技术领域
本发明涉及一种用于检测金属合金凝固组织演变的电磁悬浮装置及其方法，属于金属凝固组织检测技术领域。
背景技术
与传统的平衡凝固相比，电磁悬浮技术是一种具备深过冷能力的金属熔炼技术，无需另配热源，悬浮与加热同时进行，可直接实现金属合金的高温悬浮熔化，悬浮过程中可以调节冷却气氛实现金属合金悬浮无容器快速凝固。金属材料在凝固时由于过冷度不同存在不同的温度梯度，呈现出不同的凝固组织。凝固组织是金属合金材料性能研究过程中的重要因素，凝固过程的控制是获得高性能金属合金材料的关键，实时检测金属合金的凝固组织演变有助于提升材料的质量和性能，对实际工业应用有重要的指导意义。
在已公开的国内外文献中，人们从不同途径尝试设计了多种检测金属及金属合金凝固组织的方法：“一种铝液微合金化凝固组织变化原位定量表征方法，专利号CN201210467279.5”、“晶体材料熔化凝固过程中进行热量和结构的高通量表征方法及装置，专利号CN201710842332.8”、“基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法及系统，专利号CN201811443200.9”这些专利涉及用于金属和金属合金材料凝固组织检测的方法，这些实时分析方法主要时通过图像凝固组织检测法、差热扫描量热结合X射线方法。图像凝固组织检测法是根据合金凝固过程的实时影像，利用维数法或动态特征参数化处理对凝固组织进行分析和预测。热扫描量热结合X射线方法是通过对合金凝固过程的热量变化和结构信息进行实时分析，进而得到凝固组织的演变信息。这些方法在进行金属合金凝固组织实时检测时，金属材料易受到坩埚壁污染，影响金属合金材料的凝固组织，在实时检测金属合金凝固组织时不能对合金凝固时的温度梯度进行调节。“一种制取难熔化金属粉末的方法，专利号CN202010638152.X”，该篇专利主要涉及利用一种电磁悬浮装置制取高熔点金属粉末的方法，并未涉及凝固组织检测领域，没有对金属合金的凝固组织进行检测。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种用于检测金属合金凝固组织演变的电磁悬浮装置及其方法。本发明通过改变电磁悬浮激励载荷，实现对金属合金凝固过程的控制，结合对金属合金温度的测量，实现快速、实时、简便的检测金属合金的凝固组织的演变。本发明通过以下技术方案实现。
一种用于检测金属合金凝固组织演变的电磁悬浮装置，包括电磁悬浮设备、三棱镜1、在线式比色红外测温仪6、高速摄像机9和计算机系统11，电磁悬浮设备本体为透明竖式石英管7，透明竖式石英管7顶部设有三棱镜1，棱镜1中光线路线2折射光线出口处设有在线式比色红外测温仪6，透明竖式石英管7处设有高速摄像机9，在线式比色红外测温仪6中的测温数据和高速摄像机9采集照片的数据传给计算机系统11。
所述透明竖式石英管7上部设有的保护性气体入口3，下部设有保护性气体出口5，透明竖式石英管7上设有悬浮线圈10和电源控制系统4，悬浮线圈10缝隙处设有高速摄像机9进行采集照片。
所述在线式比色红外测温仪6通过温度校准。
所述高速摄像机9延迟设置为10-25ms，曝光度为50-400
一种用于检测金属合金凝固组织演变的电磁悬浮方法，其具体步骤包括：
步骤1、将金属合金材料8加工成颗粒状试样；
步骤2、将步骤1得到的颗粒状试样原料置于电磁悬浮设备的悬浮线圈10中，通入保护性气体，接通电源后，金属合金材料8悬浮于空中，受热熔化，过程中悬浮线圈10中需通入循环冷却水防止其过热熔断；
步骤3、在步骤2中金属合金材料8悬浮稳定后，利用在线式比色红外测温仪6测量金属合金材料8的温度变化得到温度实时变化图，判断金属合金材料8开始熔化后，打开高速摄像机9进行拍摄得到熔化高速摄像结果图；
步骤4、待熔化高速摄像结果图拍摄完毕，通过观察温度实时变化图中的温度，通入冷却气体，判断金属合金材料8开始凝固，打开高速摄像机9进行拍摄得到凝固高速摄像结果图，进而得出金属合金的凝固组织演变方式。
