CN116287739A - 利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法及装置，属于合金熔体净化技术领域，是一种低能耗、低排放的高效工业非晶合金母合金熔炼除杂技术；该方法基于电自由能驱动理论，通过特定装置在熔体一侧底部设置正负电极源，在熔体内产生从水平方向到竖直方向的多角度电流密度分布，依靠电流密度梯度驱动力使熔体内的夹杂物沿着电流密度梯度方向迁移至熔体远离电极的区域和熔体顶部，实现净化非晶合金熔体的目的。本发明提供的技术方案适用于非晶合金返回料除杂的过程中。

Description

利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法及装置

技术领域

本发明涉及合金熔体净化技术领域，尤其涉及一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法及装置。

背景技术

锆基非晶合金由于其强度高、硬度大、强耐腐蚀性、耐磨性以及在一定温度区间下的超塑性等，这些优异的性能使得锆基非晶合金材料在消费电子、生物医学、精密机械等领域有着广泛的应用，被认为是最具有潜力的新型结构材料。随着用户对非晶合金产品质量需求的不断提高，因此对材料的性能提出了更高要求，也对非晶合金的纯净度提出了更高要求。锆基非晶合金中的Zr元素化学性质不稳定，极易与氧结合，因此锆基非晶合金的需要在真空环境下进行熔炼。然而由于熔炼的原料中含有一定量的氧，熔炼过程中会形成ZrO₂。另外为了降低非晶合金中的氧含量，通常在熔炼过程中还需要加入稀土脱氧剂，从而导致非晶合金中产生稀土氧化物。锆基非晶合金中的非金属夹杂物尤其是脱氧剂引入的氧化物夹杂对其材料性能和使用寿命有较大影响。

锆基非晶合金(Zr-Cu-Ni-Al-Nb-Y)中的夹杂物主要有ZrO₂、Al₂O₃和Y₂O₃等，这些夹杂物或以单一形式存在，或以聚合形式存在于基体内，其中这些硬质的非金属夹杂物极易导致非晶合金因应力过于集中而产生裂纹造成疲劳破坏，从而影响非晶合金的使用性能。所以这些非金属夹杂物已然成为导致非晶合金材料性能恶化的罪魁祸首。因此，降低非晶合金中的非金属夹杂物含量对非晶合金材料服役性能提高具有十分重要的意义。

非晶合金洁净度提高的核心环节在于冶炼，冶炼环节的洁净化程度决定了下游制品的质量，高纯净母合金是制备高性能服役材料的基础。因此，工业非晶合金冶炼净化工艺的研发显得格外重要！中国专利CN113462994B公开了一种去除锆基非晶合金中基体氧化物杂质的真空熔炼工艺，该方法主要为将锆基非晶合金在炉内进行真空熔炼，在炉内冲入惰性气体，将钙线喂入至熔体中并搅拌熔体，使钙与基体氧化物杂质进行氧化还原反应形成CaO，静置一定时间，待CaO上浮后去除。该方法不仅要加入额外的钙线增加工艺流程，增加冶炼成本，而且增加冶炼时间，降低生产效率。中国专利CN113528986B公开了一种超高韧性大尺寸锆基非晶合金及其制备方法和应用，该方法利用一定配比的Zr、Cu、Ni、Al制得锆基非晶合金，通过对Zr-Cu-Ni-Al体系各个组分的含量进行限定，使非晶合金兼具超高韧性、较高的玻璃形成能力和良好的可重复性，解决目前锆基非晶合金不能同时具有良好的玻璃形成能力和抗弯曲性能的矛盾。但是该方法过程复杂，能耗较高，不符合当前工业绿色发展规划的要求。中国专利CN106319273B公开了一种提高铝基非晶合金形成能力的熔体净化熔盐和熔体净化处理方法，该方法是在基础熔盐体系KCl-MgCl₂-CaCl₂中加入附加熔盐CaF₂形成，其中：所述附加熔盐CaF₂的加入量为基础熔盐体系总重量的10-30％；对铝基非晶合金熔体净化处理时，上述熔盐的添加量占铝基非晶合金总量的0.5-2％。但该方法需要添加额外的熔盐，增加冶炼成本，而且对于细化铝基非晶母合金晶粒的效果有限。

