一种静电悬浮合金熔体凝固条件的控制方法技术

本发明专利技术涉及一种静电悬浮合金熔体凝固条件的控制方法，解决了静电悬浮无容器条件下合金熔体凝固条件难以控制的问题，实现了合金熔体冷却速率和过冷度的主动控制：(1)自然冷却过程中，减小合金熔体尺寸可使其冷却速率增大；在合金熔体冷却过程中，施加激光，可使其冷却速率减小。据此可控制合金熔体在多种不同冷却速率条件下凝固。(2)通过热平衡方程和PID控温系统两种方法实现合金熔体温度的控制，并结合触发形核，实现了合金熔体凝固过冷度的主动控制，解决了静电悬浮条件下合金熔体过冷度随机难以调控的问题。机难以调控的问题。机难以调控的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种静电悬浮合金熔体凝固条件的控制方法


本专利技术属于静电悬浮熔体传热、合金凝固控制领域，涉及一种静电悬浮合金熔体凝固条件的控制方法，特别涉及一种在静电悬浮无容器条件下合金熔体的冷却速率和过冷度的调节与控制方法。

技术介绍

静电悬浮技术具有无容器、高真空、稳定悬浮、外场扰动小等优点，成为合金(特别是高温及难熔合金)悬浮熔化、实现深过冷快速凝固的重要途径。然而在静电悬浮实验中，处于高真空环境的合金熔体仅通过辐射散热至深过冷状态，难以对其冷却速率和过冷度进行有效调控。合金熔体的凝固过程与其微观组织和力学性能密切相关，控制静电悬浮条件下合金熔体的凝固条件，如冷却速率和过冷度，是合金获取多种凝固路径与微观相组成的重要方法，同时是实现合金凝固过程控制与力学性能调控的必要前提。静电悬浮条件下合金熔体凝固条件(冷却速率和过冷度)调控的关键是明晰合金熔体的传热过程并对其加以控制。“静电条件下高温及难熔合金球形单晶的生长方法，CN 111020704A，胡亮，魏炳波”虽涉及静电悬浮条件下合金熔体的温度控制，但仅定性的提到不同尺寸的合金熔体在不同激光功率作用下可获得不同冷却速率，缺少合金熔体传热过程的定量分析，且未阐明其冷却速率和过冷度的控制机理和方法。可改变熔体的冷却速率但主要关注的是借助静电悬浮无容器方法，使高温及难熔合金熔体达到超过冷临界过冷度，从而形成球形单晶。“M.X.Li,H.P.Wang*,B.Wei.Numerical analysis and experimental verification for heat transfer process of electrostatically levitated alloy droplets,International Journal of Heat and Mass Transfer,2019,138:109
‑
116.”通过数值方法分析了静电悬浮合金熔体的传热过程，但关注的是通过有限体积方法数值求解任意形态合金熔体内部的温度分布、温度梯度及冷却速率等信息。静电悬浮条件下合金熔体在自然辐射散热条件下的冷却速率单一，且凝固过冷度随机控，难以对其凝固过程进行有效调控。而目前已有的实验手段和传热分析无法实现合金熔体凝固条件(冷却速率和过冷度)的主动控制。通过改变合金熔体尺寸和激光功率来调控其冷却速率，并结合熔体温度控制和触发形核实现合金熔体过冷度的主动控制，使静电悬浮合金熔体凝固时的冷却速率和过冷度得到有效调控，这对合金熔体的凝固过程控制和力学性能调控具有重要意义。

