腔体(10)真空度，来调节所述电磁阀的开闭和开度，实现对真空腔体(10)内气压的调节控制，或合金样品温度的调节控制。

此外，所述控制系统(40)可根据非接触式温度传感器(31)所监测的样品温度发出控制指令，控制高频感应加热电源(71b)的输出功率，以控制所述悬浮感应线圈(71a)的加热功率。

上述通讯连接可为有线或无线连接，优选地，位于真空腔体(10)外部的器件/传感器与控制系统(40)为有线连接，而位于真空腔体(10)内部的器件/传感器则与控制系统(40)采用无线连接。

再一方面，本发明还提供一种电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型方法，其特征在于，运用上述任一实施例所述的金属材料凝固成型装置，包括如下步骤：

S1：按照原子百分比精确称量原料，在惰性气体保护条件下制备合金样品；

S2：将合金样品送入到悬浮感应线圈(71a)的中央，将真空腔体(10)抽真空至10^-4-10^-6Pa，然后反充惰性保护气体至标准大气压；

S3：开启高频感应加热电源(71b)，调节电流至使合金样品稳定悬浮于悬浮感应线圈(71a)的中央，随后持续悬浮加热所述合金样品使其熔化并过热100-200K，通过向合金样品吹惰性气体使合金样品冷却降温；

S4：当合金样品温度下降至目标温度时，关闭高频感应加热电源(71b)使所述合金样品失去悬浮力支持开始自由下落，通过计算下落时间，开始驱动所述压力成型装置(90)的两个半模(91)产生相向运动，使得当所述合金样品到达所述压力成型装置(90)时，所述两个半模(91)合模并对合金样品进行挤压成型。

优选地，其中步骤S1中制备的合金样品直径为0.3-2cm；

步骤S4中，合金样品液滴自由下落的距离为0.5-1.5m。

此外，在所述合金样品自由下落开始前，开启运动探测装置(50)，以对所述合金样品自由下落过程中的温度及形态进行连续动态采集。

(三)有益效果

本发明所提出的电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固及成型装置，与现有技术相比，其优势表现在：

(1)本发明耦合了电磁悬浮无容器处理与自由落体无容器处理技术，克服了现有电磁悬浮凝固及成型装置无法使样品获得微重力的缺点。利用本发明所提供的装置，可使大尺寸金属液滴在成型前获得较低的微重力水平，有效抑制了熔体中重力引起的宏观偏析，使得合金样品微观组织均匀弥散，同时样品凝固前获得的深过冷效应能够极大程度地细化晶粒，减少缺陷，最终使得压力成型样品具备优异的应用性能。

(2)本发明增设了运动探测装置，可以对每个单一的金属液滴的自由落体过程中的温度及形态进行连续动态采集，能够有效获得微重力条件下不同时刻及下落高度时样品的温度，凝固界面迁移，液滴形态等众多热力学与动力学数据，为研究金属及合金微重力凝固规律提供了重要支撑。其中运动探测装置的探测器可为红外测温仪或高速CCD(高速摄像机)或前述二者的组合。

(3)本发明成型装置结构精巧。其中的悬浮感应线圈可针对直径在毫米至厘米级的样品进行优化设计和更换；其中压力成型装置采用灵敏度高的电磁铁控制半模的移动。本发明的成型装置能够有效实现毫米至厘米级金属材料的快速凝固和一体化压力成型，并能准确控制合金凝固体的成型效果。

(4)本发明的真空腔体在抽高真空后，还可以反充入惰性保护气体至标准气压(为氩气、氦气、氮气或混合气体)，能有效防止合金样品的氧化，同时能够在抽取一次真空的前提下利用送样装置(扇形盘面上有多个孔用于放置多个合金样品)进行多次重复实验，大大提高了实验效率与实验结果的准确度。

(5)本发明结构简单，适用范围广，只需更换相应规格的悬浮感应线圈组件和高频感应加热电源，就能方便实现不同尺寸及不同种类合金的快速凝固和压力成型。

(6)本发明设有控制系统，可实现真空腔体内压力的闭环控制，同时与非接触式温度传感器通讯连接，可实现对样品加热温度的闭环控制。此外该控制系统自动控制高频感应加热电源的通断和输出功率，控制压力成型装置的电磁铁伺服电路的通断等，实现整个成型装置的各组成系统的智能化配合。