可见，现有的真空感应熔炼、电弧熔炼、电子束熔炼、Ca处理、陶瓷过滤等传统工艺手段已经无法满足各领域对更高洁净度非晶合金的要求。

因此，有必要研究一种新的利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法及装置来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法及装置，是一种低能耗、低排放的高效工业非晶合金母合金熔炼除杂技术。

一方面，本发明提供一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的装置，所述装置包括：脉冲电源、正电极、负电极、两个刚玉套管、两组导线、两组夹具、坩埚和熔体；

所述熔体盛放于所述坩埚内；

所述正电极和所述负电极的上段设置在对应的所述刚玉套管内，下段从所述刚玉套管露出；所述正电极和所述负电极分别插设于所述熔体同一端的两侧；所述刚玉套管通过所述夹具固定在所述坩埚的侧壁上；

所述正电极和所述负电极分别通过对应的导线与所述脉冲电源的正负极连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述正电极和所述负电极的下段长度为熔体深度的1/4-1/3。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述刚玉套管的底部与所述坩埚底部的距离为熔体深度的1/4-1/3。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述正电极和所述负电极的材质为纯铁、纯镍或纯钼，形状为棒状。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述正电极和所述负电极的直径均为5-15mm，长度为30-300mm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述导线的材质为纯钼，所述夹具的材质为不锈钢。

另一方面，本发明提供一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法，所述方法采用如上任一所述的装置来实现；

所述方法的步骤包括：

S1、对锆基非晶合金返回料进行干燥处理以去除返回料表面的水分，并将坩埚置于干燥炉内进行烘干处理，再将小块状返回料均匀放于坩埚内，并将坩埚置于真空炉中；

S2、将一组电极插入坩埚两侧并套上刚玉套管，并保证电极底部留出一定的长度；通过夹具将刚玉套管固定在坩埚上，用导线把电极和外部的脉冲电源连接上；

S3、启动真空泵对真空炉进行抽真空以排出炉内氧气，并向炉内通入氩气气氛；然后启动升温装置将炉内温度升温至1200℃以上并保温30min以上，使坩埚内的返回料完全熔化；

S4、启动脉冲电源，在熔体中产生从水平方向到竖直方向的多角度电流密度梯度场驱动非金属夹杂物迁移至远电极端和熔体顶部区域，进行净化处理；净化处理预设时间后开始降温，待炉内温度降至400℃后关闭脉冲电源，停止净化处理。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中电极留出的长度为熔体深度1/4-1/3；刚玉套管底端与坩埚底部的距离为熔体深度1/4-1/3。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，非金属夹杂物包括Y₂O₃、Al₂O₃、ZrO₂中的任意一种或多种，所述非金属夹杂物的尺寸范围在0.5-30μm之间。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中净化处理的参数为：脉冲电流强度为10A-500A，频率为100Hz-10000Hz，脉宽为1μs-10ms。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：与工业中现有的非晶合金净化冶炼技术相比，本发明不需要添加额外的添加剂，能够降低生产成本；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明基于电自由能驱动理论，通过特定装置在熔体一侧底部设置正负电极源，在熔体内产生从水平方向到竖直方向的多角度电流密度分布，依靠电流密度梯度驱动力使熔体内的夹杂物沿着电流密度梯度方向迁移至熔体远离电极的区域和熔体顶部，实现净化非晶合金熔体的目的；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明所使用的脉冲电源为间歇性放电，能耗与普通日光灯想当，此外，本发明还具有操作便捷，绿色节能的优点，这有助于提高金属熔炼的效率，实现高品质非晶合金材料的无污染、无排放、低能耗、低成本、高效生产和规模应用；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明将两个电极设置在熔体内同一端，从而能够在水平面产生从近电极端指向远电极端的具有电流密度梯度的非均匀电场；如果将电极设置在两端，则只会在水平面产生均匀电场；在非均匀电场内夹杂物两侧的电流密度差值会高出均匀电场下夹杂物两侧电流密度差值两个数量级，夹杂物能够获得更大的驱动力，从而更有利于净化熔体；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明电极底部露出一部分的设置方式，不仅能在水平面产生非均匀电场，在竖直面也会产生非均匀电场，在竖直和水平面之间的区域同样会产生非均匀电场，更能够对夹杂物产生更多方向和更大的驱动力。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的装置结构示意图；