技术实现思路

要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种静电悬浮合金熔体凝固条件的控制方法，针对静电悬浮条件下合金熔体冷却速率单一且过冷度随机难以调控的局限，本专利技术通过改变合金熔体尺寸、调节激光功率并结合触发形核，实现静电悬浮合金熔体冷却速率和过冷度主动控制。
技术方案一种静电悬浮合金熔体凝固条件的控制方法，其特征在于：在静电悬浮条件下合金熔体冷却速率和过冷度的控制步骤：步骤1：在超高真空的静电悬浮实验装置中，将球形合金样品稳定悬浮于上、下两个电极之间的强电场中，并通过激光加热使得合金样品处于熔化过热状态；步骤2、确立合金熔体的温度变化方程：其中m、A、C
P
、T、ε分别为合金熔体的质量、表面积、比热、温度和热辐射系数；σ为Stefan
‑
Boltzmann常数；T
e
为外界环境温度；P
E
为施加在熔体表面的有效激光功率；方程左端表示合金熔体的温度变化，由右端的辐射散热和激光加热P
E
共同作用决定；步骤3、调控冷却速率使得合金熔体按照冷却速率降低温度：通过改变合金熔体尺寸完成调控冷却速率，由于自然冷却过程中激光加热P
E
＝0，合金熔体温度方程为：冷却速率R
c
为：合金熔体的直径D与冷却速率成反比，通过减小或增加合金熔体的直径D，使得冷却速率随之加快或降低；步骤4、合金熔体温度控制：当激光加热功率与辐射散热达到平衡时，步骤2热平衡方程的温度变化项为零，则：根据上述热平衡方程，通过控制施加在合金熔体表面的有效激光功率为P
E
，使的其保持在设定温度T
set
；步骤5：在合金熔体保持在设定温度时，实现合金熔体凝固，实现合金熔体凝固过冷度的主动控制。所述球形合金样品的直径为1～6mm。所述步骤3的调控冷却速率，通过改变激光功率完成调控冷却速率；根据冷却速率激光功率与合金熔体冷却速率成反比，通过减小或增加激光功率，使得冷却速率随之加快或降低。所述步骤4合金熔体温度控制，当合金熔体冷却至控温设定温度T
set
附近时，通过PID控温系统调节激光功率：式中，k
P
、k
I
、k
D
分别为比例项、积分项、微分项系数，根据上述公式，实时调节激光功率，使合金熔体稳定保持
在指定温度。有益效果本专利技术提出的一种静电悬浮合金熔体凝固条件的控制方法，解决了静电悬浮无容器条件下合金熔体凝固条件难以控制的问题，实现了合金熔体冷却速率和过冷度的主动控制：(1)自然冷却过程中，减小合金熔体尺寸可使其冷却速率增大；在合金熔体冷却过程中，施加激光，可使其冷却速率减小。据此可控制合金熔体在多种不同冷却速率条件下凝固。(2)通过热平衡方程和PID控温系统两种方法实现合金熔体温度的控制，并结合触发形核，实现了合金熔体凝固过冷度的主动控制，解决了静电悬浮条件下合金熔体过冷度随机难以调控的问题。
附图说明
图1是静电悬浮合金熔体凝固条件的控制方法示意图图2是合金熔体自然辐射散热条件下的冷却曲线图3是通过改变合金熔体尺寸实现其冷却速率调控:(a)冷却曲线；(b)冷却速率图4是通过改变激光功率实现合金熔体冷却速率调控:(a)冷却曲线；(b)冷却速率图5是基于热平衡方程实现合金熔体过冷度控制:(a)有效激光功率；(b)控温曲线图6是基于PID控温系统实现合金熔体过冷度控制图7静电悬浮合金熔体不同过冷度下的凝固
具体实施方式
现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术提出一种静电悬浮合金熔体凝固条件的控制方法，针对静电悬浮条件下合金熔体冷却速率单一且过冷度随机难以调控的局限，本专利技术通过改变合金熔体尺寸、调节激光功率并结合触发形核，实现静电悬浮合金熔体冷却速率和过冷度主动控制。一种静电悬浮合金熔体凝固条件的控制方法，在静电悬浮条件下合金熔体冷却速率和过冷度的控制步骤如下：步骤1、在超高真空的静电悬浮实验装置中，将直径为1～6mm的球形合金样品稳定悬浮于上、下电极之间的强电场中，并通过激光加热合金样品至熔化过热状态。步骤2、确立合金熔体的温度变化方程：其中m、A、C
P
、T、ε分别为合金熔体的质量、表面积、比热、温度和热辐射系数；σ为Stefan
‑
Boltzmann常数；T
e
为外界环境温度；P
E
为施加在熔体表面的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种静电悬浮合金熔体凝固条件的控制方法，其特征在于：在静电悬浮条件下合金熔体冷却速率和过冷度的控制步骤：步骤1：在超高真空的静电悬浮实验装置中，将球形合金样品稳定悬浮于上、下两个电极之间的强电场中，并通过激光加热使得合金样品处于熔化过热状态；步骤2、确立合金熔体的温度变化方程：其中m、A、C
P
、T、ε分别为合金熔体的质量、表面积、比热、温度和热辐射系数；σ为Stefan
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Boltzmann常数；T
e
为外界环境温度；P
E
为施加在熔体表面的有效激光功率；方程左端表示合金熔体的温度变化，由右端的辐射散热和激光加热P
E
共同作用决定；步骤3、调控冷却速率使得合金熔体按照冷却速率降低温度：通过改变合金熔体尺寸完成调控冷却速率，由于自然冷却过程中激光加热P
E
＝0，合金熔体温度方程为：冷却速率R
c
为：合金熔体的直径D与冷却速率成反比，通过减小或增加合金熔体的直径D，使得冷却速率随之加快或降低；步骤4、合金熔体温度控制：当激光加热功率与辐射散热达到平衡时...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海鹏，李明星，郑晨辉，胡亮，魏炳波，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：