附图说明

图1为本发明提供的电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固及成型装置总体结构示意图。

图2为电磁悬浮过程示意图。

图3为送样装置的扇形盘面示意图。

图4为合金样品液滴自由落体及运动探测过程示意图。

图5为压力成型装置的侧视图。

图6为压力成型装置的两个半模的俯视图。

图7为控制系统与其他组件的连接和控制关系图。

图8为计算所得实验过程中样品下落时间与下落距离关系图。

【附图标记说明】

1惰性气体气源、10真空腔体、7悬浮加热腔体、8自由下落腔体、9成型腔体、71悬浮感应加热装置、71a悬浮感应线圈、90压力成型装置、91半模、92模具支架、911电磁铁、72送样装置、721样品置换盘、721a扇形盘面、721b转轴、721c驱动电机、721h通孔、722样品置换杆、722a顶出杆、722b连接杆、722c控制杆、30样品温度监测装置、31样品温度监测装置、60真空系统、泵体61、50运动探测装置、50d探测器、50b固定架、50c滑轨、50a驱动装置、40控制系统、A样品放置窗、B透明视窗、C检测窗、L线性轨道。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

结合图1所示，本发明较佳实施例的一种电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型装置，其包括真空腔体10、悬浮感应加热装置71、送样装置72、压力成型装置90、运动探测装置50、样品温度监测装置30、控制系统40和真空系统60。以下分别对上述各组成部分的结构和特点及作用描述如下：

真空腔体10包括从上到下依次连接的悬浮加热腔体7、自由下落腔体8和成型腔体9。其中悬浮加热腔体7用于对合金样品进行悬浮加热熔融、自由下落腔体8提供合金熔融液滴自由落体运动的空间、使下落的合金液滴获取微重力环境，所述成型腔体9内设有压力成型装置，用于制备特定形状的合金凝固体。优选地，悬浮加热腔体7为球形腔体(内腔为球形)、直径为250-500mm，自由下落腔体8和成型腔体9为中空圆柱状腔体。球形腔体的对称性好，便于找到几何中心，使合金样品处于对称的环境(使合金样品处于腔体中央)，有利于对悬浮于腔体中央的样品各种物化性质进行探测。优选地，自由下落腔体直径为100-200mm，高度为500-1500mm。优选地，成型腔体9直径大于自由下落腔体8的直径，约为300-500mm，高度为300-500mm。悬浮加热腔体7、自由下落腔体8和成型腔体9三个腔体通过法兰保持密封连通。由下落腔体8的长度可设计多种规格的长度，根据实验所用的合金种类不同，更换不同长度的由下落腔体8，且由下落腔体8都具有统一的法兰接口，与悬浮加热腔体7及成型腔体9可密封连接。

真空系统60，用于对真空腔体10内抽真空，其包括泵体61和抽气管道，抽气管道连接真空腔体10，泵体61可为分子泵或机械泵或两种泵的组合。所述真空腔体10内的真空度可达10^-4-10^-6Pa。

对应悬浮加热腔体7的位置设有悬浮感应加热装置71，借助悬浮感应加热装置71实现对合金样品的悬浮和加热熔化。悬浮感应加热装置71包括悬浮感应线圈71a和高频感应加热电源71b，其中高频感应加热电源71b设于悬浮加热腔体7的外部，而悬浮感应线圈71a螺旋绕制形成中空圆柱体，并设于悬浮加热腔体7的内部，优选设在悬浮加热腔体7的中央位置。

结合图1及图2所示，悬浮感应线圈71a与高频感应加热电源71b电性连接。悬浮感应线圈71a可包括两层线圈，即内层线圈(黑色圆点)和外层线圈(空心圆点)，内层线圈和外层线圈均为由中空紫铜管螺旋绕制形成的中空圆柱体，且内层线圈与外层线圈具有同一轴心线，合金样品被悬浮在该轴心线上。该中空紫铜管的中间通入循环冷却水，防止加热过程中悬浮感应线圈因温度过高而损坏。

优选地，所述中空紫铜管的直径为4-6mm，内层线圈的绕制匝数为4-6匝，螺旋绕制直径为6-40mm，外层线圈的绕制直径大于该内层线圈，绕制匝数为2-4匝。优选地，所述高频感应加热电源71b的功率为6-30KW。在本实施例中设有两层线圈，其优点是有利于进一步提高悬浮力以及实现悬浮力大小的适应性调整，对厘米级尺寸的合金样品提供足够的悬浮力。悬浮感应线圈71a为可更换组件，当合金样品尺寸较小时，使用具有一层线圈的悬浮感应线圈71a；当合金样品尺寸较大时，使用具有两层的悬浮感应线圈71a。