图2是本发明实施例1铸锭距离电极位置近、中、远的扫描电镜图，(a)为近电极端、(b)为中间区域、(c)为远电极端；

图3是本发明实施例3铸锭中间区域上、中、下的扫描电镜图，(a)为上部、(b)为中部、(c)为底部。

其中，图中：

1、脉冲电源；2、电极；3、刚玉套管；4、导线；5、夹具；6、熔体；7、坩埚；8、竖直方向电流线；9、水平方向电流线。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法及装置，能够通过在非晶合金熔体内施加多角度的电流密度梯度，驱动熔体内的非金属夹杂物定向迁移，实现非晶合金熔体洁净化冶炼的目的。

本发明的利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法，通过在非晶合金熔体内的一端安置一对正负电极棒，使用刚玉管套住电极棒，通过夹具固定刚玉管，并保持电极棒底部留有预设的长度来接触非晶合金熔体，使熔体内产生多角度的电流密度梯度，驱动熔体内的非金属夹杂物定向迁移至熔体远电极端和上表面，从而净化非晶合金熔体。

如图1所示，本发明的装置包括脉冲电源1、电极2、刚玉套管3、导线4、夹具5、坩埚7和熔体6。熔体6盛放于坩埚7内，正负两个电极2的底端均插设在熔体6中，电极2的外周套设有刚玉套管3，刚玉套管3通过夹具5夹持固定在坩埚上，夹具5与坩埚7侧壁固定连接。导线4连接电极2和脉冲电源1。整个坩埚置于真空炉内。

本发明的电极2插设在刚玉套管3内，电极的底部突出于刚玉套管3，且露出10-20mm的长度，对应熔体高度约为40-60mm，即电极露出的长度为熔体深度的1/4-1/3；刚玉套管3的底部与电极2的外周密封式连接，具体地：刚玉套管3的内径需等于电极2的直径，用以保证刚玉套管3的底部与电极2的周围紧密接触；刚玉套管3通过夹具5被夹持固定在坩埚7的侧壁上，保证刚玉套管3底部始终与坩埚7底部保持一定距离，优选该距离为熔体深度的1/4-1/3。插入电极2后由于电极2的露出长度为10-20cm，就可以保证电极2露出的长度为熔体深度的1/4-1/3。通过电极2与刚玉套管3的组合设置，使电极2仅底部10-20mm的部分与熔体接触，在熔体内产生由水平方向电流线9到竖直方向电流线8的多角度电流密度梯度场，驱动夹杂物迁移至远电极端和顶部区域，实现非晶合金熔体的区域净化。

优选地，本发明采用的电极2为纯铁、纯镍或纯钼材质，形状为棒状，直径为5-15mm，长度为30-300mm。

优选地，本发明采用的导线4为纯钼材质，夹具为不锈钢材质。

优选地，本发明熔体6内的非金属夹杂物包括Y₂O₃、Al₂O₃、ZrO₂中的任意一种或多种，所述非金属夹杂物的尺寸范围在0.5-30μm之间。

优选地，本发明还提供了净化连铸坯中非金属夹杂物的方法，所述方法采用上述的装置来实现，该方法具体包括以下步骤：

步骤1、对锆基非晶合金返回料进行干燥处理以去除返回料表面的水分，将刚玉坩埚置于干燥炉内进行烘干处理，再将小块状返回料均匀放于矩形刚玉坩埚内。

步骤2、将一组电极棒插入刚玉坩埚一侧并套上刚玉套管，通过夹具固定刚玉套管，并保证电极棒底部留出10-20mm的长度，用导线把电极棒和外部脉冲电源连接上，连接时导线穿过真空炉上预设的连接口实现真空炉内外部的连接。

