CN115232999B - 一种电磁悬浮材料制备方法与系统 - Google Patents

一种电磁悬浮材料制备方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电磁悬浮材料制备方法与系统，涉及金属材料制备技术领域，方法包括将合金样品放置在悬浮熔炼线圈中心并对真空腔体依次进行抽真空和充惰性气体操作；开启高频感应电流以使合金样品悬浮在悬浮熔炼线圈中心并对合金样品进行悬浮熔炼得到悬浮熔体；开启行波磁场发生器，对悬浮熔体进行电磁搅拌，充入惰性气体使得悬浮熔体的过冷度达到设定目标值，得到深过冷熔体；开启脉冲磁场发生器对深过冷熔体触发形核，并在凝固过程中继续施加脉冲磁场细化凝固组织；持续充入惰性气体使深过冷熔体完全凝固；合金样品在电磁悬浮条件下制备。本发明通过在电磁悬浮过程中施加动磁场，对合金的悬浮熔凝过程进行主动调控，从而显著提升材料的应用性能。

Description

一种电磁悬浮材料制备方法与系统
技术领域
本发明涉及金属材料制备技术领域，特别是涉及一种电磁悬浮材料制备方法与系统。
背景技术
金属或合金凝固过程中的磁场控制技术是材料科学中一项重要的研究课题。根据磁场的产生原理可以将磁场类型分为静磁场与动磁场。与静磁场相比，用于控制合金凝固过程所需的动磁场强度明显较低，且动磁场的类型更加丰富，包括行波磁场、脉冲磁场、交变磁场等多种磁场类型，可以根据材料制备需求选择所需的动磁场类型，具有十分广泛的应用前景。现有的电磁场控制的合金制备技术能够有效改善材料的应用性能，但相关技术均在有容器的状态下进行，容器壁的存在使合金熔体难以达到深过冷状态。
电磁悬浮技术是一种典型的材料无容器处理技术，金属或合金样品在洛伦兹力的作用下可以实现较为稳定的悬浮状态，同时在高频感应交变磁场的作用下实现样品的熔化。由于样品在熔凝过程中始终处于无容器状态，极大地减小异质形核对合金凝固过程的影响，可使样品达到深过冷状态并有效提升合金应用性能。近年来，研究人员对电磁悬浮技术进行了改进。但现有技术仅限于将静磁场与电磁悬浮技术相结合，而动磁场尚未应用于电磁悬浮技术领域，合金在悬浮熔凝过程中的磁场类型较为单一。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁悬浮材料制备方法与系统，通过在电磁悬浮过程中施加动磁场，对合金的悬浮熔凝过程进行主动调控，从而显著提升材料的应用性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种电磁悬浮材料制备方法，包括：
将合金样品放置在悬浮熔炼线圈中心并对真空腔体依次进行抽真空和充惰性气体操作；
开启高频感应电流以使所述合金样品悬浮在所述悬浮熔炼线圈中心并对所述合金样品进行悬浮熔炼得到合金样品的悬浮熔体；
开启行波磁场发生器，对所述悬浮熔体进行电磁搅拌，充入惰性气体使得所述悬浮熔体的过冷度达到设定目标值，得到深过冷熔体；
开启脉冲磁场发生器对所述深过冷熔体触发形核，并在凝固过程中继续施加脉冲磁场细化所述合金样品的凝固组织；
持续充入惰性气体使所述深过冷熔体完全凝固；所述合金样品在电磁悬浮条件下制备。
可选地，所述过冷度的范围为0～500K，所述悬浮熔体的过热度的范围为100～500K。
