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CN115216847A - 多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法及装置 - Google Patents

多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法及装置 Download PDF

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CN115216847A
CN115216847A CN202210869194.3A CN202210869194A CN115216847A CN 115216847 A CN115216847 A CN 115216847A CN 202210869194 A CN202210869194 A CN 202210869194A CN 115216847 A CN115216847 A CN 115216847A
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Northwestern Polytechnical University
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Abstract

本发明公开了一种多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法及装置，包括熔炼装置、磁场发生装置、真空腔体、冷却罐、测温系统、抽拉装置、真空系统和实验气氛源；冷却罐设置于真空腔体的底部，熔炼装置设置于真空腔体内，磁场发生装置设置于冷却罐内，抽真空系统连接真空腔体的内腔，用于对真空腔体抽真空，实验气氛源连接真空腔体的内腔，用于向抽真空后的真空腔体内充入实验气氛；测温系统用于监测真空腔体内的样品上表面温度；本发明在金属熔体定向凝固过程中调控定向凝固抽拉速度、磁场强度与磁场类型，能够针对复杂应用环境对材料不同段性能差异化的需求设计材料结构。所制备材料沿径向具有梯度组织和性能。

Description

多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法及装置
技术领域
本发明涉及金属材料制备技术领域，特别是涉及一种多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法及装置。
背景技术
在凝固过程中对金属熔体施加磁场，通过改变熔体内部的对流进而控制其传质传热行为，可以有效改善金属材料的组织和性能。目前，主要的外加磁场类型包括稳恒磁场和行波磁场。在不同磁场作用下熔体内的对流行为表现出巨大差异。横向稳恒磁场作用下溶质会表现出向坩埚壁的偏聚行为，大量应用于金属除杂领域；纵向稳恒磁场能够有效调控合金材料的晶体取向特征；行波磁场能够促进熔体内部对流，以减少缩孔、偏析等缺陷。
定向凝固技术中合金熔体逆温度梯度生长，晶体沿与热流相反的方向凝固。这一技术能够获得具有相同取向的柱状晶或单晶组织，从而改善材料的应用性能。与传统凝固方法相比，定向凝固技术在高性能合金的制备领域有着更广阔的应用前景。但是受限于定向凝固抽拉速度等技术条件的限制，其在新型功能金属材料的研发与制造中具有一定局限性。近年来提出的外加磁场定向凝固技术兼具了磁场调控与定向凝固的优势。中国专利CN108655375A提出了一种轴向稳恒磁场条件下定向凝固制备梯度材料的方法，通过改变外加磁场的磁感应强度制备具有梯度性能的功能梯度材料；中国专利CN104625022A提出了一种在定向凝固过程中施加横向磁场进行金属材料除杂的方法。利用金属熔体内形成的热电磁流动使得夹杂物向坩埚的一侧偏聚；中国专利CN102071469B提出了一种在定向凝固过程中外加行波磁场的装置，能够通过改变行波磁场的强度与频率细化材料枝晶组织。以上现有技术主要利用单一磁场对金属材料组织性能进行调控，在多磁场条件下金属材料的凝固机理与制备装置的设计尚未涉及。在外加磁场定向凝固装置的设计中磁场发生器的体积很大且外加磁场类型较少。同时在新型金属材料的制备中，采用单一外加磁场调控制备的材料沿定向生长方向梯度差异较小，难以满足复杂应用环境对材料各段性能的差异化需求。
