微重力下的金属凝固

1、微重力场下的金属凝固微重力场下的金属凝固物理四班物理四班饶燕饶燕生生2014201893微重力场下的金属凝微重力场下的金属凝固固微重力及其特点微重力及其特点凝固过程中的对流凝固过程中的对流微重力的研究方法微重力的研究方法微重力对金属凝固微重力对金属凝固的影响的影响动量对流重力作用界面张力相变体积变化深过冷（微晶，非晶）组分均匀混合制备多层结构的复合材料微重力及其特点微重力及其特点1.重力加速度与物体距地心距离关系：22200g()g RRKRgg0 广义的微重力广义的微重力g10-6g0 严格的微重力严格的微重力g10-2g0 微重力环境微重力环境2.微重力科学（1）微重力研究主要源于载人航天

2、的需求；（2）微重力科学是研究微重力这种条件下的许多现象，一方面在地面上被重力现象掩盖了，另一方面微重力环境中为发展高精度实验创造了条件；（3）空间材料科学是微重力科学中投资最多和规模最大的领域。微重力环境下的微重力环境下的特点特点1、浮力、浮力引起的对流消失或大大引起的对流消失或大大减弱；减弱；2、沉淀、沉淀或斯托克斯沉降的或斯托克斯沉降的消失；消失；3、液体、液体外形受控于外形受控于表面张力；表面张力；4、无、无容器加工容器加工，过冷度增大。，过冷度增大。 在没有重力的情况下，表面张力成为流体物理学的统治者。在这张在空间站拍摄的照片中，从金属环内钻出的水好像被一个看不见的勺子搅动。这种搅动

3、效应是用一种光对水进行不均衡加热导致的。温度差异致使表面张力失衡，最终让水发生旋转。凝固过程中的对流凝固过程中的对流动量对流动量对流 浇注过程中动量会造成紊流漩涡，从而影响铸锭结构，但影响时间很短，但是连续铸锭需要重视动量对流的影响。重力引起的对流重力引起的对流 从金属熔体中行成的晶体，由重度大的关系在熔体中沉降。沉降速度主要是重力大小、粘度及液体密度随高度的变化，晶体的运动方程：346( )3dvmmgrvrz gdt凝固过程中的对流凝固过程中的对流晶体的下沉速度：34( )1(1)63tgmrzverm6/r m 若晶体尺寸很小时，试样高度的稳定分布达到了极限情况，同时可以得到重力加速度对

4、试样分布的影响：22( )19ccrcgrzv 0expvCCzD202( )exp19ccgr zCzCD 重力场明显影响试样分布及偏析情况，微重力场下试样分布均匀，可以得到非常弥散的多相组织。凝固过程中的对流凝固过程中的对流界面张力引起的对流界面张力引起的对流液固液固转变体积变化引起的对流转变体积变化引起的对流1ddTCdTdCSLSuv溶质的有效扩散系数溶质的有效扩散系数( )effgwallmfcDgDDDD( )effwallDgDD微重力图1 界面张力示意图微重力的研究方法微重力的研究方法落管的特点：落管的特点： (1)不用不用笨重笨重舱体舱体 (2)可可实现无容器实现无容器加工加

5、工 (3)样品小样品小 (4)能能屏蔽光屏蔽光干扰干扰 (5)能能产生并维持产生并维持真空，使真空，使样品不受污染和氧样品不受污染和氧化化。落塔的落塔的特点：特点： (1) 参数可参数可调调 (2) 舱体舱体大大 (3) 可多次重复可多次重复实验实验 (4) 能完好能完好回收回收 (5) 实验成本实验成本低低 主要有落塔、落管、飞机、火箭及轨道飞行等方法。微重力的研究方法微重力的研究方法火箭与轨道飞行的火箭与轨道飞行的特点：特点： (1)共共可获数分钟微重力可获数分钟微重力环境环境 (2)费用费用较高，但比轨道飞行，如航天飞机、空间站还是低得多。较高，但比轨道飞行，如航天飞机、空间站还是低得多