可选地，所述真空腔体的真空度的范围为10-4～10-7Pa。
一种电磁悬浮材料制备系统，所述电磁悬浮材料制备系统应用所述的电磁悬浮材料制备方法，所述电磁悬浮材料制备系统包括：真空腔体、悬浮熔炼线圈、高频感应电源、行波磁场发生器、脉冲磁场发生器、行波磁场线圈和脉冲磁场线圈；
所述悬浮熔炼线圈设置在所述真空腔体内；所述真空腔体用于提供合金样品的悬浮熔凝环境；所述悬浮熔炼线圈用于实现所述合金样品的悬浮熔化；所述高频感应电源与所述悬浮熔炼线圈连接；所述行波磁场发生器与所述行波磁场线圈连接；所述脉冲磁场发生器与所述脉冲磁场线圈连接；所述行波磁场线圈和所述脉冲磁场线圈用于为所述合金样品提供动磁场。
可选地，所述电磁悬浮材料制备系统还包括真空泵系统；所述真空泵系统与所述真空腔体连接；所述真空泵系统用于将所述真空腔体抽真空。
可选地，所述电磁悬浮材料制备系统还包括红外温度计；所述红外温度计设置在所述真空腔体外；所述红外温度计用于测量所述合金样品的悬浮熔体的温度。
可选地，所述电磁悬浮材料制备系统还包括多个隔热套；所述隔热套分别设置在所述行波磁场线圈和所述脉冲磁场线圈的外侧。
可选地，所述行波磁场线圈包括行波磁场第一线圈和行波磁场第二线圈；所述行波磁场第一线圈、所述行波磁场第二线圈和所述悬浮熔炼线圈上的悬浮熔体同轴设置。
可选地，所述脉冲磁场线圈包括脉冲磁场第一线圈和脉冲磁场第二线圈；所述脉冲磁场第一线圈、所述脉冲磁场第二线圈和所述悬浮熔炼线圈上的悬浮熔体同轴设置。
可选地，所述行波磁场线圈包括行波磁场第三线圈、行波磁场第四线圈、行波磁场第五线圈、和行波磁场第六线圈；所述脉冲磁场线圈包括脉冲磁场第三线圈、脉冲磁场第四线圈、脉冲磁场第五线圈和脉冲磁场第六线圈；所述行波磁场第三线圈、所述行波磁场第四线圈、所述行波磁场第五线圈、所述行波磁场第六线圈、所述脉冲磁场第三线圈、所述脉冲磁场第四线圈、所述脉冲磁场第五线圈、所述脉冲磁场第六线圈和所述悬浮熔炼线圈上的悬浮熔体同轴设置；所述行波磁场第三线圈、所述脉冲磁场第三线圈、所述行波磁场第四线圈、所述脉冲磁场第四线圈、所述行波磁场第五线圈、所述脉冲磁场第五线圈、所述行波磁场第六线圈和所述脉冲磁场第六线圈依次设置。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过开启行波磁场发生器控制行波磁场线圈产生行波磁场；开启脉冲磁场发生器控制脉冲磁场线圈产生脉冲磁场，在行波磁场和脉冲磁场形成的复合磁场即动磁场作用下，主动控制合金样品的悬浮熔凝过程，从而显著提升材料的应用性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的磁场发生器的输出波形图；
图2为本发明提供的电磁悬浮材料制备系统示意图；
图3为本发明实施例1中采用行波磁场时的动磁场系统俯视图；
图4为相应条件下的磁感应强度分布图；
图5为本发明实施例2中采用脉冲磁场时的动磁场系统俯视图；
图6为相应条件下的磁感应强度分布图；
图7为本发明实施例3中采用复合动磁场时的磁场系统俯视图；
图8为相应条件下的磁感应强度分布图；
图9为本发明实施例3中采用复合动磁场时的温度-时间曲线以及合金材料在不同熔凝阶段时磁场发生器的输出波形图；