综上，提供一种多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法及装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法及装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够在材料定向凝固过程中施加单一磁场、多级磁场与复合磁场，能够针对复杂应用环境对材料不同段性能差异化的需求设计材料结构，为设计和开发新型金属材料提供了途径。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法，包括以下步骤：
(1)选取高纯块状金属原料，按比例配置所需金属材料；将材料加工成合适的尺寸装入陶瓷坩埚并将坩埚与抽拉杆连接；
(2)将四种磁场发生器安装在冷却罐中对应移动装置；通过磁场升降组件和磁场平移组件能够调整磁场发生器的工作位置；
(3)对真空腔体抽真空；将合金材料熔化成金属熔体，以实现合金在抽拉杆定向抽拉过程中的定向生长；
(4)第一凝固阶段：启动抽拉装置将金属熔体拉入冷却罐的Ga-In-Sn液态金属冷却介质中进行定向凝固；所述金属熔体在第一外加磁场作用下凝固，磁场主要作用于材料固液界面处；所述第一外加磁场能够是横向稳恒磁场、纵向稳恒磁场、横向行波磁场、纵向行波磁场或四种磁场中任意两种形成的复合磁场；
(5)第二凝固阶段：材料浸入Ga-In-Sn液态金属冷却介质设定距离时调整磁场发生器位置使得材料在第二外加磁场作用下凝固；所述第二外加磁场具有与第一外加磁场不同的类型、强度或频率；
(6)第n凝固阶段；材料浸入Ga-In-Sn液态金属冷却介质设定距离时调整磁场发生器位置使得材料在第n外加磁场作用下凝固；
(7)待金属材料冷却至室温后取出，金属材料沿径向具有多段不同定向生长特征的凝固组织。
本发明还提供一种多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置，应用于上述一种多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法中，包括熔炼装置、磁场发生装置、真空腔体、冷却罐、测温系统、抽拉装置、抽真空系统和实验气氛源；
所述冷却罐设置于所述真空腔体的底部，所述熔炼装置设置于所述真空腔体内，所述磁场发生装置设置于所述冷却罐内，所述抽真空系统连接所述真空腔体的内腔，用于对所述真空腔体抽真空，所述实验气氛源连接所述真空腔体的内腔，用于向抽真空后的所述真空腔体内充入实验气氛；所述测温系统用于监测所述真空腔体内的样品上表面温度；
所述熔炼装置包括感应线圈、石墨套和坩埚；所述石墨套为圆筒状石墨，所述感应线圈缠绕于所述石墨套的外部，所述坩埚设置于所述石墨套内，所述坩埚底部与所述抽拉装置连接，由所述抽拉装置控制所述坩埚在所述石墨套内垂直移动；所述石墨套的底部设置有环形的石墨垫，所述石墨垫的底部设置有陶瓷垫，所述陶瓷垫与其底部的所述冷却罐的顶板之间设置有石墨毡；
所述磁场发生装置包括磁场发生器、热防护套、磁场控制装置和供电装置；所述磁场发生器包括纵向稳恒磁场发生器、横向稳恒磁场发生器、纵向行波磁场发生器和横向行波磁场发生器；
所述纵向稳恒磁场发生器由环形永磁体与套设于所述环形永磁体外部的热防护套构成，能够产生平行于定向凝固方向的稳恒磁场；
所述横向稳恒磁场发生器包括对向放置的两个方形永磁体和套设于所述方形永磁体外部的热防护套，两个所述方形永磁体的N极与S极相对放置，能够提供横向稳恒磁场；
所述纵向行波磁场发生器由纵向分布的铜线圈和套设于所述铜线圈外部的热防护套构成，能够产生平行于定向凝固方向的行波磁场；
所述横向行波磁场发生器包括对向放置的两个矩形线圈和套设于矩形线圈外部的热防护套，能够产生横向行波磁场；