对应悬浮加热腔体7的位置还设有送样装置72，通过该送样装置72实现向真空腔体10内的传送待实验的合金样品。其中，在悬浮加热腔体7的一侧设有样品放置窗A，实验人员打开该样品放置窗A，将待实验的样合金品放置送样装置72上，操作送样装置72使合金样品到达悬浮感应线圈71a的中心位置。

结合图2-3所示，送样装置72包括样品置换盘721和样品置换杆722。其中，样品置换盘721包括一个扇形盘面721a和与扇形盘面721a的圆心处连接的转轴721b，转轴721b竖直方向固定在悬浮加热腔体7中且其上部末端伸出至外部，与驱动电机721c连接。如图3所示，在扇形盘面721a上设有通孔721h，通孔721h用于放置合金样品。合金样品形状通常为椭球形，其外径大于通孔721h的内径。通孔721h的尺寸可以有多种，针对不同规格尺寸的合金样品设计，其直径优选为0.2-1.8cm。通孔721h的数量为多个，且多个通孔721h的中心到转轴721b的距离是相等的。在驱动电机721c的驱动下，使扇形盘面721a转动，且每转动一格，使通孔721h对齐在悬浮感应线圈71a轴心线下方。在其他实施例中，也可不设置该驱动电机721c，而采用手动操作。

如图2所示，样品置换杆722包括顶出杆722a、连接杆722b和控制杆722c。控制杆722c竖直方向固定在悬浮加热腔体7中且其上部末端伸出至外部，控制杆722c的下部末端连接水平方向的连接杆722b的一端，而连接杆722b的另一端则连接呈竖直向上设置的顶出杆722a。通过操作控制杆722c的上部末端，可控制连接杆722b在水平面内转动以及顶出杆722a上下移动。由此，在要放置合金样品时，首先转动扇形盘面721a，使放置了合金样品的通孔721h对位于悬浮感应线圈71a轴心线下方，然后转动控制杆722c，使顶出杆722a对齐该通孔721h的下方(轴心线下方的通孔)，然后向上提拉控制杆722c，使顶出杆722a将合金样品托起，升高送入悬浮感应线圈71a中心位置。待悬浮感应线圈71a工作产生的悬浮力将合金样品悬浮起后，再操作控制杆722c和转轴721b(转轴721b由驱动电机721c驱动)，使顶出杆722a和扇形盘面721a复位，离开悬浮感应线圈71a的下方。

优选地，在顶出杆722a的上部端面设有凹陷面，以稳固地托起合金样品。而在本实施例中，所述样品置换杆722为中空管一体弯折成型，同时成型顶出杆722a、连接杆722b和控制杆722c。此时，顶出杆722a的上部端面呈现环形圈状，该环形圈状的端面结构更可稳固地托起合金样品。更重要的是，结合图1所示，控制杆722c的上部末端伸出至悬浮加热腔体7外部，与惰性气体气源1连接。借此，通过样品置换杆722可向真空腔体10通入惰性保护气体，还可以借助样品置换杆722、及其顶出杆722a对准合金样品吹出气体(具有较低初始温度)，实现对悬浮的合金样品的降温调节。其中，控制杆722c的上部末端是通过可弯折、可拉伸的波纹管与惰性气体气源1连接，使控制杆722c的操控更加灵活。

结合图1所示，对应悬浮加热腔体7的位置还设有样品温度监测装置30，其包括非接触式温度传感器31和支架和通讯线缆，非接触式温度传感器31设于悬浮加热腔体7顶部正上方，在悬浮加热腔体7的顶部设有透明视窗B，非接触式温度传感器31透过该透明视窗B，可实时探测合金样品的温度。优选地，非接触式温度传感器31为红外测温仪,其测温范围为800-2500K。