图10为本发明提供的电磁悬浮材料制备方法流程图。
符号说明：
1-真空腔体、2-真空泵系统、3-惰性气体气源、4-悬浮熔炼线圈、5-吹气冷却装置、6-红外温度计、7-高频感应电源、8-行波磁场发生器、9-脉冲磁场发生器、10-行波磁场线圈、10-1-行波磁场第一线圈、10-2-行波磁场第二线圈、10-3-行波磁场第三线圈、10-4-行波磁场第四线圈、10-5-行波磁场第五线圈、10-6-行波磁场第六线圈、11-脉冲磁场线圈、11-1-脉冲磁场第一线圈、11-2-脉冲磁场第二线圈、11-3-脉冲磁场第三线圈、11-4-脉冲磁场第四线圈、11-5-脉冲磁场第五线圈、11-6-脉冲磁场第六线圈、12-隔热套。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电磁悬浮材料制备方法与系统，通过在电磁悬浮过程中施加动磁场，对合金的悬浮熔凝过程进行主动调控，从而显著提升材料的应用性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图10所示，本发明提供的一种电磁悬浮材料制备方法，包括：
步骤1：将合金样品放置在悬浮熔炼线圈中心并对真空腔体依次进行抽真空和充惰性气体操作。
将合金样品放入真空腔体，并装载至悬浮熔炼线圈的中心位置，使用真空泵系统将所述真空室抽真空，然后对所述真空室反充惰性气体至所需气压值。
步骤2：开启高频感应电流以使所述合金样品悬浮在所述悬浮熔炼线圈中心并对所述合金样品进行悬浮熔炼。
开启高频感应电源，逐步增加电流，在一定的电流值下使合金样品稳定悬浮于悬浮熔炼线圈中，使合金样品稳定悬浮，持续悬浮并对所述合金样品进行加热使其熔化并使样品处于过热态。
步骤3：开启行波磁场发生器，对所述悬浮熔体进行电磁搅拌，充入惰性气体使得所述悬浮熔体的过冷度达到设定目标值，得到深过冷熔体。其中吹入惰性气体使熔体温度降低并处于过冷状态。
步骤4：开启脉冲磁场发生器对所述深过冷熔体触发形核，并在凝固过程中继续施加脉冲磁场细化所述合金样品的凝固组织。在合金熔体凝固过程中对凝固组织进行细化。脉冲磁场作用于合金凝固过程中，可以使凝固组织中的晶粒尺寸降低，从而起到细化凝固组织的作用。在本发明中，脉冲磁场的作用有两方面，一方面是在合金熔体处于深过冷状态(凝固未开始)时，用于触发形核，另一方面是在凝固进行过程中，用于细化合金凝固组织，从而改善材料性能。
步骤5：持续充入惰性气体使所述深过冷熔体完全凝固；所述合金样品在电磁悬浮条件下制备。
开启行波磁场发生器，对合金熔体进行电磁搅拌。通过吹气冷却装置对合金熔体吹惰性气体使其降温至深过冷熔融状态，并通过红外温度计对熔体温度进行监测。当过冷度达到目标值后，开启脉冲磁场发生器，通过脉冲磁场对深过冷熔体触发形核。在剩余液相的凝固过程中，继续维持行波磁场与脉冲磁场，通过所述磁场的复合作用对合金熔体施加电磁搅拌与细化晶粒的作用效果，并在复合动磁场作用时继续通入惰性气体使合金熔体完全凝固。之后开启真空室，取出样品。
在实际应用中，所述过冷度的范围为0～500K，所述悬浮熔体的过热度的范围为100～500K。所述真空腔体的真空度的范围为10-4～10-7Pa。所述惰性气体为氩气、氦气或上述两种气体的任意比例混合气体。