步骤3、启动真空泵对真空炉腔室进行抽真空以排出炉内氧气，并向炉内通入氩气气氛；然后启动升温装置将炉内温度升温至1200℃以上并保温30min，使坩埚内的非晶合金完全熔化。

步骤4、设置脉冲频率、脉宽、输入电流、输入电压等参数，启动脉冲电源产生脉冲电场，脉冲处理预设时间后停止加热开始降温，待炉内温度降至400℃使非晶合金完全凝固后关闭脉冲电源。

其中，设置脉冲电流强度为10A-500A，频率为100Hz-10000Hz，脉宽为1μs-10ms，脉冲处理时间为0.1-24h。

实施例1：

本实施例对锆基非晶合金(Zr-Cu-Ni-Al-Nb-Y)真空熔炼过程施加脉冲电场驱动非金属夹杂物定向运动，提高材料洁净度。具体步骤如下：

第一步：将500g锆基非晶合金返回料置于干燥箱内180℃干燥30min，将刚玉坩埚置于加热炉内400℃预热2h。将干燥完成的锆基非晶合金返回料放入预热的刚玉坩埚内。

第二步：将两根纯镍电极棒插入刚玉坩埚一侧并套上刚玉管，将不锈钢夹具安装在坩埚侧壁并固定住刚玉套管，保证电极棒底部留出10mm的距离，将纯镍导线连接纯镍电极棒并通过真空炉预设的连接口连接至外部脉冲电源。

第三步：启动真空泵抽真空以排出真空炉内的氧气并通入氩气气氛。启动真空炉升温至1200℃使非晶合金完全熔化并保温30min。

第四步：设置脉冲电源参数并启动脉冲电源，频率为1000Hz，脉冲电流为100A，脉宽为200μs，脉冲处理10min后停止加热开始降温，待炉内温度降至400℃使非晶合金完全凝固后关闭脉冲电源。

第五步：取出锆基非晶合金铸锭，利用线切割沿着两个电极中垂线方向将铸锭分成三份，分别为靠近电极区，中间区，远离电极区，将此三个区域从顶部、底部和中部分别取尺寸为5×5×5mm³的正方体块三块，打磨抛光处理后采用场发射枪扫描电子显微镜进行自动夹杂物分析，对样品中每平方毫米范围内尺寸大于0.5μm的夹杂物进行计数。

实施例2：

第一步：将500g锆基非晶合金返回料置于干燥箱内180℃干燥30min，将刚玉坩埚置于加热炉内400℃预热2h。将干燥完成的锆基非晶合金返回料放入预热的刚玉坩埚内。

第二步：将两根纯镍电极棒插入刚玉坩埚一侧并套上刚玉管，将不锈钢夹具安装在坩埚侧壁并固定住刚玉套管，保证电极棒底部留出10mm的距离，将纯镍导线连接纯镍电极棒并通过真空炉预设的连接口连接至外部脉冲电源。

第三步：启动真空泵抽真空以排出真空炉内的氧气并通入氩气气氛。启动真空炉升温至1200℃使非晶合金完全熔化并保温30min。

第四步：设置脉冲电源参数并启动脉冲电源，频率为2000Hz，脉冲电流为120A，脉宽为150μs，脉冲处理10min后停止加热开始降温，待炉内温度降至400℃使非晶合金完全凝固后关闭脉冲电源。

第五步：取出锆基非晶合金铸锭，利用线切割沿着两个电极中垂线方向将铸锭分成三份，分别为靠近电极区，中间区，远离电极区，将此三个区域从顶部、底部和中部分别取尺寸为5×5×5mm³的正方体块三块，打磨抛光处理后采用场发射枪扫描电子显微镜进行自动夹杂物分析，对样品中每平方毫米范围内尺寸大于0.5μm的夹杂物进行计数。

实施例3：

第一步：将500g锆基非晶合金返回料置于干燥箱内180℃干燥30min，将刚玉坩埚置于加热炉内400℃预热2h。将干燥完成的锆基非晶合金返回料放入预热的刚玉坩埚内。