所述金属合金材料8为导体或半导体，其熔点温度为500-3000K，制得的颗粒状样品的质量为0.5-3g。
所述步骤2电磁悬浮设备中电源控制系统4输出参数包括输出电流200-600A、电源频率200-300kHz、功率1-15kW。
所述步骤2中保护性气体为纯氩气、纯氦气中的一种或者任意体积比的两种混合气，流量为0.5-5.0L/min。
所述步骤4中冷却气体为任意体积比的氢气和氦气混合气。
所述步骤4通过调节电源控制系统4输出参数和保护性气体气氛和流量，对金属合金的凝固组织进行控制。
上述步骤2到步骤4中金属合金材料8的悬浮温度记录和凝固过程高速摄影耗时约5-8min。
本发明的原理包括：
（1）电磁悬浮设备在接通电源控制系统后，电源控制系统会在感应线圈中通入高频交流电，在悬浮线圈上产生高频电磁场，位于线圈中的金属合金材料表面产生高频涡流，与外界磁场相互作用生成能够抵消重力的洛伦兹力，实现电磁悬浮。同时，金属合金材料表面的高频涡流产生焦耳热使金属合金材料不断升温达到熔化。
（2）不同温度的金属合金熔滴向外释放红外辐射能量的大小及其波长不同，在线式比色红外测温仪的光学系统可以采集这些辐射能量，再将这些能量转变为一系列电信号，处理后的电信号经由显示输出电路即可在测温仪显示屏上显示出悬浮熔滴当前的具体温度。熔滴的尺寸规格决定其凝固时间较短，而高速摄像机能够以较高的帧率捕获运动物体的图像，并将其记录在存储介质上。通过高速摄像机能够将金属合金凝固时表面的凝固状态清晰地记录并显示出来，可以用于分析熔滴的凝固组织演变规律。
（3）通过在线式比色红外测温技术结合高速摄影，可以对熔体的熔化与凝固过程进行实时的分析。通过高速摄影，能够观察到金属合金在凝固过程中的再辉现象，当金属合金材料在悬浮装置中凝固时，初生相的生长会产生大量的凝固潜热，该部分在高速摄像下为熔体表面呈高亮的块状，而亮度较低的区域则是未凝固的液态合金，凝固潜热产生的热量远大于熔体向外界释放的热量，导致液滴温度上升，产生再辉现象。通过对所得高速摄像结果进行分析处理，得出金属合金的凝固组织演变过程。
本发明的有益效果是：
1、与现有金属合金凝固组织控制相比，本方法可以避免金属合金材料在凝固过程中与坩埚接触，防止金属材料被二次污染，避免了金属合金材料在凝固过程中与器壁接触产生温度梯度，有利于获得更准确的凝固组织分析结果。
2、与现有金属合金凝固组织控制技术相比，本方法可以观察熔点相对较高的金属合金的凝固组织，可以解决高熔点金属合金材料凝固组织实时分析难的问题。
3、与现有金属合金凝固组织控制技术相比，本方法操作简单、耗时少、成本较低，可以实现快速、简便的进行对金属合金凝固组织的实时分析。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图；
图2是本发明实施例1的600MPa钢的温度实时变化图；
图3是本发明实施例1的600MPa钢的熔化(a)和凝固(b)高速摄像结果图；
图4是本发明实施例2的TC4钛合金的温度实时变化图；
图5是本发明实施例2的TC4钛合金的熔化(a)和凝固(b)高速摄像结果图；
图中：1-三棱镜，2-光线路线，3-保护性气体入口，4-电源控制系统，5-保护性气体出口，6-在线式比色红外测温仪，7-石英管，8-金属合金材料，9-高速摄像机，10-悬浮线圈，11-计算机系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，该用于检测金属合金凝固组织演变的电磁悬浮装置，包括电磁悬浮设备、三棱镜1、在线式比色红外测温仪6、高速摄像机9和计算机系统11，电磁悬浮设备本体为透明竖式石英管7，透明竖式石英管7顶部设有三棱镜1，棱镜1中光线路线2折射光线出口处设有在线式比色红外测温仪6，透明竖式石英管7处设有高速摄像机9，在线式比色红外测温仪6中的测温数据和高速摄像机9采集照片的数据传给计算机系统11。
其中透明竖式石英管7上部设有的保护性气体入口3，下部设有保护性气体出口5，透明竖式石英管7上设有悬浮线圈10和电源控制系统4，悬浮线圈10缝隙处设有高速摄像机9进行采集照片；在线式比色红外测温仪6通过温度校准；高速摄像机9延迟设置为10-25ms，曝光度为50-400