结合图1和图4所示，在对应自由下落腔体8的位置设有运动探测装置50，用于对在自由下落腔体8中正在进行下落运动的合金液滴的温度及形态进行连续动态采集。

如图1和图4所示，自由下落腔体8的一侧设有若干个检测窗C，运动探测装置50设于自由下落腔体8的外部对应设有检测窗C的一侧。运动探测装置50包括探测器50d、固定架50b、滑轨50c和驱动装置50a。探测器50d通过固定架50b连接在滑轨50c上，驱动装置50a驱动固定架50b沿着滑轨50c以一定速度上下移动。其具体实现方式可为链条传动等任何可实现该功能的机械驱动组合，例如链条传动为：驱动装置50a驱动链条在滑轨50c内移动，固定架50b固定在链条上，链条的移动带动固定架50b沿着滑轨50c上下移动。探测器50d可为红外测温仪或高速CCD(高速摄像机)或前述二者的组合，具体可根据实验需求选择和更换。在其他实施例中，探测器50d还可为固定的、不可上下滑移的结构，例如可对应该自由下落腔体8侧面的检测窗C的数量设置多个，从上到下间隔设置。而在本实施例中，则优选设置成前述可上下控制滑移的移动式探测器50d，在具体实验过程中，通过样品下落距离计算样品的运动时间与瞬时速度，控制使探测器5d以与实验样品相同的速度同步下落移动，按照此种方式设置的运动探测装置50，其采集到的数据量更小，便于分析处理，同时运动探测装置的结构更加简单精巧，控制难度和控制成本也更低。

在成型腔体9中设置压力成型装置90，该压力成型装置90用于将从自由下落腔体8中落下的合金液滴挤压成型为预设形状的合金凝固体。结合图1和图5-6所示，压力成型装置90包括模具支架92，模具支架92上设有线性轨道L，两个半模91的底部滑动设在线性轨道L上，在两个半模91的背向侧面上分别设有电磁铁911，通过控制输入电磁铁911的电流使两个半模91相向运动实现合模或背向运动实现开模。在两个半模91上的电磁铁911的相互吸力为1-10kgf，两个半模91的总行程为10-30mm。半模91形状包括但不限于长方形，正方形和圆形和椭圆形。所述两个半模91受电磁铁911驱动后，快速沿线性轨道相向运动实现合模，将落入到所述两个半模91之间的合金样品进行挤压成型。此外，驱动所述两个半模91相向运动或背向运动的方式不限于电磁铁，还可以其他任何机械式传动方式。但由于电磁铁具有高灵敏性，在电磁铁导通的即可即可产生运动速度，成为一个优选方式。其中，半模91可采用铜质制成，铜制模具具有更好的导热性能。其中，模具支架92可拆卸地安装在成型腔体9的内侧底部，可根据实际实验的需要，更换模具型号。如图6所示，在两个半模91的相对的侧面上形成有凹槽，该凹槽可为方形凹槽(图6以方形为例)、弧形凹槽或异型凹槽等，凹槽形状依据所要得到的金属凝固体的形状来设计。

结合图1及图7所示，为本发明的控制系统40与其他部件的连接和控制关系图。可在真空腔体10内设置气压传感器，使气压传感器、和非接触式温度传感器31、探测器50d与控制系统40以有线或无线的方式通信连接，将各自采集的实时信号发送给控制系统40，由控制系统40整合处理。

同时，控制系统40还通信连接高频感应加热电源71b、压力成型装置90的电磁铁911的伺服电路，主要是为了控制压力成型装置90的两个半模91在高频感应加热电源71b关闭后的预定时刻启动相向运动模式，在合金样品失去悬浮感应线圈71a的悬浮支持力后，自由下落穿过自由下落腔体8进入到两个半模91的同时，两个半模91恰好相互靠近对合金样品进行挤压成型。为了精确挤压成型的时间，可由控制系统40根据合金样品质量、体积，腔体中保护气体氛围(气体密度)以及下落距离等信息计算样品下落至两个半模91之间所需的时间(如图8所示的样品下落时间与下落距离关系图)，将所需要时间输入至控制系统40中，以关闭高频感应加热电源71b的时刻为触发信号，以下落所需的时间为延迟时间，来启动半模91的相向运动。在其他实施例中，可在成型腔体9的入口处设置红外感测器，以该红外感测器感测到有液滴的时间为触发时间，启动半模91的相向运动。

经在具体实验中发现，当合金样品的尺寸在毫米级到厘米级范围内时，合金样品下落到两个半模91之间所需时间几乎没有差异，故简化处理为高频感应加热电源71b关闭时刻+一确定延时△t，来启动半模91的相向运动。