第二步：将两根纯镍电极棒插入刚玉坩埚一侧并套上刚玉管，将不锈钢夹具安装在坩埚侧壁并固定住刚玉套管，保证电极棒底部留出10mm的距离，将纯镍导线连接纯镍电极棒并通过真空炉预设的连接口连接至外部脉冲电源。

第三步：启动真空泵抽真空以排出真空炉内的氧气并通入氩气气氛。启动真空炉升温至1200℃使非晶合金完全熔化并保温30min。

第四步：设置脉冲电源参数并启动脉冲电源，频率为5000Hz，脉冲电流为140A，脉宽为100μs，脉冲处理10min后停止加热开始降温，待炉内温度降至400℃使非晶合金完全凝固后关闭脉冲电源。

第五步：取出锆基非晶合金铸锭，利用线切割沿着两个电极中垂线方向将铸锭分成三份，分别为靠近电极区，中间区，远离电极区，将此三个区域从顶部、底部和中部分别取尺寸为5×5×5mm³的正方体块三块，打磨抛光处理后采用场发射枪扫描电子显微镜进行自动夹杂物分析，对样品中每平方毫米范围内尺寸大于0.5μm的夹杂物进行计数。

实施例4：

第一步：将500g锆基非晶合金返回料置于干燥箱内180℃干燥30min，将刚玉坩埚置于加热炉内400℃预热2h。将干燥完成的锆基非晶合金返回料放入预热的刚玉坩埚内。

第二步：将两根纯镍电极棒插入刚玉坩埚一侧并套上刚玉管，将不锈钢夹具安装在坩埚侧壁并固定住刚玉套管，保证电极棒底部留出10mm的距离，将纯镍导线连接纯镍电极棒并通过真空炉预设的连接口连接至外部脉冲电源。

第三步：启动真空泵抽真空以排出真空炉内的氧气并通入氩气气氛。启动真空炉升温至1200℃使非晶合金完全熔化并保温30min。

第四步：设置脉冲电源参数并启动脉冲电源，频率为10000Hz，脉冲电流为150A，脉宽为50μs，脉冲处理10min后停止加热开始降温，待炉内温度降至400℃使非晶合金完全凝固后关闭脉冲电源。

第五步：取出锆基非晶合金铸锭，利用线切割沿着两个电极中垂线方向将铸锭分成三份，分别为靠近电极区，中间区，远离电极区，将此三个区域从顶部、底部和中部分别取尺寸为5×5×5mm³的正方体块三块，打磨抛光处理后采用场发射枪扫描电子显微镜进行自动夹杂物分析，对样品中每平方毫米范围内尺寸大于0.5μm的夹杂物进行计数。

实施例5：

第一步：将1000g锆基非晶合金返回料置于干燥箱内180℃干燥30min，将刚玉坩埚置于加热炉内400℃预热2h。将干燥完成的锆基非晶合金返回料放入预热的刚玉坩埚内。

第二步：将两根纯镍电极棒插入刚玉坩埚一侧并套上刚玉管，将不锈钢夹具安装在坩埚侧壁并固定住刚玉套管，保证电极棒底部留出10mm的距离，将纯镍导线连接纯镍电极棒并通过真空炉预设的连接口连接至外部脉冲电源。

第三步：启动真空泵抽真空以排出真空炉内的氧气并通入氩气气氛。启动真空炉升温至1200℃使非晶合金完全熔化并保温30min。

第四步：设置脉冲电源参数并启动脉冲电源，频率为10000Hz，脉冲电流为150A，脉宽为50μs，脉冲处理10min后停止加热开始降温，待炉内温度降至400℃使非晶合金完全凝固后关闭脉冲电源。

第五步：取出锆基非晶合金铸锭，利用线切割沿着两个电极中垂线方向将铸锭分成三份，分别为靠近电极区，中间区，远离电极区，将此三个区域从顶部、底部和中部分别取尺寸为5×5×5mm³的正方体块三块，打磨抛光处理后采用场发射枪扫描电子显微镜进行自动夹杂物分析，对样品中每平方毫米范围内尺寸大于0.5μm的夹杂物进行计数。