本发明对所述行波磁场与脉冲磁场的形式没有特殊要求，可以根据材料制备需求对行波磁场或脉冲磁场的波形进行选择，另外磁场频率、幅值、脉冲脉宽的参数也可根据实际需求进行调整。图1的(a)部分为本发明实施例中行波磁场采用的时谐波形，图1的(b)部分、图1的(c)部分和图1的(d)部分为脉冲磁场采用的三种常见波形，分别为方波、三角波与振荡脉冲波，除此之外，还可根据需求调整电参数输出所需的任意波形。
本发明还提供电磁悬浮材料制备方法在实际应用中的几种具体实施例。
实施例1
本实施例的实验步骤如下：
S1：将质量为1g的Fe50Cu50合金样品置于悬浮熔炼线圈中心，将行波磁场线圈按照图3所示的方式放置，通过真空泵系统对真空腔体抽真空至1×10-5Pa。随后反充氩气至标准大气压。
S2：开启高频感应电源，使合金样品稳定悬浮于悬浮熔炼线圈中心，持续对悬浮样品进行加热并使样品过热100K。
S3：开启行波磁场发生器，调节输入电流为5A，工作频率为20Hz，通过行波磁场线圈产生的交变磁场对合金熔体施加电磁搅拌，使溶质场分布均匀。此时熔体周围的磁感应强度分布如图4所示。通过吹气冷却装置对熔体表面吹入氦气使其冷却并凝固，在凝固过程中通过行波磁场的电磁搅拌抑制不混溶相液滴的凝并。待样品完全凝固后，开启真空腔体并取出合金样品。
实施例2
本实施例的实验步骤如下：
S1：将质量为2g的Ti-6Al-4V合金样品置于悬浮熔炼线圈中心，将脉冲磁场线圈按照图5所示的方式放置，通过真空泵系统对真空腔体抽真空至1×10-6Pa。随后反充氦气至标准大气压。
S2：开启高频感应电源，使合金样品稳定悬浮于悬浮熔炼线圈中心，持续对悬浮样品进行加热并使样品过热200K。
S3：通过吹气冷却装置对样品表面吹入氦气使样品降温至过冷熔融状态，通过红外温度计持续获取样品温度。待过冷度达到200K时，开启脉冲磁场发生器，调节输入电流为5A，工作频率为500Hz，通过脉冲磁场线圈产生的脉冲信号触发熔体形核。此时熔体周围的磁感应强度分布如图6所示。持续通入氦气使合金熔体完全凝固，并在合金凝固过程中维持脉冲磁场以细化合金凝固组织。待样品完全凝固后，开启真空腔体并取出合金样品。
实施例3
本实施例的实验步骤如下：
S1：将质量为5g的Ni40.6Fe36.4Ti23合金样品置于悬浮熔炼线圈中心，将行波磁场线圈与脉冲磁场线圈按照图7所示的方式放置，通过真空泵系统对真空腔体抽真空至1×10- 7Pa。随后反充1:1的氩气与氦气至标准大气压。
S2：根据图9的(a)部分所示的温度-时间曲线进行合金材料的悬浮制备，并在不同的悬浮熔凝阶段施加不同的复合动磁场，主动控制材料的悬浮熔凝过程。开启高频感应电源，使合金样品稳定悬浮于悬浮熔炼线圈中心，持续对悬浮样品进行加热并使样品过热300K。在样品悬浮熔化的同时开启行波磁场发生器，调节输入电流为10A，工作频率为50Hz，对合金熔体施加电磁搅拌。此时的行波磁场波形如图9的(b)部分所示。
S3：通过吹气冷却装置对样品表面吹入氦气使样品降温至过冷熔融状态，通过红外温度计持续获取样品温度。待过冷度达到300K时，开启脉冲磁场发生器，调节输入电流为10A，工作频率为500Hz，通过脉冲磁场线圈产生的脉冲信号触发初生Ni3Ti相形核。此时的行波磁场与脉冲磁场波形如图9的(c)部分所示。