该用于检测金属合金凝固组织演变的电磁悬浮方法，其具体步骤包括：
步骤1、将1.25g的600MPa钢金属合金材料8加工成颗粒状试样；
步骤2、将步骤1得到的颗粒状试样原料置于电磁悬浮设备的悬浮线圈10中，通入保护性气体（纯度为99.999%的纯氩气，气体流量为2 L/min），接通电源后，输入电流275A、电源频率295kHz、功率7kW，金属合金材料8悬浮于空中，受热熔化，过程中悬浮线圈10中需通入循环冷却水防止其过热熔断；
步骤3、在步骤2中金属合金材料8悬浮稳定后，利用在线式比色红外测温仪6测量金属合金材料8的温度变化得到温度实时变化图，温度实时变化图如图2所示，当温度实时变化接近600Mpa钢的熔点（如图2中A点所示），判断金属合金材料8开始熔化后，打开高速摄像机9进行拍摄得到熔化高速摄像结果图（在
步骤4、待熔化高速摄像结果图拍摄完毕，此后金属合金材料8的温度不断上升，当温度稳定40s后，控制输出电流245A、电源频率295kHz、功率5kW，通入冷却气体（50V%H
从图3(a)中可以看出金属合金材料8经过3.01s从不规则颗粒状变为椭球形熔滴，而后亮度随着温度上升而升高；从3(b)中可以看出熔滴在0.13s时发生再辉，亮度显著升高，而后亮度随着凝固过程而降低，可以看出600MPa钢在凝固过程中的组织变化。本次检测耗时6min。
实施例2
如图1所示，该用于检测金属合金凝固组织演变的电磁悬浮装置，包括电磁悬浮设备、三棱镜1、在线式比色红外测温仪6、高速摄像机9和计算机系统11，电磁悬浮设备本体为透明竖式石英管7，透明竖式石英管7顶部设有三棱镜1，棱镜1中光线路线2折射光线出口处设有在线式比色红外测温仪6，透明竖式石英管7处设有高速摄像机9，在线式比色红外测温仪6中的测温数据和高速摄像机9采集照片的数据传给计算机系统11。
其中透明竖式石英管7上部设有的保护性气体入口3，下部设有保护性气体出口5，透明竖式石英管7上设有悬浮线圈10和电源控制系统4，悬浮线圈10缝隙处设有高速摄像机9进行采集照片；在线式比色红外测温仪6通过温度校准；高速摄像机9延迟设置为10-25ms，曝光度为50-400
该用于检测金属合金凝固组织演变的电磁悬浮方法，其具体步骤包括：
步骤1、将1.73g的600MPa钢金属合金材料8加工成颗粒状试样；
步骤2、将步骤1得到的颗粒状试样原料置于电磁悬浮设备的悬浮线圈10中，通入保护性气体（纯度为99.999%的纯氩气，气体流量为3.5L/min），接通电源后，输入电流275A、电源频率295kHz、功率7kW，金属合金材料8悬浮于空中，受热熔化，过程中悬浮线圈10中需通入循环冷却水防止其过热熔断；
步骤3、在步骤2中金属合金材料8悬浮稳定后，利用在线式比色红外测温仪6测量金属合金材料8的温度变化得到温度实时变化图，温度实时变化图如图2所示，当温度实时变化接近TC4的熔点（如图4中
步骤4、待熔化高速摄像结果图拍摄完毕，此后金属合金材料8的温度不断上升，当温度稳定120s后，控制输出电流205A、电源频率295kHz、功率3kW，通入冷却气体（70V%H
从图5(a)中可以看出TC4钛合金经过11.78s从不规则颗粒状变为椭球形熔滴，而后亮度随着温度上升而升高；从5(b) 中可以看出熔滴在0.031s时发生再辉，亮度显著升高，而后亮度随着凝固过程而降低，可以看出TC4钛合金在凝固过程中的组织变化。本次检测耗时7min。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
机译： 一种用于治疗组织的装置的方法，一种用于治疗人类有机体组织的方法以及一种用于通过至少两极的电极来治疗组织的装置以及使用一种用于产生高频电流的装置的方法
机译： 具有在组织容器中布置的检测装置的组织分配器，一种检测组织产品的液位的方法以及用于管理组织纸产品的更换的系统
机译： 一种用于控制金属合金凝固过程中的流动的方法和设备。
