微重力下的金屬凝固

1、微重力場下的金屬凝固微重力場下的金屬凝固物理四班物理四班饒燕饒燕生生2014201893微重力場下的金屬凝微重力場下的金屬凝固固微重力及其特點微重力及其特點凝固過程中的對流凝固過程中的對流微重力的研究方法微重力的研究方法微重力對金屬凝固微重力對金屬凝固的影響的影響動量對流重力作用界面張力相變體積變化深過冷（微晶，非晶）組分均勻混合制備多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料微重力及其特點微重力及其特點1.重力加速度與物體距地心距離關(guān)系：22200g()g RRKRgg0 廣義的微重力廣義的微重力g10-6g0 嚴(yán)格的微重力嚴(yán)格的微重力g10-2g0 微重力環(huán)境微重力環(huán)境2.微重力科學(xué)（1）微重力研究主要源于載人航天

2、的需求；（2）微重力科學(xué)是研究微重力這種條件下的許多現(xiàn)象，一方面在地面上被重力現(xiàn)象掩蓋了，另一方面微重力環(huán)境中為發(fā)展高精度實驗創(chuàng)造了條件；（3）空間材料科學(xué)是微重力科學(xué)中投資最多和規(guī)模最大的領(lǐng)域。微重力環(huán)境下的微重力環(huán)境下的特點特點1、浮力、浮力引起的對流消失或大大引起的對流消失或大大減弱；減弱；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、液體、液體外形受控于外形受控于表面張力；表面張力；4、無、無容器加工容器加工，過冷度增大。，過冷度增大。 在沒有重力的情況下，表面張力成為流體物理學(xué)的統(tǒng)治者。在這張在空間站拍攝的照片中，從金屬環(huán)內(nèi)鉆出的水好像被一個看不見的勺子攪動。這種攪動

3、效應(yīng)是用一種光對水進(jìn)行不均衡加熱導(dǎo)致的。溫度差異致使表面張力失衡，最終讓水發(fā)生旋轉(zhuǎn)。凝固過程中的對流凝固過程中的對流動量對流動量對流 澆注過程中動量會造成紊流漩渦，從而影響鑄錠結(jié)構(gòu)，但影響時間很短，但是連續(xù)鑄錠需要重視動量對流的影響。重力引起的對流重力引起的對流 從金屬熔體中行成的晶體，由重度大的關(guān)系在熔體中沉降。沉降速度主要是重力大小、粘度及液體密度隨高度的變化，晶體的運動方程：346( )3dvmmgrvrz gdt凝固過程中的對流凝固過程中的對流晶體的下沉速度：34( )1(1)63tgmrzverm6/r m 若晶體尺寸很小時，試樣高度的穩(wěn)定分布達(dá)到了極限情況，同時可以得到重力加速度對

4、試樣分布的影響：22( )19ccrcgrzv 0expvCCzD202( )exp19ccgr zCzCD 重力場明顯影響試樣分布及偏析情況，微重力場下試樣分布均勻，可以得到非常彌散的多相組織。凝固過程中的對流凝固過程中的對流界面張力引起的對流界面張力引起的對流液固液固轉(zhuǎn)變體積變化引起的對流轉(zhuǎn)變體積變化引起的對流1ddTCdTdCSLSuv溶質(zhì)的有效擴散系數(shù)溶質(zhì)的有效擴散系數(shù)( )effgwallmfcDgDDDD( )effwallDgDD微重力圖1 界面張力示意圖微重力的研究方法微重力的研究方法落管的特點：落管的特點： (1)不用不用笨重笨重艙體艙體 (2)可可實現(xiàn)無容器實現(xiàn)無容器加工加

5、工 (3)樣品小樣品小 (4)能能屏蔽光屏蔽光干擾干擾 (5)能能產(chǎn)生并維持產(chǎn)生并維持真空，使真空，使樣品不受污染和氧樣品不受污染和氧化化。落塔的落塔的特點：特點： (1) 參數(shù)可參數(shù)可調(diào)調(diào) (2) 艙體艙體大大 (3) 可多次重復(fù)可多次重復(fù)實驗實驗 (4) 能完好能完好回收回收 (5) 實驗成本實驗成本低低 主要有落塔、落管、飛機、火箭及軌道飛行等方法。微重力的研究方法微重力的研究方法火箭與軌道飛行的火箭與軌道飛行的特點：特點： (1)共共可獲數(shù)分鐘微重力可獲數(shù)分鐘微重力環(huán)境環(huán)境 (2)費用費用較高，但比軌道飛行，如航天飛機、空間站還是低得多。較高，但比軌道飛行，如航天飛機、空間站還是低得多

