一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置及材料制备方法

本发明涉及换热，具体涉及一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置及材料制备方法。

背景技术：

1、目前，高性能新型材料和先进材料制备技术成为我国在材料工业领域亟待解决的重大课题。在常规条件下制备金属材料存在一系列固有缺陷，如异质形核，宏观成分偏析等。而太空中“微重力、无容器、超高真空”的一系列超常环境被认为是制备高性能新型材料的理想条件。因此，世界各国科学家相继开展诸多空间材料实验；然受成本限制，人们真正能在空间实验室实地开展研究的机会少之又少，因此通过地面模拟空间环境进行材料制备研究不失为研发新材料的关键。

2、作为悬浮无容器制备技术的一大代表，电磁悬浮技术可以有效地实现金属材料在深过冷条件下的快速凝固。电磁悬浮的原理是依靠交变电流在样品表面形成感应电流，从而产生洛伦兹力来平衡样品自身重力，使样品达到稳定悬浮，避免接触坩埚等容器壁带来的污染，实现样品均质形核。该技术的特点在于：（1）通过特定构型的线圈和交变电流在样品表面形成感应“涡流”，产生洛伦兹力来抵消重力，从而实现样品的稳定悬浮，悬浮力强，稳定性好；（2）感应电流使样品悬浮与熔炼同步进行，可以不必借助激光等外部热源而直接实现样品的悬浮熔化；（3）电磁悬浮特有的电磁搅拌功能可有效消除成分偏析，获得均匀的凝固组织。基于上述特点，电磁悬浮技术成为研究材料深过冷快速凝固的微观组织、热物理性质乃至开发性能优异的新型材料的一种重要手段。

3、目前，小体积金属电磁悬浮技术在合金深过冷快速凝固机理、相转变及枝晶生长方面，现有技术公开了质量为0.8g的ni-cu-mo合金在电磁悬浮条件下触发形核的枝晶生长速率，样品最大过冷度达到308k。由此可见，在实际应用中，要想实现深过冷，传统线圈结构所能实现的样品悬浮质量仅在0.01～2g，样品尺寸最大为毫米级，这极大限制了在实际生产过程中的应用，且质量过小的样品难以研究其力学性能。

4、基于上述问题，现有的技术的一种超高真空电磁悬浮材料制备系统和方法中公开了大体积金属的电磁悬浮无容器处理技术，一种用于悬浮10～600g大体积金属材料的双层电磁线圈公开了一种新型双层电磁悬浮线圈，可将现有的可悬浮金属样品质量提升至10～600g，具有样品尺寸大，质量大的优势，极大拓展了电磁悬浮材料制备技术在科学研究和工业生产领域中的应用。

5、然而，要想使电磁悬浮样品实现无接触深过冷快速凝固，其核心在于通入氦气对样品进行强制冷却，而其中关键就在于如何提高氦气对样品的冷却效率。尤其是大体积大质量的合金熔体在悬浮凝固的过程中，样品内部存在大量温度梯度，相比于小体积电磁悬浮样品，完全凝固需要的散热时间更长；故使用常温氦气作为强制冷却气体时，对大体积的样品降温效果有限，使熔体凝固时间过长；同时过大的氦气气流对样品悬浮稳定性及真空腔室的真空度均有较大影响，使样品难以获得大过冷及大冷速，极大限制了大体积电磁悬浮样品的组织细化及性能改善。

6、因此，需要提供一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置及材料制备方法以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置及材料制备方法，通过设置换热装置，并利用换热装置对氦气进行冷却，使得换热装置的冷却后的氦气通入超高真空电磁悬浮材料制备系统的真空腔室，以解决现有的使用常温氦气作为强制冷却气体时，对大体积的样品降温效果有限，使熔体凝固时间过长；同时过大的氦气气流对样品悬浮稳定性及腔体的真空度均有较大影响，使样品难以获得大过冷及大冷速，极大限制了大体积电磁悬浮样品的组织细化及性能改善的问题。

2、本发明的一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置采用如下技术方案：包括：

3、液氮保冷容器，其内充有液氮；

4、双层换热线圈，设置于液氮保冷容器内，其由铜线管绕设而成，铜线管的一端穿出液氮保冷容器后通过进气铜管和氦气储存组件连通；铜线管的另一端穿出液氮保冷容器后通过出气铜管和超高真空电磁悬浮材料制备系统的真空腔室连通，其中，出气铜管和超高真空电磁悬浮材料制备系统的真空腔室连通的一端的氦气温度为243k；超高真空电磁悬浮材料制备系统用于使样品在悬浮无容器状态下凝固；