S4：继续通入氦气使样品温度降低，在剩余液相形成共晶的过程中继续施加行波磁场与脉冲磁场，以维持电磁搅拌并细化共晶组织，直至样品完全凝固。将脉冲波形由三角波形调整为方波波形，输入电流为10A，工作频率为500Hz，脉宽为1ms，此时所述磁场波形如图9的(d)部分所示，熔体周围的磁感应强度分布如图8所示。待样品完全凝固后，开启真空腔体11并取出合金样品。
如图2所示，本发明还提供一种电磁悬浮材料制备系统，所述电磁悬浮材料制备系统应用电磁悬浮材料制备方法，所述电磁悬浮材料制备系统包括：真空腔体1、悬浮熔炼线圈4、高频感应电源7、行波磁场发生器8、脉冲磁场发生器9、行波磁场线圈10和脉冲磁场线圈11。在实际应用中，电磁悬浮材料制备系统还包括真空泵系统2、红外温度计6、吹气冷却装置5、惰性气体气源3和多个隔热套12。
所述悬浮熔炼线圈4设置在所述真空腔体1内；所述真空腔体1用于提供合金样品的悬浮熔凝环境；所述悬浮熔炼线圈4用于实现所述合金样品的悬浮熔化；所述高频感应电源7与所述悬浮熔炼线圈4连接；所述行波磁场发生器8与所述行波磁场线圈10连接；所述脉冲磁场发生器9与所述脉冲磁场线圈11连接；所述行波磁场线圈10和所述脉冲磁场线圈11用于为所述合金样品提供动磁场。
所述真空泵系统2与所述真空腔体1连接；所述真空泵系统2用于将所述真空腔体1抽真空。
所述红外温度计6设置在所述真空腔体1外；所述红外温度计6用于测量所述合金样品的悬浮熔体的温度。
所述隔热套12分别设置在所述行波磁场线圈10和所述脉冲磁场线圈11的外侧。隔热套12由氧化铝制成，厚度为3～6mm。
所述真空腔体1用于实现合金材料的无容器状态、悬浮熔凝和放置动磁场线圈，真空腔体1可为圆柱型或球形腔体。所述真空泵系统2用于对真空腔体1抽真空使其达到超高真空状态，所述真空泵系统2为机械泵与分子泵的组合，可使真空腔体1的真空度达到10-4～10-7Pa。所述惰性气体气源3用于对真空腔体1提供惰性气体氛围，在本实施例中选择氦气气源，也可根据材料制备需求选择氩气、氮气等其他气源。所述悬浮熔炼线圈4用于实现合金样品的悬浮熔化，通过中空金属管螺旋绕制而成并置于真空腔体1的中心位置，线圈的尺寸、形状与匝数均不受限制，可根据样品需求进行选择。在本实施例中，悬浮熔炼线圈4由中空紫铜管绕制而成。所述吹气冷却装置5用于实现合金样品的冷却凝固，优选设在悬浮熔体的上方。所述红外温度计6用于对悬浮熔体的温度进行实时测量，通过支架固定于真空腔体1的侧面。红外温度计6的测温范围为300～3000K。所述高频感应电源7用于驱动悬浮熔炼线圈4，二者之间通过中空紫铜管电性连接，高频感应电源7设于真空腔体1的外部。所述行波磁场发生器8与脉冲磁场发生器9分别用于驱动行波磁场线圈10产生行波磁场，驱动脉冲磁场线圈11产生脉冲磁场，并根据需求输出特定类型的磁场，优选设在真空腔体1的外部。行波磁场线圈10与脉冲磁场线圈11设在悬浮熔炼线圈4的外围。所述隔热套12用于保护行波磁场线圈10与脉冲磁场线圈11，避免高温环境使其损坏。