如图7所示，控制系统40还通信连接所述真空系统60的泵体61的伺服电路、运动探测装置50的驱动装置50a、送样装置72的驱动电机721c，以控制泵体61的启停，或控制运动探测装置50的探测器50d的运动方向和速度，或控制送样装置72的驱动电机721c的转动方向和转动角度等等。此外，惰性气体气源1设有电磁阀，控制系统40可根据非接触式温度传感器31所监测的样品温度或气压传感器所感应的真空腔体10的气压，来调节电磁阀的开闭和开度，实现对真空腔体10内气压的调节控制，或合金样品温度的调节控制。此外，控制系统40可根据非接触式温度传感器31所监测的样品温度发出控制指令，控制高频感应加热电源71b的输出功率，以控制悬浮感应线圈71a的加热功率。上述通讯连接可为有线或无线连接。

本发明还提供一种电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型方法，其运用上述人以实施例所述的金属材料凝固成型装置，包括如下步骤：

S1：按照原子百分比精确称量原料，在惰性气体保护条件下制备合金样品。

优选地，采用电弧熔炼法在惰性气体保护条件下制备母合金，所述母合金为椭球形，合金样品直径为0.3-2cm。

S2：将合金样品送入到悬浮感应线圈71a的中央，将真空腔体10抽真空至10^-4-10^{- 6}Pa，然后反充惰性保护气体至标准大气压。

所述惰性气体为氦气、氩气或氦气与氩气的混合。

S3：开启高频感应加热电源71b，调节电流至使合金样品稳定悬浮于悬浮感应线圈71a的中央，随后持续悬浮加热合金样品使其熔化并过热100-200K(由非接触式温度传感器31测温)，通过惰性气体气源1、样品置换杆722(中空管体)向合金样品吹惰性气体以使其冷却降温；在对合金样品吹气冷却至预定温度后，操作控制杆722c使顶出杆722a离开悬浮感应线圈71a的下方，以便合金样品液滴能够顺利下落。

S4：当合金样品温度下降至目标温度时，关闭高频感应加热电源71b使合金样品失去悬浮力支持开始自由下落，由控制系统40计算下落时间，开始驱动压力成型装置90的两个半模91产生相向运动，使得当合金样品液滴下落至压力成型装置90之时，两个半模91恰好合模并对合金样品进行挤压成型。在合金样品自由下落开始前，开启运动探测装置50，通过探测器50d对合金样品自由下落过程中的温度及形态进行连续动态采集。其中，合金样品液滴自由下落的距离为0.5-1.5m。

以下为利用上述较佳实施例的电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型装置进行合金凝固实验的具体实施例，通过以下具体实施例的验证，可进一步明确本发明技术方案的特点和优点。

实施例1

本实施例的实验步骤如下：

S1:按照Fe_81.4Cr_13.9Ni_4.7原子百分比精确称量原料，采用电弧熔炼法在惰性气体保护条件下制备母合金，所述母合金为椭球形，平均直径约为0.3cm。

S2:将步骤S1中制备的母合金样品通过送样装置72送至电磁悬浮感应线圈71a中央，通过真空系统60将真空腔体10抽真空至1×10^-4Pa，关闭真空系统60，然后反充惰性气体至一个标准大气压，所述惰性气体为氦气。

S3:开启高频感应加热电源71b，调节电流至合适值，使母合金样品稳定悬浮于悬浮感应线圈71a中央。随后持续悬浮加热样品使其熔化并过热100K，通过非接触式温度传感器31实时获取样品温度信息。通过样品置换杆722从样品正下方向上吹气，调节气流速度以及流量，使样品冷却降温。

S4:利用样品下落距离精确计算样品下落时间及速度等运动信息并输入至控制系统40中，通过控制系统40调控半模91运动的时刻与速度。关闭高频感应加热电源71b，使合金液滴自由下落至压力成型装置90中挤压成型。与此同时开启运动探测装置50，对样品自由下落过程中的温度及形态进行连续动态采集。所述样品下落距离为0.5m，下落时间参见图8。

实施例2

本实施例的实验步骤如下：

S1:按照Ni-5％Cu-5％Mo-5％Ge质量百分比精确称量原料，采用电弧熔炼法在惰性气体保护条件下制备母合金，所述母合金为椭球形，平均直径约为1cm。

S2:将步骤S1中制备的母合金样品通过送样装置72送至电磁悬浮感应线圈71a中央，通过真空系统60将真空腔体10抽真空至3×10^-5Pa，关闭真空系统60，然后反充惰性气体至一个标准大气压，所述惰性气体为氩气。

