[发明专利]一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置

说明书

本发明涉及一种卫星载荷金属材料快速融凝实验装置，属于空间制造与材料科学交叉学科领域。该实验装置包括高能束熔融系统、实验样本系统、原位观测系统和腔体系统，适用于以卫星载荷为代表的“在轨科学实验”空间环境条件及空间资源约束条件下，增材制造为代表的空间制造及材料科学基础问题研究。本发明公开的实验装置具有实验材料种类多、体积小、原位观测等特点，有限体积内可搭载多种不同牌号金属丝材作为实验原料，作为卫星载荷在空间运行期间，可观测微重力、高真空等环境特征导致的空间增材制造中金属材料在高能束作用下快速融凝的基本物理现象，为厘清空间制造中材料性能与成型制造效果基本过程中的基础科学问题提供了有效的硬件支撑平台。

技术领域

本发明属于空间制造与材料科学交叉学科领域，涉及一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置。

背景技术

科学实验卫星作为用于科学探测和研究的人造地球卫星，搭载作为卫星载荷的各类科研仪器设备开展微重力、高真空、宇宙线、太阳辐射等空间环境探测与空间科学研究。我国从20世纪70年代开始，先后研制和发射了实践一号、实践二号卫星群等为代表的实践系列科学探测与技术实验卫星，为空间科学研究提供了有效的实验平台。

空间环境所具有的微重力、高真空、弱干扰等特点对开展地面上难以达成的新材料探索有着先天优势。随着空间探索技术的不断发展，各国科学家们已经尝试在微重力环境下进行包括生命科学以及材料科学在内的各种基础实验，发现了很多奇特的现象及行为，为人类迈向太空时代积累了很多经验。目前为止，空间材料科学在诸如晶体生长以及热动力学研究上已取得巨大成功，然而大部分研究集中在对液体或从液体到固体的慢速凝固过程，对于液体，特别是金属熔体在微重力下的快速凝固行为，大多数空间科学实验都没有涉及。考虑到空间中的背景温度极低，相对于慢速凝固，金属熔体的快速凝固在空间现实环境中更容易出现并在空间在轨制造中加以应用；微重力下金属材料快速熔凝过程是一个关系到材料性能与成型制造效果的基本过程，其所涉及的基本科学原理是发展空间材料加工、实现空间在轨制造所必须解决的重大核心科学问题。

金属增材制造技术涉及利用高能束快速熔化金属材料(固体)使其成为金属熔体(液体)，金属熔体快速凝固成为金属固熔体等物理相变过程，这些相变过程按照规划路径反复进行，最终实现金属零部件制造。由于空间环境的微重力、高真空、极低温等特征使空间在轨制造所面临的传热、传质等物理过程与地面环境完全不同，将导致增材制造过程以及所获得的材料组织结构与性能变化规律等科学现象与原理与地面环境存在极大差异。这些差异的起源可以归结于空间环境下金属材料快速熔凝过程中被重力所掩盖的各种现象与行为。

目前空间金属增材制造技术处于起步探索阶段，尚无国家、机构组织或个人通过增材制造技术在太空中制备出可用的金属制件。为发展空间在轨制造技术，急需通过一系列基于卫星载荷的空间增材金属材料科学实验，尤其是观测分析空间环境下金属材料快速熔凝过程中各种现象与行为的科学实验，厘清空间环境条件及空间资源约束条件下，以增材制造为代表的空间在轨制造及材料科学中金属熔体的固液相变、热传导等基础问题，从而有效指导空间金属增材样件的制备，对空间新材料探索、实现未来深空探测具有十分重大的意义。

发明内容

本发明提供一种适用于卫星载荷的金属材料快速熔凝实验装置，着力解决作为卫星载荷在有限体积约束条件下开展并观测多材料金属增材制造基础特性实验的技术难题。为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，包括高能束熔融系统、实验样本系统、原位观测系统和腔体系统，所述实验样本系统设置在腔体系统内部，用以形成并储存实验样本；所述高能束熔融系统设置在腔体外部，提供高能束热源快速融凝实验样本系统送出的金属丝材；所述原位观测系统设置在腔体系统的观察窗外侧，记录金属丝材快速融凝过程、熔体形核行为以及熔池区间的温度分布信息。

所述实验装置快速熔融不同金属丝材，使其快速凝固成形并黏结在成形基板上，形成金属材料快速融凝实验样本。