5、减压阀，设置在进气铜管上；

6、开关阀以及隔热组件，均设置出气铜管上。

7、优选地，双层换热线圈包括内层线圈和外层线圈，内层线圈和外层线圈之间距离为10～30cm。

8、优选地，液氮保冷容器的内壁设置有抗低温夹层，抗低温夹层内填充有聚酯发泡材料。

9、优选地，隔热组件包括：隔热棉，隔热棉包覆于出气铜管上。

10、优选地，还包括温度检测组件，用于检测出气铜管内的氦气温度。

11、优选地，双层换热线圈的最顶部的一圈距离容器盖间距为8～10cm。

12、优选地，减压阀到双层换热线圈的进气端的管道长度为30～50cm。

13、一种超高真空电磁悬浮材料制备方法，对本发明的换热装置进行预冷，使得出气铜管温度达到设定温度243k；在超高真空电磁悬浮材料制备系统的真空腔室放置样品，并开启超高真空电磁悬浮材料制备系统；直至待悬浮样品达到所需的过热温度，利用预冷后的换热装置中的氦气对真空腔室内的样品冷却，使样品在悬浮无容器状态下凝固，得到含有非晶相的新型非晶复合材料。

14、优选地，对换热装置的管道中的氦气进行预冷的步骤为：将双层换热线圈完全浸没在液氮保冷容器的液氮中，并静置等待5～8min；在静置过程中，向液氮保冷容器添加液氮，保持液氮始终浸没双层换热线圈；直至液氮保冷容器器内温度与液氮温度相同，控制减压阀以5～10l/min的气流量向真空腔室内充入冷却后的氦气；直至出气铜管温度达到设定温度243k时，关闭超高真空电磁悬浮材料制备系统的真空腔室进口的开关阀。

15、本发明的有益效果是：

16、1）本发明并利用换热装置对氦气进行冷却，使得换热装置的冷却后的氦气通入超高真空电磁悬浮材料制备系统的真空腔室；使得超高真空电磁悬浮材料制备系统的真空腔室内的样品在达到所需的过热温度时，冷却后的氦气吹到样品的熔体表面，从而改善大体积电磁悬浮样品的凝固组织，细化晶粒，提升力学性能；相比常温氦气，热交换效率显著提高，样品冷却速率明显提升，有效减少样品加热凝固时间；有效减少冷却氦气充入量，进而保证真空腔室的维持负压的超洁环境。

17、2）通过在双层换热线圈的进口铜管上设置减压阀，并通过减压阀有效控制冷却氦气的流速，从而提升样品在悬浮状态下降温凝固过程中的悬浮稳定性。

技术特征：

1.一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置，其特征在于，双层换热线圈包括内层线圈和外层线圈，内层线圈和外层线圈之间距离为10～30cm。

3.根据权利要求1所述的一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置，其特征在于，液氮保冷容器的内壁设置有抗低温夹层，抗低温夹层内填充有聚酯发泡材料。

4.根据权利要求1所述的一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置，其特征在于，隔热组件包括：隔热棉，隔热棉包覆于出气铜管上。

5.根据权利要求1所述的一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置，其特征在于，还包括温度检测组件，用于检测出气铜管内的氦气温度。

6.根据权利要求1所述的一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置，其特征在于，双层换热线圈的最顶部的一圈距离容器盖间距为8～10cm。

7.根据权利要求1所述的一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置，其特征在于，减压阀到双层换热线圈的进气端的管道长度为30～50cm。

8.一种超高真空电磁悬浮材料制备方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的一种超高真空电磁悬浮材料制备方法，其特征在于，对换热装置的管道中的氦气进行预冷的步骤为：

技术总结本发明涉及换热技术领域，具体涉及一种用于超高真空电磁悬浮材料制备系统的换热装置及材料制备方法，包括：液氮保冷容器、双层换热线圈、减压阀、开关阀以及隔热组件；液氮保冷容器内充有液氮；冷却组件设置于液氮保冷容器内，双层换热线圈的铜线管的一端穿出液氮保冷容器后通过进气铜管和氦气储存组件连通，铜线管的另一端穿出液氮保冷容器后通过出气铜管和真空腔室连通；减压阀设置在进气铜管上；开关阀和隔热组件设置在出气铜管上。本发明有效减少样品加热凝固时间，有效减少冷却氦气充入量，保证真空腔室的超洁环境。技术研发人员：王海鹏,黎舸鑫,郭昊非,王彦博,常健,魏炳波受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16