S3:开启高频感应加热电源71b，调节电流至合适值，使母合金样品稳定悬浮于悬浮感应线圈71a中央。随后持续悬浮加热样品使其熔化并过热150K，通过非接触式温度传感器31实时获取样品温度信息。通过样品置换杆722从样品正下方向上吹气，调节气流速度以及流量，使样品冷却降温。

S4:利用样品下落距离精确计算样品下落时间及速度等运动信息并输入至控制系统40中，通过控制系统40调控半模91运动的时刻与速度。关闭高频感应加热电源71b，使合金液滴自由下落至压力成型装置90中挤压成型。与此同时开启运动探测装置50，对样品自由下落过程中的温度及形态进行连续动态采集。所述样品下落距离为1m，下落时间参见图8。

实施例3

本实施例的实验步骤如下：

S1:按照Fe_67.5Al_22.8Nb_9.7原子百分比精确称量原料，采用电弧熔炼法在惰性气体保护条件下制备母合金，所述母合金为椭球形，平均直径约为2cm。

S2:将步骤S1中制备的母合金样品通过送样装置72送至电磁悬浮感应线圈71a中央，通过真空系统60将真空腔体10抽真空至5×10^-6Pa，关闭真空系统60，然后反充惰性气体至一个标准大气压，所述惰性气体为氦气。

S3:开启高频感应加热电源71b，调节电流至合适值，使母合金样品稳定悬浮于悬浮感应线圈71a中央。随后持续悬浮加热样品使其熔化并过热200K，通过非接触式温度传感器31实时获取样品温度信息。通过样品置换杆722从样品正下方向上吹气，调节气流速度以及流量，使样品冷却降温。

S4:利用样品下落距离精确计算样品下落时间及速度等运动信息并输入至控制系统40中，通过控制系统40调控半模91运动的时刻与速度。关闭高频感应加热电源71b，使合金液滴自由下落至压力成型装置90中挤压成型。与此同时开启运动探测装置50，对样品自由下落过程中的温度及形态进行连续动态采集。所述样品下落距离为1.5m，下落时间参见图8。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型装置，其特征在于，其包括：

真空腔体(10)，其包括从上到下依次连接的悬浮加热腔体(7)、自由下落腔体(8)和成型腔体(9)；

悬浮感应加热装置(71)，其包括悬浮感应线圈(71a)和高频感应加热电源(71b)；所述悬浮感应线圈(71a)螺旋绕制形成中空圆柱体，并设于所述悬浮加热腔体(7)内部，所述悬浮感应线圈(71a)用于对合金样品进行加热熔融和悬浮；所述自由下落腔体(8)为中空管体，对应于所述悬浮感应线圈(71a)的下方位置，与所述悬浮加热腔体(7)连通；自由下落腔体(8)提供合金液滴样品自由下落空间，使其获得微重力；

运动探测装置(50)，用于对在所述自由下落腔体(8)中进行下落运动的合金样品的温度及形态进行连续动态采集；

压力成型装置(90)，所述压力成型装置(90)包含两个分开的半模(91)，所述半模(91)设于所述成型腔体(9)的内部，所述两个分开的半模(91)受驱动后相向运动实现合模，将落入到所述两个半模(91)之间的合金样品进行挤压成型。

2.根据权利要求1所述的金属材料凝固成型装置，其特征在于，所述自由下落腔体(8)为中空圆柱形管体，其高度为500-1500mm，用于在合金液滴在下落过程中获取微重力。

3.根据权利要求1所述的金属材料凝固成型装置，其特征在于，所述金属材料凝固成型装置还包括送样装置(72)，其对应设在所述悬浮加热腔体(7)中，所述悬浮加热腔体(7)的一侧设有样品放置窗；

所述送样装置(72)包括样品置换盘(721)和样品置换杆(722)；所述样品置换盘(721)包括一个扇形盘面(721a)和与所述扇形盘面(721a)的圆心处连接的转轴(721b)，所述转轴(721b)竖直方向固定在所述悬浮加热腔体(7)中且其上部末端伸出至悬浮加热腔体(7)的外部，与驱动电机(721c)连接；在所述扇形盘面(721a)上设有通孔(721h)，所述通孔(721h)用于放置合金样品；

所述样品置换杆(722)包括顶出杆(722a)、连接杆(722b)和控制杆(722c)；所述控制杆(722c)竖直方向固定在所述悬浮加热腔体(7)中且其上部末端伸出至悬浮加热腔体(7)的外部，控制杆(722c)的下部末端连接水平方向的连接杆(722b)的一端，所述连接杆(722b)的另一端连接呈竖直向上设置的顶出杆(722a)；通过操作所述控制杆(722c)，控制所述顶出杆(722a)上下移动以及控制所述连接杆(722b)在水平面内转动。