所述磁场控制装置包括磁场升降组件和磁场平移组件，其中磁场升降组件由升降杆与伺服电机一构成，用于控制所述环形永磁体与所述铜线圈在所述冷却罐腔体内的升降；所述磁场平移组件包括平移支杆和伺服电机二，用于控制所述方形永磁体和所述矩形线圈的水平位置；
所述供电装置用于向所述磁场发生装置的内部线圈供电。
优选地，所述抽真空系统包括机械泵与分子泵，所述机械泵连接所述分子泵，所述分子泵管路连接所述真空腔体的腔体。
优选地，所述感应线圈为内部流通循环冷却水的紫铜线圈。
优选地，所述抽拉装置包括抽拉电机和抽拉杆，所述抽拉杆底部连接所述抽拉电机，所述抽拉杆顶部通过钼合金转接头连接所述坩埚，所述坩埚为带有平底的圆筒形刚玉坩埚。
优选地，所述热防护套为氧化铝陶瓷套。
优选地，所述冷却罐包括圆筒形退磁不锈钢罐体、Ga-In-Sn液态金属冷却介质和通有循环冷却水的紫铜管，所述Ga-In-Sn液态金属冷却介质装于所述罐体内，所述紫铜管位于所述罐体内的所述Ga-In-Sn液态金属冷却介质内。
优选地，所述供电装置包括电极法兰和供电电源；所述电极法兰安装于真空腔体的侧壁上，所述电极法兰通过导线连接外部的所述供电电源与内部的所述纵向行波磁场发生器和横向行波磁场发生器。
优选地，所述真空腔体和冷却罐的侧壁均为内部带有水冷夹层的双层水冷结构，所述真空腔体和冷却罐的水冷夹层通过管道与水冷机连接。
优选地，所述测温装置为红外测温仪；所述红外测温仪安装于所述真空腔体顶部。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
1、本发明提供的金属材料制备方法在金属熔体定向凝固过程中调控定向凝固抽拉速度、磁场强度与磁场发生器类型，能够针对复杂应用环境对材料不同段性能差异化的需求设计材料结构。所制备材料沿径向具有梯度组织和性能。
2、本发明所提供定向凝固装置磁场发生设备直接在腔体内进行切换，能够满足单一磁场与复合磁场中金属材料的定向凝固，简化了实验操作流程的同时大大降低了实验设备成本。
3、本发明磁场发生装置采用液态金属冷却，石墨垫、陶瓷垫、石墨毡多层隔热处理，实现了高温、高频磁场环境中磁场发生器的稳定工作。
4、本发明所有磁场发生装置与样品距离很小，有效降低了磁场随距离的衰减，减少了能耗与实验成本。是一种更加低碳环保制备新型高温金属材料的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法的示意图；
图2为本发明多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置的结构示意图；
图3为图2中磁场发生装置的水平示意图；
图4为图2中磁场发生装置的垂直示意图；
图5为纵向稳恒磁场发生器的结构示意图；
图6为横向稳恒磁场发生器的结构示意图；
图7为纵向行波磁场发生器的结构示意图；
图8为横向行波磁场发生器的结构示意图；
图中：1-感应线圈；2-石墨套；3-坩埚；4-陶瓷垫；5-磁场发生器；6-机械泵；7-分子泵；8-实验气氛源；9-真空腔体；10-水冷机；11-红外测温仪；12-抽拉装置；13-环形永磁体；14-方形永磁体；15-铜线圈；16-矩形线圈；17-伺服电机二；18-平移支杆；19-Ga-In-Sn液态金属冷却介质；20-抽拉杆；21-伺服电机一；22-升降杆；23-冷却罐；24-样品；25-热防护套。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置及方法，以解决现有技术存在的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供了一种多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)选取高纯块状金属原料，按比例配置所需金属材料；将材料加工成合适的尺寸装入陶瓷坩埚3并将坩埚3与抽拉杆20连接；
(2)将四种磁场发生器5安装在冷却罐23中对应移动装置；通过磁场升降组件和磁场平移组件能够调整磁场发生器5的工作位置；
(3)对真空腔体9抽真空；将合金材料熔化成金属熔体，以实现合金在抽拉杆20定向抽拉过程中的定向生长；
