铸造金属凝固原理 第12章

第12章其它超常规条件下的凝固12.1微重力场下金属的凝固微重力场下金属流动的特点微重力(hypergravity)是指小于地球重力(1g)且在l0-3～10-6g范围的力场。

在微重力条件下，由重力引起的对流将被抑制，扩散将发挥充分作用；与此同时，界面张力的作用也将会突出出来。所有这些作用对金属凝固过程势必发生影响，从而导致新材料、新工艺的开发。微重力下的对流

金属质量飞船质量晶体分布求解

微重力场下的界面张力引起的流动界面张力与温度和溶质浓度的关系Marangoni数液滴形状Bond数

润湿时，g值很小则液体会沿界面无限延伸；

不润湿，液体倾向于成球。液-固转变使体积变化引起对流即使在微重力场下，在凝固前沿仍然存在着与重力无关的显微区域的对流，这主要是凝固时固体积改变造成的。这种对流的流动速度可以表示凝固速度；液相的密度；固相的密度。微重力场下对流对扩散系数的影响地面上溶质的扩散系数重力为零的空间中有效扩散系数对凝固过程的影响无重力条件下的自扩散系数比地面小50倍，影响固液界面前沿的溶质分布。微重力场对金属凝固组织的影响空间微重力环境微重力场、高真空（133.2×10-8Pa）、超低温（-200℃）；对凝固过程的影响影响形核长大过程；减小枝晶或层片间距；有利于单晶和复合材料；稳定的深过冷组织无搅拌悬浮熔炼；超低温大冷速(103～106K/s)可获得微晶；制备难混溶偏晶合金；均匀泡沫铝；扩展铸造。微重力试验环境的获得非轨道方法落塔：使某种系统由高处自由下落，以在系统内产生微重力环境，进行试验和观测，利用落塔所能获得的失重时间可有数秒钟。有的落塔，使系统先上升，然后下降，可使失重时间加倍。落塔的特征是：环境参数可调；可重复试验；有多种观测手段；费用低。落塔的高度决定了其所能产生微重力状态的时间的长短。美国NASA的Lewis研究中心的落塔，可以实现5.18s的微重力状态。气球落舱：下落气球系统是最经济的装置。气球放飞升到距地面40km左右，然后遥控释放气球所带落舱，自由下降到20～14km高度，在此段内产生约一分钟的失重状态。在落舱下落时，由于大气压力逐渐增高，空气动力学干扰会影响失重状态，要用冷气推进器产生推力来补偿。使得剩余干扰在±10-3g范围。横向的加速度可用姿态控制系统来调整。降到20～14km高度处，开动降落伞，终止微重力状态，保证软着路。这种方式对实验设备没有过多限制，没有强烈的震动和过载，可遥测数据。美国，俄罗斯、法国、瑞士都有微重力气球落舱。飞机抛物线飞行：利用经过特别改装的失重飞机进行抛物线飞行时会产生短时间（15秒～1分钟）的失重状态。飞机在沿抛物线轨道飞行时获得低重力环境。在轨迹的开始和最后部分重力水平是通常的两倍，而在抛物线顶部的短暂的时间则小于地球重力的1％(10-2g)。可以有10秒处于10-3g火箭弹道滑行：以较大的发射角向上发射火箭，试验载荷与箭体分离后以惯性继续上升。载荷舱内开始处于微重力状态，火箭到达弹道顶点折返下来，降至较稠密大气高度结束，共可获数分钟微重力环境。空间轨道飞行12.2超重力凝固超重力

物体加速度与重力加速度比值超过1。超重力场的获得及产生原理超重力的获得

利用离心机。超重力技术的实质是离心力场的作用，它的核心在于对传递过程的极大强化。“g”越大，两相接触过程的动力因素即浮力因子△ρg越大，流体相对滑动速度也越大。巨大的剪切应力克服了表面张力，可使液体伸展出巨大的相际接触界面，从而极大地强化了传输过程。超重力下熔体的重新层流化及对流强度的增加变化：随着重力水平的提高，熔体的流态由层流转化为紊流状态，当离心加速度进一步提高到一定的重力水平时，熔体又由紊流转化为层流，即所谓重新层流化。此时是一种高速层流状态，可极大地提高凝固界面的热稳定性，为制备无偏析的晶体创造了必要的条件。对凝固的影响：稳定固液界面改变组织形态获得宽范围的稳态凝固阶段影响枝晶间距超重力下的形核稳态形核率公式地球表面施加超重力时凝固的吉布斯自由能差12.3声悬浮技术原理利用在超声波发射端和反射端之间形成的声辐射力将研究对象捕获并悬浮在驻波结点处。

利用声驻波与物体的相互作用产生竖直方向的悬浮力以克服物体的重量，同时产生水平方向的定位力将物体固定于声压波节处.声悬浮技术分为三轴式和单轴式两种，前者是在空间三个正交方向分别激发一列驻波以控制物体的位置，后者只在竖直方向产生一列驻波，其悬浮定位力由圆柱形谐振腔所激发的一定模式的声场来提供。特点：声悬浮技术是地面和空间条件下实现材料无容器处理的关键技术之一，和电磁悬浮技术相比，它不受材料导电与否的限制，且悬浮和加热分别控制，因而可用以研究非金属材料和低熔点合金的无容器凝固。12.4