本发明专利技术提供一种外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置及方法，所述装置包括加热炉、石英坩埚、脉冲电场装置、磁场装置以及超声场装置，所述石英坩埚设置在加热炉内，所述石英坩埚可以实现同时施加超声场、电场、磁场三种外加物理场。本发明专利技术装置结构相对简单，极大地简化了实验装置成本和复杂性，有效减小装置体积，并且本发明专利技术可以实现超声场、电场及磁场的复合作用。的复合作用。的复合作用。
【技术实现步骤摘要】
一种外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置及方法
[0001]本专利技术涉及金属凝固同步辐射成像
，具体地，涉及一种外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置及方法。
技术介绍
[0002]金属合金的凝固过程是一个包含宏观范畴热、溶质、动量运输和微观范畴晶粒形核、枝晶生长等的一系列复杂物理过程。其中对流在合金凝固中扮演着重要角色，其在对流、溶质、动量的长程搬运以及对枝晶产生作用力，在枝晶根部引起重熔，对枝晶生长继而微观组织产生显著的作用。由于金属凝固过程不透明、微纳米以及高温的特性，外场作用下金属凝固过程中的对流、溶质扩散、能量运输、枝晶生长速度、形核方式等动态信息难以观察，从而制约了外场对凝固微观组织的调控规律和影响机理研究。
[0003]同步辐射X射线原位成像技术的出现，使得探索外加物理场对金属凝固组织的作用机理成为可能。物理场作用下合金凝固的实验装置和方法对成像效果和实验数据起着至关重要的作用。然而目前对合金凝固同步辐射成像大多使用封装坩埚，封装步骤和方法复杂繁琐，而且难以施加超声场和电场，目前尚未见到有超声场电场磁场复合作用下金属凝固同步辐射成像的实验装置及方法的报导。
[0004]中国专利CN110082372A公开了一种便携式同步辐射状态原位成像实验凝固装置，该专利的特点在于金属安全性更好，更轻便，密封效果更好。但该实验方法只能进行常规金属凝固同步辐射原位观察，无法施加外物理场，由于便携性，熔体量以及各元件都比较小，难以进行复杂的同步辐射原位实验。
[0005]因此，需提供一种新的外加物理场金属凝固同步辐射成像装置及方法，能满足同时施加较大电流密度的脉冲电流、行波磁场、外加超声波等需求。
技术实现思路
[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种结构简单、容易实现的外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置及方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0008]一种外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置，包括加热炉、石英坩埚、脉冲电场装置、磁场装置以及超声场装置，所述石英坩埚设置在加热炉内，所述石英坩埚可以实现同时施加超声场、电场、磁场三种外加物理场。
[0009]可选地，所述脉冲电场装置包括高频脉冲电源、自耗电极、上电极夹、铜棒、下电极夹，将所述自耗电极通过上电极夹固定在石英坩埚上部贴壁处没入熔体，所述铜棒连接下电极夹作为另一个电极，所述上电极夹一端与脉冲电源连接，所述上电极夹、自耗电极、熔体、铜棒形成电流通路，当高频脉冲电源开启时，脉冲电流从竖直方向流经熔体。
[0010]可选地，所述磁场装置包括高频脉冲电源和电磁线圈，在石英坩埚中间扁平区域环绕克莱姆式绕组形成均匀的脉冲电磁场，利用电磁感应产生的电磁搅拌力对熔体进行电
磁搅拌。
[0011]可选地，所述超声场装置包括高频脉冲电源、超声波发生器、超声波换能器、超声波辐射杆，将高频脉冲电源与所述超声波发生器相连，超声波发生器通过超声波换能器中的压电陶瓷或磁致伸缩线圈将脉冲电流转化为超声振动，通过所述超声波辐射杆将超声振动导入到熔体中。
[0012]可选地，所述石英坩埚为哑铃形薄壁透明坩埚，所述石英坩埚两头的圆柱部分直径相同，石英坩埚的底部与一圆柱形的铜棒紧密粘接，通过铜棒实现坩埚底部的密封与固定，石英坩埚的中间存在一个厚度为0.2
‑
0.5mm的扁平通道。
[0013]可选地，所述外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置还包括测温装置，所述测温装置包括铂铑热电偶丝以及与铂铑热电偶丝连接的多通道巡回测温仪，所述铂铑热电偶丝用于测量熔体温度，所述铂铑热电偶丝直径为0.1
‑
0.2mm。
[0014]可选地，所述外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置还包括控温装置，所述控温装置包括设置在加热炉外部的保温层和水冷装置，所述水冷装置包括加热炉的进水口和出水口、超声波换能器的水冷出口和水冷入口，所述加热炉进水口与超声波换能器的水冷入口并联，加热炉的出水口与超声波换能器的出水口并联，两个进水口均通过耐热水管与供水装置相连，所述出水口均通往水箱。
[0015]可选地，所述外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置还包括防止熔体在实验过程中发生氧化的气体保护装置，所述气体保护装置为氩气保护装置。