(4)第一凝固阶段：启动抽拉装置12将金属熔体拉入冷却罐23的Ga-In-Sn液态金属冷却介质19中进行定向凝固；金属熔体在第一外加磁场作用下凝固，磁场主要作用于材料固液界面处；第一外加磁场能够是横向稳恒磁场、纵向稳恒磁场、横向行波磁场、纵向行波磁场或四种磁场中任意两种形成的复合磁场；
(5)第二凝固阶段：材料浸入Ga-In-Sn液态金属冷却介质19x1距离时调整磁场发生器5位置使得材料在第二外加磁场作用下凝固；第二外加磁场具有与第一外加磁场不同的类型、强度或频率；
(6)第n凝固阶段；材料浸入Ga-In-Sn液态金属冷却介质xn-1距离时调整磁场发生器5位置使得材料在第n外加磁场作用下凝固；
(7)待金属材料冷却至室温后取出，金属材料沿径向具有多段不同定向生长特征的凝固组织。
本实施例还提供了一种多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置，应用于上述多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法中，如图2-图8所示，包括熔炼装置、磁场发生装置、真空腔体9、冷却罐23、测温系统、抽拉装置12、抽真空系统和实验气氛源8；
冷却罐23设置于真空腔体9的底部，熔炼装置设置于真空腔体9内，磁场发生装置设置于冷却罐23内，抽真空系统连接真空腔体9的内腔，用于对真空腔体9抽真空，实验气氛源8连接真空腔体9的内腔，用于向抽真空后的真空腔体9内充入实验气氛；测温系统用于监测真空腔体9内的样品24上表面温度；
熔炼装置包括感应线圈1、石墨套2和坩埚3；石墨套2为圆筒状石墨，感应线圈1为内部流通循环冷却水的紫铜线圈15，感应线圈1缠绕于石墨套2的外部，坩埚3设置于石墨套2内，坩埚3底部与抽拉装置12连接，由抽拉装置12控制坩埚3在石墨套2内垂直移动；石墨套2的底部设置有环形的石墨垫，石墨垫的底部设置有陶瓷垫，以降低磁场发生装置所受热辐射，陶瓷垫与其底部的冷却罐23的顶板之间设置有石墨毡，用于降低陶瓷垫内部的温度梯度，避免陶瓷垫碎裂；
磁场发生装置包括磁场发生器5、热防护套25、磁场控制装置和供电装置；磁场发生器5包括纵向稳恒磁场发生器、横向稳恒磁场发生器、纵向行波磁场发生器和横向行波磁场发生器；
纵向稳恒磁场发生器由环形永磁体13与套设于环形永磁体13外部的热防护套25构成，能够产生平行于定向凝固方向的稳恒磁场；
横向稳恒磁场发生器包括对向放置的两个方形永磁体14和套设于方形永磁体14外部的热防护套25，两个方形永磁体14的N极与S极相对放置，能够提供横向稳恒磁场；
纵向行波磁场发生器由纵向分布的铜线圈15和套设于铜线圈15外部的热防护套25构成，能够产生平行于定向凝固方向的行波磁场；
横向行波磁场发生器包括对向放置的两个矩形线圈16和套设于矩形线圈16外部的热防护套25，能够产生横向行波磁场；
具体地，环形永磁体13和铜线圈15设置于冷却罐23的顶部，二者同心设置，且环形永磁体13位于铜线圈15的外周；两个方形永磁体14和两个矩形线圈16分别设置于冷却罐23的顶部两侧，抽拉杆20穿过铜线圈15的中心，并由方形永磁体14和矩形线圈16之间穿过。磁场发生装置可提供0-5T横向稳恒磁场、0-5T纵向稳恒磁场、0-200mT纵向行波磁场及0-200mT横向行波磁场，行波磁场频率10-500Hz。
磁场控制装置包括磁场升降组件和磁场平移组件，其中磁场升降组件由升降杆22与伺服电机一21构成，用于控制环形永磁体13与铜线圈15在冷却罐23腔体内的升降；升降杆22底端连接伺服电机一21，顶端通过升降平台同时连接环形永磁体13和铜线圈15。
磁场平移组件包括平移支杆18和伺服电机二17，用于控制方形永磁体14和矩形线圈16的水平位置；伺服电机二17设置有两个，两个伺服电机二17分别连接一平移支杆18，平移支杆18则连接推板，两个推板分别安装在两个方形永磁体14和两个矩形线圈16上。两个伺服电机二17则能够分别控制方形永磁体14和矩形线圈16的横向位置。
供电装置用于向磁场发生装置的内部线圈供电；供电装置包括电极法兰与供电电源，电极法兰安装于真空腔体9的侧壁上，电极法兰通过导线连接外部的供电电源与内部的纵向行波磁场发生器和横向行波磁场发生器。