6、。 (3)為為避免太多的損失，在重大航天計劃實施之前，先以火箭發(fā)現(xiàn)實驗中的避免太多的損失，在重大航天計劃實施之前，先以火箭發(fā)現(xiàn)實驗中的問問 題題很有必要。很有必要。飛機的特點：飛機的特點： (1)一般一般運輸機可獲數(shù)十秒的運輸機可獲數(shù)十秒的失重失重 (2)一一次起飛可多次次起飛可多次實驗實驗 (3)飛機飛機微重力水平不高，較高精度為微重力水平不高，較高精度為10-3g (4)精度差精度差 (5)可可載載人人 微重力的研究方法微重力的研究方法一種一種利用利用落管實驗分析微重力效應(yīng)落管實驗分析微重力效應(yīng)方法方法11 落管條件下，無容器深過冷與微重力的效果相互疊加在一起，往往深過冷的效應(yīng)遠(yuǎn)大于徽重力

7、，使得人們分析實驗結(jié)果通常忽略微重力的影響。落管微量力研究的落管微量力研究的局限性：局限性：1.可選合金體系的局限性(1)往往只有難熔金屬才有可能在下落過程中完成凝固，這就使利用落管研究微重力在合金體系選擇方面存在一定的局限；(2)對于難熔金屬，大都需要是激光束、電子束等能量聚集的加熱方法，這樣對設(shè)備的要求大大提高了，擴大了局限性。微重力的研究方法微重力的研究方法2.微量力環(huán)境的局限性落管中充氣而造成的微重力水平的損失： 真空條件下樣品難以凝固；充氣時重力水平會很快達(dá)到1；深過冷效應(yīng)。 圖3 充氣條件下落管中的重力水平圖2 不同冷卻環(huán)境下Cu 熔滴直徑與落管高度的關(guān)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圖4 實驗裝置示意圖：在頂端用線圈融化樣品，分別在頂端和自由落體后在底端在硅油中冷卻。（1）樣品在熔化的過程中以球狀懸浮于線圈當(dāng)中， 此時用硅油進(jìn)行冷卻，對流的痕跡必將保留在凝固組織中；（2）熔滴在50 m 的下落過程中，重力引起的對流大大減弱，在金屬液體粘滯力的作用下，初始形成的剩余對流也將大大減弱甚至消失，落到落管底部的樣品在摔入硅油中，很快凝固；（3）對比可以觀察微重力的效應(yīng)。微重力對凝固的影響微重力對凝固的影響深過冷（微晶，非晶）深過冷（微晶，非晶） 重力的減少會使對流削弱，從而晶核數(shù)目減小，使晶體長大速度和尺寸增加；還會減少晶體中的缺陷；

9、密度差的作用減小有利于難混合的合金的均勻凝固。(1) 微重力效應(yīng)對深過冷金屬的制取創(chuàng)造了有利的條件：外層空間中，有高真空和超低溫的特點；在實驗室中可以懸浮熔煉（無容器）得到很高的純度。(2)大的過冷度會使晶粒細(xì)化，當(dāng)過冷度達(dá)到一定值時會形成沒有枝晶特征的極細(xì)晶粒微晶，有利于獲得非晶和準(zhǔn)晶組織，有優(yōu)異的耐磨、耐蝕及超導(dǎo)性能，具有廣泛應(yīng)用前景。微重力對凝固的影響微重力對凝固的影響組分均勻混合組分均勻混合 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，其組分混合得非常均勻，是一種優(yōu)良的減震耐磨材料。 失重條件下的組分的均勻混合(如Pb-Al)，對顆粒、短纖維強化復(fù)合材料的制備有特殊作用。 可以向液態(tài)金屬中充入氣體或發(fā)泡物質(zhì)，氣泡均勻分布在金屬中，密度小且有很高抗壓強度。 圖5 Al-5%Pb 過偏晶合金的凝固組織微重力對凝固的影響微重力對凝固的影響制備多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料制備多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料 界面張力作用在微重力條件下得到充分發(fā)揮作用，例如擴展鑄造工藝及液態(tài)金屬直接拉絲、制帶工藝等。 鋪展鑄造，利用液態(tài)金屬在固體表面的潤濕擴展原理，將液體金屬送到鑄型內(nèi)腔表面，由潤濕作用形成厚度均勻的金屬殼，然后再在其上邊形成第二層其他金屬殼。依次類推得到多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料鑄件。圖6 多層結(jié)構(gòu)鑄造示意圖參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 胡