6、。 (3)为为避免太多的损失，在重大航天计划实施之前，先以火箭发现实验中的避免太多的损失，在重大航天计划实施之前，先以火箭发现实验中的问问 题题很有必要。很有必要。飞机的特点：飞机的特点： (1)一般一般运输机可获数十秒的运输机可获数十秒的失重失重 (2)一一次起飞可多次次起飞可多次实验实验 (3)飞机飞机微重力水平不高，较高精度为微重力水平不高，较高精度为10-3g (4)精度差精度差 (5)可可载载人人 微重力的研究方法微重力的研究方法一种一种利用利用落管实验分析微重力效应落管实验分析微重力效应方法方法11 落管条件下，无容器深过冷与微重力的效果相互叠加在一起，往往深过冷的效应远大于徽重力

7、，使得人们分析实验结果通常忽略微重力的影响。落管微量力研究的落管微量力研究的局限性：局限性：1.可选合金体系的局限性(1)往往只有难熔金属才有可能在下落过程中完成凝固，这就使利用落管研究微重力在合金体系选择方面存在一定的局限；(2)对于难熔金属，大都需要是激光束、电子束等能量聚集的加热方法，这样对设备的要求大大提高了，扩大了局限性。微重力的研究方法微重力的研究方法2.微量力环境的局限性落管中充气而造成的微重力水平的损失： 真空条件下样品难以凝固；充气时重力水平会很快达到1；深过冷效应。 图3 充气条件下落管中的重力水平图2 不同冷却环境下Cu 熔滴直径与落管高度的关系微重力的研究方法微重力的研

8、究方法落管微量力研究的方案落管微量力研究的方案图4 实验装置示意图：在顶端用线圈融化样品，分别在顶端和自由落体后在底端在硅油中冷却。（1）样品在熔化的过程中以球状悬浮于线圈当中， 此时用硅油进行冷却，对流的痕迹必将保留在凝固组织中；（2）熔滴在50 m 的下落过程中，重力引起的对流大大减弱，在金属液体粘滞力的作用下，初始形成的剩余对流也将大大减弱甚至消失，落到落管底部的样品在摔入硅油中，很快凝固；（3）对比可以观察微重力的效应。微重力对凝固的影响微重力对凝固的影响深过冷（微晶，非晶）深过冷（微晶，非晶） 重力的减少会使对流削弱，从而晶核数目减小，使晶体长大速度和尺寸增加；还会减少晶体中的缺陷；

9、密度差的作用减小有利于难混合的合金的均匀凝固。(1) 微重力效应对深过冷金属的制取创造了有利的条件：外层空间中，有高真空和超低温的特点；在实验室中可以悬浮熔炼（无容器）得到很高的纯度。(2)大的过冷度会使晶粒细化，当过冷度达到一定值时会形成没有枝晶特征的极细晶粒微晶，有利于获得非晶和准晶组织，有优异的耐磨、耐蚀及超导性能，具有广泛应用前景。微重力对凝固的影响微重力对凝固的影响组分均匀混合组分均匀混合 重力引起的一些相的聚集和偏析不再存在，有利于制取象PbAl等偏晶合金材料，其组分混合得非常均匀，是一种优良的减震耐磨材料。 失重条件下的组分的均匀混合(如Pb-Al)，对颗粒、短纤维强化复合材料的制备有特殊作用。 可以向液态金属中充入气体或发泡物质，气泡均匀分布在金属中，密度小且有很高抗压强度。 图5 Al-5%Pb 过偏晶合金的凝固组织微重力对凝固的影响微重力对凝固的影响制备多层结构的复合材料制备多层结构的复合材料 界面张力作用在微重力条件下得到充分发挥作用，例如扩展铸造工艺及液态金属直接拉丝、制带工艺等。 铺展铸造，利用液态金属在固体表面的润湿扩展原理，将液体金属送到铸型内腔表面，由润湿作用形成厚度均匀的金属壳，然后再在其上边形成第二层其他金属壳。依次类推得到多层结构的复合材料铸件。图6 多层结构铸造示意图参考文献参考文献1 胡