于本具体实施例中，抽真空系统包括机械泵6与分子泵7，机械泵6连接分子泵7，分子泵7管路连接真空腔体9的腔体。抽真空系统可将腔体抽至1×10-4-1×10-6Pa；实验气氛源8为氩气，抽真空系统将腔体抽至真空后，可打开电磁阀向真空腔体9的腔体内反充氩气。
于本具体实施例中，抽拉装置12包括抽拉电机和抽拉杆20，抽拉杆20底部连接抽拉电机，在抽拉电机的驱动下抽拉杆20可以实现1-500μm/s的抽拉速度。抽拉杆20顶部通过钼合金转接头连接坩埚3，坩埚3为带有平底的圆筒形刚玉坩埚3。
于本具体实施例中，热防护套25为氧化铝陶瓷套，用于防止内部磁场发生器5受高温影响损坏。
于本具体实施例中，冷却罐23包括圆筒形退磁不锈钢罐体、Ga-In-Sn液态金属冷却介质19和通有循环冷却水的紫铜管，Ga-In-Sn液态金属冷却介质19装于罐体内，紫铜管位于罐体内的Ga-In-Sn液态金属冷却介质19内。
于本具体实施例中，真空腔体9和冷却罐23的侧壁均为内部带有水冷夹层的双层水冷结构，真空腔体9和冷却罐23的水冷夹层通过管道与水冷机10连接。
于本具体实施例中，测温装置为红外测温仪11，红外测温仪11安装于真空腔体9的顶部，红外测温仪11测温范围500-2500℃，可实时监测样品24上表面温度。
实施例1：
本实施例提供一种多级磁场作用下金属材料定向凝固实验方案。
(1)选择纯度为99.995％的高纯Ni与高纯Cu配置Ni-30Cu(wt.％)合金，在高真空吸铸炉内进行熔炼，原料熔炼充分均匀后吸铸，得到Ni-Cu合金棒。
(2)外径60mm内径36mm厚度60mm的环形永磁体13提供第一级磁场，内径14mm的200匝铜线圈15提供第二级磁场，50×50×50mm方形永磁体14提供第三级磁场，50×50mm200匝矩形线圈16提供第四级磁场。磁场发生器5均安装于热防护套25中。其中环形永磁体13与纵向分布铜线圈15与样品24同轴放置；方形永磁体14与矩形线圈16N极与S极相对布置。启动伺服电机使第一级磁场作用于金属熔体固液界面处。
将合金棒放入内径10mm外径12mm的坩埚3内，使用氧化铝粉与硅溶胶配置粘合剂将坩埚3与抽拉杆20上端粘接，放置外径40mm内径20mm高200mm石墨套2。
(4)使用抽真空系统抽真空至5×10-6Pa，再向腔体内反冲高纯氩气至0.5×105Pa。
(5)打开高频电源加热与红外测温仪11，红外测温仪11显示合金温度升高至过热200K时开始实验。
(6)第一凝固阶段：启动抽拉装置12电源，样品24以5μm/s的速率浸入液态金属；第二凝固阶段：样品24浸入液态金属5mm后调整第二级磁场作用于材料固液界面；第三凝固阶段：样品24浸入液态金属10mm后调整第三级磁场作用于材料固液界面；第四凝固阶段：样品24浸入液态金属15mm后调整第四级磁场作用于材料固液界面。
(7)样品24浸入液态金属20mm后关闭抽拉装置12电源、线圈电源与高频加热电源，样品24冷却至室温后打开腔体，将样品24与坩埚3一同取出。脱模后获得在四级磁场条件下制备的金属材料。
实施例2：
本实施例提供一种金属材料施加多级复合磁场定向凝固的实验方案。
(1)选择纯度为99.995％的高纯Ni与99.95％高纯Al配置Ni-25Al(wt.％)合金，在高真空吸铸炉内进行熔炼，原料熔炼充分均匀后吸铸，得到Ni-Al合金棒。
(2)外径60mm内径36mm厚度60mm的环形永磁体13与外径34mm内径14mm200匝铜线圈15同时提供第一级磁场，50×50×50mm方形永磁体14与50×20mm200匝矩形线圈16同时提供第二级磁场。其中环形永磁体13与纵向分布铜线圈15与样品24同轴放置；矩形线圈16N极与S极相距16mm相对放置，方形永磁体14N极与S极相距58mm相对布置。调整第一级磁场至金属材料固液界面处。
(3)将合金棒放入内径10mm外径12mm的坩埚3内，使用氧化铝粉与硅溶胶配置粘合剂将坩埚3与抽拉杆20上端粘接，放置外径40mm内径20mm高200mm石墨套2。
(4)使用真空泵抽真空至1×10-5Pa，再向腔体内反冲高纯氩气至0.5×105Pa。
(5)打开高频电源加热与红外测温仪11，红外数据显示合金温度升高至过热300K时开始实验.
