强磁场下定向凝固装置的设计及观察系统*

耿铁强++熊超宇++任庆鑫++关思宇++李犇++娄长胜

文章编号：2095-6835（2016）07-0103-02

摘 要：定向凝固技术作为功能晶体生长与材料取向强化的主要方法之一，具有重要的理论意义和实际应用价值。为了进一步提高材料的性能，许多学者将电磁场与定向凝固技术相结合，并基于电磁场可抑制热对流的特点，开发了新型的定向凝固技术。由于透明类金属晶体材料具有熔点低和光学透明等特点，所以，可在实验中观测，从而使人们更加深入地认识凝固基本理论。因此，研制了新型强磁场下的定向凝固观察装置。

关键词：磁场；定向凝固装置；丁二腈；CMOS工业相机

中图分类号：TG111.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.07.103

随着材料制备加工技术的发展，新材料不断向着产业化的方向发展，这有效提升了传统材料的使用性能。对于金属的凝固过程控制而言，一方面要获得晶粒细小、组织致密、性能优良的产品；另一方面，应综台利用各种手段开发新的凝固成形工艺，改进金属的熔炼、凝固、成形过程，以满足不同情况下的特殊要求。

透明模型合金在强磁场下的定向凝固装置可对实验装置的各个模块进行测试和调节。对透明类金属物质-99.9%的丁二腈透明模型合金定向凝固过程进行了实时观测，利用CMOS工业相机实时观察和记录了丁二腈晶体在不同强度磁场下生长时的界面形态，分析了不同强度的磁场对晶体生长界面形态变化的影响，并观察了定向凝固时枝晶的演化过程。本文研究的内容为有效观测金属凝固过程中的界面奠定了基础。

1 磁场下定向凝固实验装置的特点

目前，定向凝固装置大多被用于实验中，其设计思路各不相同。其中，比较成熟且应用较多的是模块化设计，比如加热模块、冷却模块、抽拉模块、观察模块等的设计。这样的设计便于实验装置的搭建，可根据实际情况调整各个模块的参数，从而及时解决实验过程中存在的问题，且模块具有外形美观、实用的特点。本实验装置采用了模块化设计，根据磁场的形状、尺寸，采用了对称式结构设计，以便于修改、控制各参数及确定中心位置。实验装置由磁场、加热模块、冷却模块、控制模块、观察模块五部分组成。

2 强磁场对实验装置的要求

2.1 材料要求

定向凝固装置在超强磁场中工作时，为了防止装置与超强磁场相互干扰，所有装置均选用顺磁材料制成；为了防止超强磁场对相机及传输信号造成干扰，在磁场中所有的相机上设置了相应的磁屏蔽；为了满足精度要求，在实验过程中将装置固定在了磁场中心。

2.2 尺寸要求

由于本实验装置最终要运用在磁场中，而磁场的空间是有限的（本实验用到的磁场的直径为250 mm，长度为700 mm）所以，在设计实验装置时必须考虑其尺寸，从而保证可将其放置于磁场中心位置。本实验装置采用对称性结构设计，既可确保定向凝固部分处于磁场中心，又可保证实验装置在磁场中的水平度。

3 磁场下定向凝固实验装置的结构

本实验设计的定向凝固装置由强磁场、加热模块、冷却模块、观察模块、控制模块、五部分组成。

3.1 强磁场

本实验的超导强磁体的工作空间为一个竖直的圆柱形通孔，内径为250 mm，长度为700 mm，工作空间的温度为室温。强超导材料制成的线圈冷却至超导态，然后在线圈中通入大强度直流电，进而在工作空间中产生竖直方向的稳定超强磁场。磁场中心的感应强度可调，且在工作空间轴向方向上，磁场中心范围内的磁感应强度比较均匀。磁场中心位置与磁体底部的距离为427 mm，在放置实验装置时，必须确保样品与磁场中心在同一高度、同一水平面，从而保证磁场强度的精准性。

3.2 加热模块

要想在定向凝固装置中建立温度梯度场，加热区就必须提供足够的热量。该实验装置的加热区具备熔化试样的功能。为了避免因感应加热中电动力造成的固液界面不平稳现象和消除强磁场对电流的影响，进而导致凝固方向与轴向柱晶偏离、样品性能下降，该定向凝固加热系统采用了电阻加热的方式。如图1所示，加热模块由2块独立的加热片和上、下2块铝板组成，输入电压为220 V，具有加热速度快、温度稳定、加热均匀等特点，铝板作为传热面具有加热均匀、受热面积稳定的特点。此外，加热片外包装材料选用了铝材，可满足强磁场下的实验需求；控制面板中的加热模块温控仪可自动设定加热温度，最高加热温度可以达到100.0 ℃，温度精度可达0.1 ℃。

3.3 冷却模块

冷却模块用于快速冷却试样一端，可获得稳定的温度梯度，从而实现样品从受冷端开始凝固的目标，并能观察试样组织的相转变。本实验冷却模块由2块帕尔贴组成，如图2所示。1834年，法国科学家帕尔贴发现了热电致冷和致热现象，即温差电效应。在本实验中，由N、P型材料组成一对热电偶，当热电偶通入直流电流后，因直流电通入的方向不同，将在电偶结点处出现吸热和放热现象，这种现象称为珀尔帖效应。通过帕尔贴元件可将冷端温度控制在常温状态，温度可在10～40 ℃之间调节，从而可满足不同温度梯度的需求。

3.4 控制模块

控制模块由测温元件和控温元件组成。

3.4.1 测温元件

本实验装置的测温元件为2块薄膜热电阻，型号为PT100，温度范围为-50～600 ℃，分别固定在冷、热端的开口处。为了防止热电阻短路，固定前需要在热电阻的补偿线上先涂抹指甲油。指甲油具有绝缘、透明、耐热等特点，可满足实验要求。

3.4.2 控温元件

本实验装置的控温元件由2块温控仪组成，如图3所示。热端温控仪的型号为XMTD-808，精度为0.5级；冷端温控仪的型号为XMT-615，精度为0.5级。

3.5 观察模块

观察模块由工业相机和自制支架组成，如图4所示。相机的产品型号为MQ36-200，产品名称为USB 2.0 200万数码摄像头；图像传感器为1/2彩色/CMOS图像传感器，像素尺寸为3.2 μm×3.2 μm，光谱响应为400～1 000 nm，扫描方式为逐行扫描，分辨率为640×480、1 280×1 024、1 600×1 200，传输速率为30F@640×480、15f@1 280×1 024，白平衡为自动/手动，自动曝光控制为自动/手动，图像输出为USB 2.0（480 MB/s）；电源为USB 2.0（5 V）；工作温度为0～50 ℃。

4 磁场下的定向凝固实验装置设计

将上述各模块按照调试好的距离组装并固定后，便可得到最终的实验装置，如图5所示。

参考文献

[1]高志玉.热电磁流体动力学效应对铝合金定向凝固显微组织的影响[D].沈阳：辽宁工程技术大学，2007.

[2]张锡钧.磁场中的Benard不稳定性[J].山东师大学报（自然科学版），1993（03）.

[3]王理林.丁二腈界面能各向异性的测量及自由枝晶生长研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[4]李茂.定向凝固过程中固液界面稳定性的研究现状[J].山东冶金，2012，34（04）.

作者简介：耿铁强（1992—），男，省乙级大学生创业训练项目主持人。

〔编辑：张思楠〕