实施例6：(空白样)

第一步：将500g锆基非晶合金返回料置于干燥箱内180℃干燥30min，将刚玉坩埚置于加热炉内400℃预热2h。将干燥完成的锆基非晶合金返回料放入预热的刚玉坩埚内。

第二步：将两根纯镍电极棒插入刚玉坩埚一侧并套上刚玉管，将不锈钢夹具安装在坩埚侧壁并固定住刚玉套管，保证电极棒底部留出10mm的距离，将纯镍导线连接纯镍电极棒并通过真空炉预设的连接口连接至外部脉冲电源。

第三步：启动真空泵抽真空以排出真空炉内的氧气并通入氩气气氛。启动真空炉升温至1200℃使非晶合金完全熔化并保温40min。

第四步：停止加热开始降温，待炉内温度降至400℃使非晶合金完全凝固。

第五步：取出锆基非晶合金铸锭，利用线切割沿着两个电极中垂线方向将铸锭分成三份，分别为靠近电极区，中间区，远离电极区，将此三个区域从顶部、底部和中部分别取尺寸为5×5×5mm³的正方体块三块，打磨抛光处理后采用场发射枪扫描电子显微镜进行自动夹杂物分析，对样品中每平方毫米范围内尺寸大于0.5μm的夹杂物进行计数。

实施例7：

第一步：将500g锆基非晶合金返回料置于干燥箱内180℃干燥30min，将刚玉坩埚置于加热炉内400℃预热2h。将干燥完成的锆基非晶合金返回料放入预热的刚玉坩埚内。

第二步：将两根纯镍电极棒插入刚玉坩埚一侧并套上刚玉管，将不锈钢夹具安装在坩埚侧壁并固定住刚玉套管，保证电极棒底部留出30mm的距离，将纯镍导线连接纯镍电极棒并通过真空炉预设的连接口连接至外部脉冲电源。

第三步：启动真空泵抽真空以排出真空炉内的氧气并通入氩气气氛。启动真空炉升温至1200℃使非晶合金完全熔化并保温30min。

第四步：设置脉冲电源参数并启动脉冲电源，频率为5000Hz，脉冲电流为140A，脉宽为100μs，脉冲处理10min后停止加热开始降温，待炉内温度降至400℃使非晶合金完全凝固后关闭脉冲电源。

第五步：取出锆基非晶合金铸锭，利用线切割沿着两个电极中垂线方向将铸锭分成三份，分别为靠近电极区，中间区，远离电极区，将此三个区域从顶部、底部和中部分别取尺寸为5×5×5mm³的正方体块三块，打磨抛光处理后采用场发射枪扫描电子显微镜进行自动夹杂物分析，对样品中每平方毫米范围内尺寸大于0.5μm的夹杂物进行计数。

实施例8：

第一步：将500g锆基非晶合金返回料置于干燥箱内180℃干燥30min，将刚玉坩埚置于加热炉内400℃预热2h。将干燥完成的锆基非晶合金返回料放入预热的刚玉坩埚内。

第二步：将两根纯镍电极棒插入刚玉坩埚一侧并套上刚玉管，将不锈钢夹具安装在坩埚侧壁并固定住刚玉套管，保证电极棒底部留出50mm的距离，将纯镍导线连接纯镍电极棒并通过真空炉预设的连接口连接至外部脉冲电源。

第三步：启动真空泵抽真空以排出真空炉内的氧气并通入氩气气氛。启动真空炉升温至1200℃使非晶合金完全熔化并保温30min。

第四步：设置脉冲电源参数并启动脉冲电源，频率为5000Hz，脉冲电流为140A，脉宽为100μs，脉冲处理10min后停止加热开始降温，待炉内温度降至400℃使非晶合金完全凝固后关闭脉冲电源。

