利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法及装置

本发明涉及合金熔体净化，尤其涉及一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法及装置。

背景技术：

1、锆基非晶合金由于其强度高、硬度大、强耐腐蚀性、耐磨性以及在一定温度区间下的超塑性等，这些优异的性能使得锆基非晶合金材料在消费电子、生物医学、精密机械等领域有着广泛的应用，被认为是最具有潜力的新型结构材料。随着用户对非晶合金产品质量需求的不断提高，因此对材料的性能提出了更高要求，也对非晶合金的纯净度提出了更高要求。锆基非晶合金中的zr元素化学性质不稳定，极易与氧结合，因此锆基非晶合金的需要在真空环境下进行熔炼。然而由于熔炼的原料中含有一定量的氧，熔炼过程中会形成zro2。另外为了降低非晶合金中的氧含量，通常在熔炼过程中还需要加入稀土脱氧剂，从而导致非晶合金中产生稀土氧化物。锆基非晶合金中的非金属夹杂物尤其是脱氧剂引入的氧化物夹杂对其材料性能和使用寿命有较大影响。

2、锆基非晶合金(zr-cu-ni-al-nb-y)中的夹杂物主要有zro2、al2o3和y2o3等，这些夹杂物或以单一形式存在，或以聚合形式存在于基体内，其中这些硬质的非金属夹杂物极易导致非晶合金因应力过于集中而产生裂纹造成疲劳破坏，从而影响非晶合金的使用性能。所以这些非金属夹杂物已然成为导致非晶合金材料性能恶化的罪魁祸首。因此，降低非晶合金中的非金属夹杂物含量对非晶合金材料服役性能提高具有十分重要的意义。

3、非晶合金洁净度提高的核心环节在于冶炼，冶炼环节的洁净化程度决定了下游制品的质量，高纯净母合金是制备高性能服役材料的基础。因此，工业非晶合金冶炼净化工艺的研发显得格外重要！中国专利cn113462994b公开了一种去除锆基非晶合金中基体氧化物杂质的真空熔炼工艺，该方法主要为将锆基非晶合金在炉内进行真空熔炼，在炉内冲入惰性气体，将钙线喂入至熔体中并搅拌熔体，使钙与基体氧化物杂质进行氧化还原反应形成cao，静置一定时间，待cao上浮后去除。该方法不仅要加入额外的钙线增加工艺流程，增加冶炼成本，而且增加冶炼时间，降低生产效率。中国专利cn113528986b公开了一种超高韧性大尺寸锆基非晶合金及其制备方法和应用，该方法利用一定配比的zr、cu、ni、al制得锆基非晶合金，通过对zr-cu-ni-al体系各个组分的含量进行限定，使非晶合金兼具超高韧性、较高的玻璃形成能力和良好的可重复性，解决目前锆基非晶合金不能同时具有良好的玻璃形成能力和抗弯曲性能的矛盾。但是该方法过程复杂，能耗较高，不符合当前工业绿色发展规划的要求。中国专利cn106319273b公开了一种提高铝基非晶合金形成能力的熔体净化熔盐和熔体净化处理方法，该方法是在基础熔盐体系kcl-mgcl2-cacl2中加入附加熔盐caf2形成，其中：所述附加熔盐caf2的加入量为基础熔盐体系总重量的10-30％；对铝基非晶合金熔体净化处理时，上述熔盐的添加量占铝基非晶合金总量的0.5-2％。但该方法需要添加额外的熔盐，增加冶炼成本，而且对于细化铝基非晶母合金晶粒的效果有限。

4、可见，现有的真空感应熔炼、电弧熔炼、电子束熔炼、ca处理、陶瓷过滤等传统工艺手段已经无法满足各领域对更高洁净度非晶合金的要求。

5、因此，有必要研究一种新的利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法及装置来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法及装置，是一种低能耗、低排放的高效工业非晶合金母合金熔炼除杂技术。

2、一方面，本发明提供一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的装置，所述装置包括：脉冲电源、正电极、负电极、两个刚玉套管、两组导线、两组夹具、坩埚和熔体；