行波磁场发生器8的电流为1～20A，频率变化范围为20～500Hz，行波磁场线圈10的匝数为20～200匝，工作电流为1～20A，频率变化范围为20～500Hz，线圈组数为1～4组，能够提供磁感应强度为0.1～200mT的行波磁场，可产生磁感应强度为0.1～200mT的行波磁场。脉冲磁场发生器9的电流为1～20A，频率变化范围为50～5000Hz，脉冲宽度为0.1～100ms，脉冲磁场线圈11的匝数为20～200匝，工作电流为1～20A，频率变化范围为50～5000Hz，线圈组数为1～4组，脉冲脉宽为0.1～10ms，能够提供磁感应强度为0.1～200mT的脉冲磁场。行波磁场线圈10与脉冲磁场线圈11外围为隔热套12，用于防止因悬浮物温度过高对动磁场线圈造成的损害。
根据本发明的较佳实施例，所述复合动磁场可由脉冲磁场与行波磁场通过多种方式组合而成，可通过改变磁场线圈的安装位置以及不同磁场线圈的参数以对合金熔体施加不同类型的作用效果。
作为一种可选地实施方式，所述行波磁场线圈10包括行波磁场第一线圈10-1和行波磁场第二线圈10-2；所述行波磁场第一线圈10-1、所述行波磁场第二线圈10-2和所述悬浮熔炼线圈4上的悬浮熔体同轴设置，其中，图3中虚线为对称轴。将行波磁场第一线圈10-1与行波磁场第二线圈10-2作为一组行波磁场与悬浮熔体同轴放置，用于对合金熔体施加电磁搅拌，如图3所示。
根据本发明的一个较佳实施例，在本实施例中，行波磁场线圈10组数为1组，可根据材料制备需求放置1～4组行波磁场线圈10，更高的线圈组数能够对合金熔体施加更为强烈的电磁搅拌效应。
根据本发明的一个较佳实施例，所述脉冲磁场线圈11包括脉冲磁场第一线圈11-1和脉冲磁场第二线圈11-2；所述脉冲磁场第一线圈11-1、所述脉冲磁场第二线圈11-2和所述悬浮熔炼线圈4上的悬浮熔体同轴设置。将脉冲磁场第一线圈11-1与脉冲磁场第二线圈11-2作为一组脉冲磁场与悬浮熔体同轴放置，并通过脉冲磁场线圈11产生的脉冲信号触发熔体形核，并细化晶粒，如图5所示。
在本实施例中，脉冲磁场线圈11组数为1组，可根据材料制备需求放置1～4组脉冲磁场线圈11，更高的线圈组数能够对合金熔体提供更加均匀的晶粒细化效果。
根据本发明的一个较佳实施例，使用4个行波磁场线圈10与4个脉冲磁场线圈11并构成2组行波磁场与2组脉冲磁场，每组磁场线圈均与悬浮熔体同轴放置，且每组行波磁场线圈10与每组脉冲磁场线圈11之间交错分布，构成复合动磁场，如图7所示。所述复合动磁场可以对合金熔体同时施加电磁搅拌、触发形核与细化晶粒的多种作用效果。
所述行波磁场线圈10包括行波磁场第三线圈10-3、行波磁场第四线圈10-4、行波磁场第五线圈10-5、和行波磁场第六线圈10-6；所述脉冲磁场线圈11包括脉冲磁场第三线圈11-3、脉冲磁场第四线圈11-4、脉冲磁场第五线圈11-5和脉冲磁场第六线圈11-6；所述行波磁场第三线圈10-3、所述行波磁场第四线圈10-4、所述行波磁场第五线圈10-5、所述行波磁场第六线圈10-6、所述脉冲磁场第三线圈11-3、所述脉冲磁场第四线圈11-4、所述脉冲磁场第五线圈11-5、所述脉冲磁场第六线圈11-6和所述悬浮熔炼线圈4上的悬浮熔体同轴设置；所述行波磁场第三线圈10-3、所述脉冲磁场第三线圈11-3、所述行波磁场第四线圈10-4、所述脉冲磁场第四线圈11-4、所述行波磁场第五线圈10-5、所述脉冲磁场第五线圈11-5、所述行波磁场第六线圈10-6和所述脉冲磁场第六线圈11-6依次设置。