第五步：取出锆基非晶合金铸锭，利用线切割沿着两个电极中垂线方向将铸锭分成三份，分别为靠近电极区，中间区，远离电极区，将此三个区域从顶部、底部和中部分别取尺寸为5×5×5mm³的正方体块三块，打磨抛光处理后采用场发射枪扫描电子显微镜进行自动夹杂物分析，对样品中每平方毫米范围内尺寸大于0.5μm的夹杂物进行计数。

实施例3、实施例7、实施例8的电极露出长度分别为10mm、30mm、50mm，熔体深度为50mm。结果如表2所示。电极露出长度为10mm时，靠近电极区域的底部位置夹杂物平均数量密度最小，数量密度由近电极端向远电极端递增，从底部向顶部递增，形成从近电极端底部向远电极端顶部的放射状净化空间，这都归因于多角度电流密度梯度场(水平到竖直范围内)的作用。相比于均匀电场，多角度电流密度梯度场具有更大的驱动力，从而更高效地净化夹杂物，同时多角度电流密度梯度场能够扩大净化区域。

表1实施例样品质量、电源参数及数量密度对比

表2实施例样品电极插入深度和靠近电极截面数量密度对比

以上对本申请实施例所提供的一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法及装置，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，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申请的限制。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

Claims (10)

1.一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的装置，其特征在于，所述装置包括：脉冲电源、正电极、负电极、两个套管、两组导线、两组夹具、坩埚和熔体；

所述熔体盛放于所述坩埚内；

所述正电极和所述负电极的上段设置在对应的所述套管内，下段从所述套管露出；所述正电极和所述负电极分别插设于所述熔体同一端的两侧；所述套管通过所述夹具固定在所述坩埚的侧壁上；

所述正电极和所述负电极分别通过对应的导线与所述脉冲电源的正负极连接。

2.根据权利要求1所述的利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的装置，其特征在于，所述正电极和所述负电极的下段长度为熔体深度的1/4-1/3。

3.根据权利要求1所述的利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的装置，其特征在于，所述刚玉套管的底部与所述坩埚底部的距离为熔体深度的1/4-1/3。

4.根据权利要求1所述的利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的装置，其特征在于，所述正电极和所述负电极的材质为纯铁、纯镍或纯钼，形状为棒状。

5.根据权利要求1所述的利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的装置，其特征在于，所述正电极和所述负电极的直径均为5-15mm，长度为30-300mm。

6.根据权利要求1所述的利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的装置，其特征在于，所述导线的材质为纯钼，所述夹具的材质为不锈钢。

7.一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-6任一所述的装置来实现；

所述方法的步骤包括：

S1、对锆基非晶合金返回料进行干燥处理以去除返回料表面的水分，并将坩埚置于干燥炉内进行烘干处理，再将小块状返回料均匀放于坩埚内，并将坩埚置于真空炉中；

S2、将一组电极插入坩埚两侧并套上刚玉套管，并保证电极底部留出一定的长度；通过夹具将刚玉套管固定在坩埚上，用导线把电极和外部的脉冲电源连接上；

S3、启动真空泵对真空炉进行抽真空以排出炉内氧气，并向炉内通入氩气气氛；然后启动升温装置将炉内温度升温至1200℃以上并保温30min以上，使坩埚内的返回料完全熔化；

S4、启动脉冲电源，在熔体中产生从水平方向到竖直方向的多角度电流密度梯度场驱动非金属夹杂物迁移至远电极端和熔体顶部区域，进行净化处理；净化处理预设时间后开始降温，待炉内温度降至400℃后关闭脉冲电源，停止净化处理。

8.根据权利要求1所述的利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法，其特征在于，步骤S2中电极留出的长度为熔体深度1/4-1/3；刚玉套管底端与坩埚底部的距离为熔体深度1/4-1/3。

9.根据权利要求1所述的利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法，其特征在于，非金属夹杂物包括Y₂O₃、Al₂O₃、ZrO₂中的任意一种或多种，所述非金属夹杂物的尺寸范围在0.5-30μm之间。

10.根据权利要求1所述的利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法，其特征在于，步骤S4中净化处理的参数为：脉冲电流强度为10A-500A，频率为100Hz-10000Hz，脉宽为1μs-10ms。

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