[0016]进一步地，本专利技术还提供一种外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像方法，所述方法包括以下步骤：
[0017]打开超声装置固定盖，将样品放入石英坩埚中，调节上电极夹将自耗电极固定在石英坩埚上，盖上超声装置固定盖；
[0018]打开加热炉电源，对放入的样品进行加热直至样品熔化；
[0019]样品熔化并保温一段时间后打开超声装置固定盖，通过铂铑热电偶丝连接多通道巡回测温仪获得样品熔化温度；
[0020]待多通道巡回测温仪的显示温度达到超声处理温度后，进行保温，调节系统定位平台，将超声波辐射杆伸入加热炉内；
[0021]打开脉冲电源，超声场装置、磁场装置和脉冲电场装置同时启动，进行多物理场耦合实验；
[0022]通过入光口将同步辐射光源投射到样品上，出射光携带样品信息被平行的CCD探测器接受形成清晰的相位衬度像。
[0023]可选地，所述通过铂铑热电偶丝连接多通道巡回测温仪获得样品熔化温度的步骤具体包括：将铂铑热电偶丝探针从热电偶固定孔中伸入到熔体中指定位置，然后通过固定盖上的螺母对热电偶丝进行固定，将热电偶丝的另一端连入多通道巡回测温仪。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的优点如下：
[0025](1)本专利技术的脉冲电流、脉冲磁场、超声波可使用同一套脉冲电源，极大地简化了实验装置成本和复杂性，有效减小装置体积。
[0026](2)本专利技术的电流采用铜棒直接伸入熔体，相较于其他专利技术能实现较大电流密度，并且脉冲电流相较于常用的直流电流会产生更强烈的洛伦兹力、磁致伸缩力和冲击波，有
助于进一步对脉冲电流对金属熔体凝固过程的影响机理。
[0027](3)本专利技术的磁场使用脉冲电磁场，不同于静磁场，脉冲电磁场产生的电磁搅拌力会使熔体产生强制对流、促进枝晶断裂、减小偏析。
[0028](4)本专利技术的超声场直接通过超声波辐射杆导入到熔体内，能直接观察到超声波作用引起的的声流效应和声空化效应作用下金属的凝固过程。
[0029](5)熔体温度测量使用铂铑热电偶丝，测量精度高，测量范围广，同时直径足够细，可以直接测量到同步辐射观察点附近的温度。
[0030](6)本专利技术中的特制石英坩埚可以实现同时施加超声场、电场、磁场三种物理场，且中间的扁平通道能保证较高的同步辐射成像质量。
[0031](7)本专利技术的两套水冷系统和气体保护装置能防止实验装置过热，还能较快调节样品温度升降，方便调节温度梯度，在惰性气体保护下，防止样品熔化过程中氧化。
附图说明
[0032]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置，其特征在于，所述装置包括加热炉、石英坩埚、脉冲电场装置、磁场装置以及超声场装置，所述石英坩埚设置在加热炉内，所述石英坩埚可以实现同时施加超声场、电场、磁场三种外加物理场。2.根据权利要求1所述的外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置，其特征在于，所述脉冲电场装置包括高频脉冲电源、自耗电极、上电极夹、铜棒、下电极夹，将所述自耗电极通过上电极夹固定在石英坩埚上部贴壁处没入熔体，所述铜棒连接下电极夹作为另一个电极，所述上电极夹一端与脉冲电源连接，所述上电极夹、自耗电极、熔体、铜棒形成电流通路，当高频脉冲电源开启时，脉冲电流从竖直方向流经熔体。3.根根据权利要求1所述的外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置，其特征在于，所述磁场装置包括高频脉冲电源和电磁线圈，在石英坩埚中间扁平区域环绕克莱姆式绕组形成均匀的脉冲电磁场，利用电磁感应产生的电磁搅拌力对熔体进行电磁搅拌。4.根根据权利要求1所述的外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置，其特征在于，所述超声场装置包括高频脉冲电源、超声波发生器、超声波换能器、超声波辐射杆，将高频脉冲电源与所述超声波发生器相连，超声波发生器通过超声波换能器中的压电陶瓷或磁致伸缩线圈将脉冲电流转化为超声振动，通过所述超声波辐射杆将超声振动导入到熔体中。5.根据权利要求1所述的外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置，其特征在于，所述石英坩埚为哑铃形薄壁透明坩埚，所述石英坩埚两头的圆柱部分直径相同，石英坩埚的底部与一圆柱形的铜棒紧密粘接，通过铜棒实现坩埚底部的密封与固定，石英坩埚的中间存在一个厚度为0.2
‑
0.5mm的扁平通道。6.根据权利要求1所述的外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置，其特征在于，所述外加物理场作用下金属凝固同步辐射成像装置还包括测温装置，所述测温装置包括铂铑热电偶丝以及与铂铑热电偶丝连接的多通道巡回测温仪，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈剑，李宇罡，耿继伟，夏培康，李险峰，王斐霏，陈东，王浩伟，
申请(专利权)人：上海交通大学安徽淮北陶铝新材料研究院，
类型：发明
国别省市：
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