本发明提供的方法及系统具有以下优势：
(1)本发明将复合动磁场技术应用于合金材料的电磁悬浮过程，所述复合动磁场由脉冲磁场与行波磁场组成，两组磁场分别由两组磁场发生器独立控制，可以根据样品制备需求灵活选择磁场组合类型，并通过调节电源工作频率、输入电流、线圈匝数等参数调节磁场形态与磁感应强度大小。所述复合动磁场用于主动控制合金的悬浮熔凝过程，尤其适用于深过冷熔融状态下的合金。
(2)本发明采用的行波磁场用于对电磁悬浮熔体提供电磁搅拌，使溶质场与温度场分布更加均匀，从而抑制或消除凝固组织的不均匀性。现有的电磁搅拌技术通常应用于过热熔体，而在电磁悬浮条件下合金熔体易于达到深过冷状态，此时仍可通过行波磁场对深过冷熔体内的流动状态进行主动控制，与现有技术相比具有显著优势。
(3)本发明采用的行波磁场为低频交变磁场，通过与悬浮线圈产生的高频交变磁场耦合，能够在熔体内形成均匀而稳定的液相流动。由于电磁悬浮线圈产生的高频交变磁场作用于合金熔体时具有显著的趋肤效应，液相流动局限在合金熔体表面附近区域。而行波磁场的频率较低，趋肤效应很弱，磁场可穿透至熔体中心区域。在上述两种磁场的耦合作用下，熔体内的流动更为均匀。
(4)本发明采用的脉冲磁场能够在深过冷条件下对合金熔体进行非接触式触发形核，与常规的接触式触发形核技术相比，具有瞬时性的技术优势，实验流程更为方便快捷，也避免了触发装置与合金熔体的直接接触及其可能产生的污染。
(5)本发明采用的脉冲磁场能够在合金熔体的凝固阶段细化合金凝固组织。通过调节电参数可以输出不同波形、幅值、频率的脉冲信号，实现不同程度的细化效果。对于在凝固阶段具有多次相变过程的合金，可以在不同相变过程中调节电参数，从而选择性地调控不同阶段下形成的凝固组织，进而对合金性能进行主动调控。
(6)本发明在磁场发生装置外设计了隔热套，避免了高温环境对动磁场线圈的不利影响，保证了悬浮过程中动磁场的稳定性。
(7)本发明的复合动磁场系统构造精巧。复合动磁场线圈装置安装在悬浮熔炼线圈外围，相比于现有的超导磁体装置，真空腔体与悬浮线圈的尺寸不受约束，便于调整线圈规格以实现不同尺寸样品的悬浮熔凝。
(8)本发明的材料制备始终在超高真空条件下进行，使可制备的材料范围扩展至钛、铁、镍等化学性质活泼的金属及合金，可制备的材料范围覆盖广。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种电磁悬浮材料制备方法，其特征在于，包括：
将合金样品放置在悬浮熔炼线圈中心并对真空腔体依次进行抽真空和充惰性气体操作；将合金样品放入真空腔体，并装载至悬浮熔炼线圈的中心位置，使用真空泵系统将真空室抽真空，然后对所述真空室反充惰性气体至所需气压值；
开启高频感应电流以使所述合金样品悬浮在所述悬浮熔炼线圈中心并对所述合金样品进行悬浮熔炼得到合金样品的悬浮熔体；开启高频感应电源，逐步增加电流，在一定的电流值下使合金样品稳定悬浮于悬浮熔炼线圈中，使合金样品稳定悬浮，持续悬浮并对所述合金样品进行加热使其熔化并使样品处于过热态；
开启行波磁场发生器，对所述悬浮熔体进行电磁搅拌，充入惰性气体使得所述悬浮熔体的过冷度达到设定目标值，得到深过冷熔体；