(6)第一凝固阶段：启动抽拉装置12电源与线圈供电电源，样品24以50μm/s的速率浸入液态金属；第二凝固阶段：样品24浸入液态金属15mm后调整第一级磁场至远离样品24处；启动伺服电机二17使得第二级磁场作用于样品24固液界面。
(7)样品24浸入液态金属20mm后关闭抽拉装置12电源、线圈电源与高频加热电源，样品24冷却至室温后后打开腔体，将样品24与坩埚3一同取出。脱模后获得在两种磁场耦合条件下所制备的金属材料。
实施例3
本实施例提供一种金属材料在单一磁场作用下定向凝固
(1)选择纯度为99.95％的高纯Ti、高纯Al与高纯V合金配置Ti-6Al-4V(wt.％)合金，在高真空吸铸炉内进行熔炼，原料熔炼充分均匀后吸铸，得到Ti-6Al-4V合金棒。
(2)选择外径80mm内径15mm厚度60mm环形永磁体13提供纵向稳恒磁场。
(3)将合金棒放入内径10mm外径12mm的坩埚3内，使用氧化铝粉与硅溶胶配置粘合剂将坩埚3与抽拉杆20上端粘接，放置外径40mm内径20mm高200mm石墨套2。
(4)使用真空泵抽真空至1×10-5Pa，再向腔体内反冲高纯氩气至0.5×105Pa。
(5)打开高频电源加热与红外检测探头。当红外数据显示合金温度升高至过热100K时，启动抽拉装置12电源，样品24以200μm/s的速率浸入液态金属。
(6)样品24浸入液态金属50mm后关闭抽拉电源与高频加热电源，样品24冷却至室温后打开腔体，将样品24与坩埚3一同取出。脱模后获得外加纵向稳恒磁场定向凝固金属材料。
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取高纯块状金属原料，按比例配置所需金属材料；将材料加工成合适的尺寸装入陶瓷坩埚并将坩埚与抽拉杆连接；
(2)将四种磁场发生器安装在冷却罐中对应移动装置；通过磁场升降组件和磁场平移组件能够调整磁场发生器的工作位置；
(3)对真空腔体抽真空；将合金材料熔化成金属熔体，以实现合金在抽拉杆定向抽拉过程中的定向生长；
(4)第一凝固阶段：启动抽拉装置将金属熔体拉入冷却罐的Ga-In-Sn液态金属冷却介质中进行定向凝固；所述金属熔体在第一外加磁场作用下凝固，磁场主要作用于材料固液界面处；所述第一外加磁场能够是横向稳恒磁场、纵向稳恒磁场、横向行波磁场、纵向行波磁场或四种磁场中任意两种形成的复合磁场；
(5)第二凝固阶段：材料浸入Ga-In-Sn液态金属冷却介质设定距离时调整磁场发生器位置使得材料在第二外加磁场作用下凝固；所述第二外加磁场具有与第一外加磁场不同的类型、强度或频率；
(6)第n凝固阶段；材料浸入Ga-In-Sn液态金属冷却介质设定距离时调整磁场发生器位置使得材料在第n外加磁场作用下凝固；
(7)待金属材料冷却至室温后取出，金属材料沿径向具有多段不同定向生长特征的凝固组织。
2.一种多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置，其特征在于：应用于权利要求1所述的多磁场辅助定向凝固制备金属材料的方法中，包括熔炼装置、磁场发生装置、真空腔体、冷却罐、测温系统、抽拉装置、抽真空系统和实验气氛源；
所述冷却罐设置于所述真空腔体的底部，所述熔炼装置设置于所述真空腔体内，所述磁场发生装置设置于所述冷却罐内，所述抽真空系统连接所述真空腔体的内腔，用于对所述真空腔体抽真空，所述实验气氛源连接所述真空腔体的内腔，用于向抽真空后的所述真空腔体内充入实验气氛；所述测温系统用于监测所述真空腔内的样品上表面温度；
所述熔炼装置包括感应线圈、石墨套和坩埚；所述石墨套为圆筒状石墨，所述感应线圈缠绕于所述石墨套的外部，所述坩埚设置于所述石墨套内，所述坩埚底部与所述抽拉装置连接，由所述抽拉装置控制所述坩埚在所述石墨套内垂直移动；所述石墨套的底部设置有环形的石墨垫，所述石墨垫的底部设置有陶瓷垫，所述陶瓷垫与其底部的所述冷却罐的顶板之间设置有石墨毡；