4.根据权利要求3所述的金属材料凝固成型装置，其特征在于，所述样品置换杆(722)为中空管一体弯折成型，得到所述顶出杆(722a)、连接杆(722b)和控制杆(722c)；所述控制杆(722c)伸出至悬浮加热腔体(7)的一端连接惰性气体气源(1)，借此通过所述样品置换杆(722)向真空腔体(10)通入惰性保护气体或通过操作所述控制杆(722c)使所述顶出杆(722a)对合金样品吹气实现温度调节。

5.根据权利要求1所述的金属材料凝固成型装置，其特征在于，所述金属材料凝固成型装置还包括样品温度监测装置(30)，其包括非接触式温度传感器(31)，所述非接触式温度传感器(31)设于所述悬浮加热腔体(7)的顶部上方；所述悬浮加热腔体(7)的顶部设有视窗，所述非接触式温度传感器(31)透过所述视窗，用于实时感测合金样品的温度；

所述金属材料凝固成型装置还包括真空系统(60)，包括泵体(61)和抽气管道，其抽气管道连接真空腔体(10)以用于对真空腔体(10)抽真空；所述泵体为分子泵和/或机械泵。

6.根据权利要求1所述的金属材料凝固成型装置，其特征在于，所述运动探测装置(50)设于所述自由下落腔体(8)的外部，其包括探测器(50d)、固定架(50b)、滑轨(50c)和驱动装置(50a)；所述探测器(50d)通过固定架(50b)连接在所述滑轨(50c)上，所述驱动装置(50a)驱动所述固定架(50b)沿所述滑轨(50c)以一定速度上下移动；所述探测器(50d)朝向所述自由下落腔体(8)设置，所述自由下落腔体(8)与所述探测器(50d)靠近的一侧设有若干检测窗；所述探测器(50d)为红外测温仪和/或高速CCD。

7.根据权利要求1所述的金属材料凝固成型装置，其特征在于，所述压力成型装置(90)还包括模具支架(92)，所述模具支架(92)上设有线性轨道，所述两个半模(91)的底部滑动设在所述线性轨道上，在所述两个半模(91)的背向侧面上分别设有电磁铁(911)，通过控制输入所述电磁铁(911)的电流使所述两个半模(91)相向运动实现合模或背向运动实现开模。

8.根据权利要求7所述的金属材料凝固成型装置，其特征在于，所述金属材料凝固成型装置还包括控制系统(40)；所述控制系统(40)通信连接所述高频感应加热电源(71b)和压力成型装置(90)的电磁铁(911)的伺服电路，以控制高频感应加热电源(71b)的启停和输出功率，以及控制压力成型装置(90)的半模(91)的运动启停或运动方向和速度；所述控制系统(40)还通信连接所述运动探测装置(50)的驱动装置(50a)，以使驱动装置(50a)驱动探测器(50d)与样品同步移动。

9.一种电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型方法，其特征在于，运用权利要求1-8任一项所述的金属材料凝固成型装置，包括如下步骤：

S1：按照原子百分比精确称量原料，在惰性气体保护条件下制备合金样品；

S2：将合金样品送入到悬浮感应线圈(71a)的中央，将真空腔体(10)抽真空至10^-4-10^{- 6}Pa，然后反充惰性保护气体至标准大气压；

S3：开启高频感应加热电源(71b)，调节电流至使合金样品稳定悬浮于悬浮感应线圈(71a)的中央，随后持续悬浮加热所述合金样品使其熔化并过热100-200K，通过向合金样品吹惰性气体使合金样品冷却降温；

S4：当合金样品温度下降至目标温度时，关闭高频感应加热电源(71b)使所述合金样品失去悬浮力支持开始自由下落，通过计算下落时间，开始驱动所述压力成型装置(90)的两个半模(91)产生相向运动，使得当所述合金样品到达所述压力成型装置(90)时，所述两个半模(91)合模并对合金样品进行挤压成型。

10.根据权利要求9所述的金属材料凝固成型方法，其特征在于，其中步骤S1中制备的合金样品直径为0.3-2cm；

步骤S4中，合金样品液滴自由下落的距离为0.5-1.5m。

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