开启脉冲磁场发生器对所述深过冷熔体触发形核，并在凝固过程中继续施加脉冲磁场细化所述合金样品的凝固组织；
持续充入惰性气体使所述深过冷熔体完全凝固；所述合金样品在电磁悬浮条件下制备；在剩余液相的凝固过程中，继续维持行波磁场与脉冲磁场，通过磁场的复合作用对合金熔体施加电磁搅拌与细化晶粒的作用效果，并在复合动磁场作用时继续通入惰性气体使合金熔体完全凝固；之后开启真空室，取出样品；所述过冷度的范围为0～500K，所述悬浮熔体的过热度的范围为100～500K；所述真空腔体的真空度的范围为10-4～10-7Pa；所述惰性气体为氩气、氦气或上述两种气体的任意比例混合气体。
2.一种电磁悬浮材料制备系统，其特征在于，所述电磁悬浮材料制备系统应用权利要求1所述的电磁悬浮材料制备方法，所述电磁悬浮材料制备系统包括：真空腔体、悬浮熔炼线圈、高频感应电源、行波磁场发生器、脉冲磁场发生器、行波磁场线圈和脉冲磁场线圈；
所述悬浮熔炼线圈设置在所述真空腔体内；所述真空腔体用于提供合金样品的悬浮熔凝环境；所述悬浮熔炼线圈用于实现所述合金样品的悬浮熔化；所述高频感应电源与所述悬浮熔炼线圈连接；所述行波磁场发生器与所述行波磁场线圈连接；所述脉冲磁场发生器与所述脉冲磁场线圈连接；所述行波磁场线圈和所述脉冲磁场线圈用于为所述合金样品提供动磁场。
3.根据权利要求2所述的电磁悬浮材料制备系统，其特征在于，还包括真空泵系统；所述真空泵系统与所述真空腔体连接；所述真空泵系统用于将所述真空腔体抽真空。
4.根据权利要求2所述的电磁悬浮材料制备系统，其特征在于，还包括红外温度计；所述红外温度计设置在所述真空腔体外；所述红外温度计用于测量所述合金样品的悬浮熔体的温度。
5.根据权利要求2所述的电磁悬浮材料制备系统，其特征在于，还包括多个隔热套；所述隔热套分别设置在所述行波磁场线圈和所述脉冲磁场线圈的外侧。
6.根据权利要求2所述的电磁悬浮材料制备系统，其特征在于，所述行波磁场线圈包括行波磁场第一线圈和行波磁场第二线圈；所述行波磁场第一线圈、所述行波磁场第二线圈和所述悬浮熔炼线圈上的悬浮熔体同轴设置。
7.根据权利要求2所述的电磁悬浮材料制备系统，其特征在于，所述脉冲磁场线圈包括脉冲磁场第一线圈和脉冲磁场第二线圈；所述脉冲磁场第一线圈、所述脉冲磁场第二线圈和所述悬浮熔炼线圈上的悬浮熔体同轴设置。
8.根据权利要求2所述的电磁悬浮材料制备系统，其特征在于，所述行波磁场线圈包括行波磁场第三线圈、行波磁场第四线圈、行波磁场第五线圈、和行波磁场第六线圈；所述脉冲磁场线圈包括脉冲磁场第三线圈、脉冲磁场第四线圈、脉冲磁场第五线圈和脉冲磁场第六线圈；所述行波磁场第三线圈、所述行波磁场第四线圈、所述行波磁场第五线圈、所述行波磁场第六线圈、所述脉冲磁场第三线圈、所述脉冲磁场第四线圈、所述脉冲磁场第五线圈、所述脉冲磁场第六线圈和所述悬浮熔炼线圈上的悬浮熔体同轴设置；所述行波磁场第三线圈、所述脉冲磁场第三线圈、所述行波磁场第四线圈、所述脉冲磁场第四线圈、所述行波磁场第五线圈、所述脉冲磁场第五线圈、所述行波磁场第六线圈和所述脉冲磁场第六线圈依次设置。
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