所述磁场发生装置包括磁场发生器、热防护套、磁场控制装置和供电装置；所述磁场发生器包括纵向稳恒磁场发生器、横向稳恒磁场发生器、纵向行波磁场发生器和横向行波磁场发生器；
所述纵向稳恒磁场发生器由环形永磁体与套设于所述环形永磁体外部的热防护套构成，能够产生平行于定向凝固方向的稳恒磁场；
所述横向稳恒磁场发生器包括对向放置的两个方形永磁体和套设于所述方形永磁体外部的热防护套，两个所述方形永磁体的N极与S极相对放置，能够提供横向稳恒磁场；
所述纵向行波磁场发生器由纵向分布的铜线圈和套设于所述铜线圈外部的热防护套构成，能够产生平行于定向凝固方向的行波磁场；
所述横向行波磁场发生器包括对向放置的两个矩形线圈和套设于矩形线圈外部的热防护套，能够产生横向行波磁场；
所述磁场控制装置包括磁场升降组件和磁场平移组件，其中磁场升降组件由升降杆与伺服电机一构成，用于控制所述环形永磁体与所述铜线圈在所述冷却罐腔体内的升降；所述磁场平移组件包括平移支杆和伺服电机二，用于控制所述方形永磁体和所述矩形线圈的水平位置；
所述供电装置用于向所述磁场发生装置的内部线圈供电。
3.根据权利要求2所述的多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置，其特征在于：所述抽真空系统包括机械泵与分子泵，所述机械泵连接所述分子泵，所述分子泵管路连接所述真空腔体。
4.根据权利要求2所述的多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置，其特征在于：所述感应线圈为内部流通循环冷却水的紫铜线圈。
5.根据权利要求2所述的多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置，其特征在于：所述抽拉装置包括抽拉电机和抽拉杆，所述抽拉杆底部连接所述抽拉电机，所述抽拉杆顶部通过钼合金转接头连接所述坩埚，所述坩埚为带有平底的圆筒形刚玉坩埚。
6.根据权利要求2所述的多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置，其特征在于：所述热防护套为氧化铝陶瓷套。
7.根据权利要求2所述的多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置，其特征在于：所述冷却罐包括圆筒形退磁不锈钢罐体、Ga-In-Sn液态金属冷却介质和通有循环冷却水的紫铜管，所述Ga-In-Sn液态金属冷却介质装于所述罐体内，所述紫铜管位于所述罐体内的所述Ga-In-Sn液态金属冷却介质内。
8.根据权利要求2所述的多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置，其特征在于：所述供电装置包括电极法兰和供电电源；所述电极法兰安装于真空腔体的侧壁上，所述电极法兰通过导线连接外部的所述供电电源与内部的所述纵向行波磁场发生器和横向行波磁场发生器。
9.根据权利要求2所述的多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置，其特征在于：所述真空腔体和冷却罐的侧壁均为内部带有水冷夹层的双层水冷结构，所述真空腔体和冷却罐的水冷夹层通过管道与水冷机连接。
10.根据权利要求2所述的多磁场辅助定向凝固制备金属材料的装置，其特征在于：所述测温装置为红外测温仪；所述红外测温仪安装于所述真空腔体顶部。
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