[发明专利]微重力条件下悬浮大尺寸金属液滴的快速凝固系统与方法

说明书

本发明涉及一种微重力条件下悬浮大尺寸金属液滴的快速凝固系统，包括真空腔体、悬浮感应加热装置、运动探测装置和快速液淬装置。真空腔体包括从上到下连接的电磁悬浮腔体、微重力腔体和快速液淬腔体。悬浮感应加热装置具有螺旋绕制形成的锥形悬浮感应线圈，线圈设于电磁悬浮腔体中央，用于对合金样品进行熔化和悬浮。微重力腔体为中空管体，使合金样品获取微重力。运动探测装置用于对下落运动的合金样品的温度及形态进行连续动态采集。快速液淬装置设有淬火冷却介质，用于对合金样品实现快速液淬凝固。本发明避免了样品熔融时因器壁接触产生的异质形核使其获得深过冷，消除了重力作用引起的组织偏析，实现了毫米至厘米级金属液滴的快速凝固。

技术领域

本发明属于空间材料科学与技术领域，具体涉及一种在微重力条件下实现大尺寸金属液滴的快速凝固系统与方法。

背景技术

传统铸造而成的金属材料微观组织通常存在较多缺陷，如组织粗大，缩孔及杂质较多等。这极大地影响了高质量材料的制备与发展。快速凝固方法通过深过冷或急冷等途径使合金熔体处于热力学亚稳态，此时液态合金中不同相之间会发生激烈的竞争形核与生长，使得最终凝固组织发生晶粒细化，溶质截留等现象。

空间环境具有“超高真空，微重力，无容器”等特征，在空间材料科学领域，为全面真实地模拟外太空环境，研究者们发展出了包括电磁悬浮、静电悬浮、超声悬浮、气动悬浮、熔体浸浮、落管及落塔在内的多种地面模拟实验方法。上述方法互为补充，各有局限性。比如超声悬浮技术可悬浮活体生物及溶液，广泛应用于生物医学和化学合成等领域，但声场对温度变化较为敏感，当应用于高温合金熔炼时悬浮稳定性不足。静电悬浮技术悬浮稳定，加热温度高但实验样品体积较小，难以获得其力学性能。熔体浸浮法可实现大体积金属深过冷但其对净化剂及合金体系选择有严格要求，工业常用钛铝基合金则与绝大多数玻璃净化剂反应，难以进行实验。因此在以往的研究工作中，人们通常采用多种独立实验方法对同一对象进行对比研究以得出系统的结果与结论。然而目前关于多种实验条件对金属液滴非平衡凝固的耦合作用机制尚不清楚，尚需进一步探究。

电磁悬浮方法的原理是通过高频感应线圈在空间产生具有特定分布的电磁场，悬浮的金属样品由于电磁感应作用能在其内部产生涡流，利用涡流与电磁场相互作用产生的洛伦兹力来抵消金属样品的重力从而实现悬浮。电磁悬浮法的主要特点为悬浮稳定，悬浮与加热同时进行且悬浮力较强。通过优化设计悬浮感应线圈的结构即可实现较大尺寸金属材料无容器熔炼过程。落管无容器处理技术是实现液态金属快速凝固的有效方法之一。根据管体长度的不同，它能够提供零点几秒至几秒钟不等的短时微重力环境。在落管中自由下落凝固的合金液滴同时具备大过冷与高冷速的特点。相比于其他悬浮技术，落管凝固合金液滴微观组织更加细化，力学性能也有显著提高。然而传统的落管装置由于管体高度及样品冷却条件的限制，所得快速凝固合金液滴通常在微米量级，而这种微米量级的粉末状材料难以进行有效的性能表征，因此应用价值不高。