3、所述熔体盛放于所述坩埚内；

4、所述正电极和所述负电极的上段设置在对应的所述刚玉套管内，下段从所述刚玉套管露出；所述正电极和所述负电极分别插设于所述熔体同一端的两侧；所述刚玉套管通过所述夹具固定在所述坩埚的侧壁上；

5、所述正电极和所述负电极分别通过对应的导线与所述脉冲电源的正负极连接。

6、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述正电极和所述负电极的下段长度为熔体深度的1/4-1/3。

7、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述刚玉套管的底部与所述坩埚底部的距离为熔体深度的1/4-1/3。

8、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述正电极和所述负电极的材质为纯铁、纯镍或纯钼，形状为棒状。

9、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述正电极和所述负电极的直径均为5-15mm，长度为30-300mm。

10、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述导线的材质为纯钼，所述夹具的材质为不锈钢。

11、另一方面，本发明提供一种利用脉冲电场对非晶合金返回料洁净化冶炼的方法，所述方法采用如上任一所述的装置来实现；

12、所述方法的步骤包括：

13、s1、对锆基非晶合金返回料进行干燥处理以去除返回料表面的水分，并将坩埚置于干燥炉内进行烘干处理，再将小块状返回料均匀放于坩埚内，并将坩埚置于真空炉中；

14、s2、将一组电极插入坩埚两侧并套上刚玉套管，并保证电极底部留出一定的长度；通过夹具将刚玉套管固定在坩埚上，用导线把电极和外部的脉冲电源连接上；

15、s3、启动真空泵对真空炉进行抽真空以排出炉内氧气，并向炉内通入氩气气氛；然后启动升温装置将炉内温度升温至1200℃以上并保温30min以上，使坩埚内的返回料完全熔化；

16、s4、启动脉冲电源，在熔体中产生从水平方向到竖直方向的多角度电流密度梯度场驱动非金属夹杂物迁移至远电极端和熔体顶部区域，进行净化处理；净化处理预设时间后开始降温，待炉内温度降至400℃后关闭脉冲电源，停止净化处理。

17、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s2中电极留出的长度为熔体深度1/4-1/3；刚玉套管底端与坩埚底部的距离为熔体深度1/4-1/3。

18、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，非金属夹杂物包括y2o3、al2o3、zro2中的任意一种或多种，所述非金属夹杂物的尺寸范围在0.5-30μm之间。

19、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s4中净化处理的参数为：脉冲电流强度为10a-500a，频率为100hz-10000hz，脉宽为1μs-10ms。

20、与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：与工业中现有的非晶合金净化冶炼技术相比，本发明不需要添加额外的添加剂，能够降低生产成本；

21、上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明基于电自由能驱动理论，通过特定装置在熔体一侧底部设置正负电极源，在熔体内产生从水平方向到竖直方向的多角度电流密度分布，依靠电流密度梯度驱动力使熔体内的夹杂物沿着电流密度梯度方向迁移至熔体远离电极的区域和熔体顶部，实现净化非晶合金熔体的目的；

22、上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明所使用的脉冲电源为间歇性放电，能耗与普通日光灯想当，此外，本发明还具有操作便捷，绿色节能的优点，这有助于提高金属熔炼的效率，实现高品质非晶合金材料的无污染、无排放、低能耗、低成本、高效生产和规模应用；

23、上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明将两个电极设置在熔体内同一端，从而能够在水平面产生从近电极端指向远电极端的具有电流密度梯度的非均匀电场；如果将电极设置在两端，则只会在水平面产生均匀电场；在非均匀电场内夹杂物两侧的电流密度差值会高出均匀电场下夹杂物两侧电流密度差值两个数量级，夹杂物能够获得更大的驱动力，从而更有利于净化熔体；

24、上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明电极底部露出一部分的设置方式，不仅能在水平面产生非均匀电场，在竖直面也会产生非均匀电场，在竖直和水平面之间的区域同样会产生非均匀电场，更能够对夹杂物产生更多方向和更大的驱动力。

25、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。