[发明专利]一种研究微重力条件下材料凝固的实验装置和实验方法

权利要求书

1.一种研究微重力条件下材料凝固的实验装置，其特征在于：该装置包括长落管、刚玉坩埚、加热装置和释放装置；其中：所述刚玉坩埚置于长落管内，实验样品制成圆棒状，竖直固定于刚玉坩埚内；所述加热装置包括感应线圈和加热电源，所述感应线圈套装于刚玉坩埚外侧；当坩埚位于所述长落管的顶部时，感应线圈所在位置对应于坩埚内实验样品的顶端，能对实验样品的顶端进行加热；所述长落管内设有活动垫片，当刚玉坩埚静止于所述长落管的顶部时，由所述活动垫片进行支撑，通过活动垫片的移动控制刚玉坩埚在长落管的顶部静止或在长落管内作自由落体运动。

2.根据权利要求1所述的研究微重力条件下材料凝固的实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括真空设备、真空计和测温装置，其中：所述真空设备与长落管相连接，用于对长落管进行抽真空，达到所需真空度，长落管内的真空度由与其相连接的真空计实时测定；长落管顶部的温度由测温装置实时测量。

3.根据权利要求2所述的研究微重力条件下材料凝固的实验装置，其特征在于：所述长落管为密闭的管体，所述加热电源为高频感应加热电源；所述测温装置为单色红外测温仪，当刚玉坩埚位于长落管的顶部加热时，通过所述测温装置测量实验样品顶部温度，并通过计算机实时显示。

4.根据权利要求1所述的研究微重力条件下材料凝固的实验装置，其特征在于：所述活动垫片的移动由释放装置进行控制，当释放装置控制活动垫片移动并离开刚玉坩埚底部时，刚玉坩埚在长落管内进行自由落体运动。

5.根据权利要求1所述的研究微重力条件下材料凝固的实验装置，其特征在于：该装置还包括石英导管，设于刚玉坩埚与感应线圈之间，石英导管的管壁与刚玉坩埚的侧壁紧密贴合。

6.利用权利要求1所述装置进行研究微重力条件下材料凝固的实验方法，其特征在于：该方法是针对圆棒状实验样品进行微重力和重力条件下的凝固实验，实验时仅加热实验样品的一端，令实验样品另一端保持未熔状态，未熔端在作为凝固生长的籽晶的同时还作为冷端，加快熔体热量的排出，使未熔段在样品中心形成一个沿轴向的温度梯度，从而在冷却时在样品心部局部区域形成近似的定向凝固生长。停止加热后样品籽晶能即刻开始生长，并且样品在所设定时间内能生长一定的距离。

7.根据权利要求6所述的研究微重力条件下材料凝固的实验方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：

(1)将加工成圆柱状的第一组实验样品置于相应尺寸的刚玉坩埚内，并放置在落管顶部的加热装置内；

(2)利用加热电源加热实验样品的上端部，并利用测温装置测量实验样品顶部温度；

(3)当实验样品顶部温度达到预设值时，断开高频感应加热电源，同时通过释放装置释放实验样品，实验样品在落管中进行自由落体运动，到达落管底部；实验样品在自由下落过程中实现微重力条件下的凝固生长；

(4)将第二组实验样品按步骤(1)-(2)进行操作，然后当第二组实验样品顶部温度达到预设值时，断开高频感应加热电源，但样品保持静止，使其完成在重力条件下的凝固生长。

(5)通过对比第一组实验样品和第二组实验样品中心部位初始固液界面附近的凝固组织来研究重力的影响。

8.根据权利要求7所述的研究微重力条件下材料凝固的实验方法，其特征在于：所述第一组实验样品和第二组实验样品的凝固生长时间相同。

9.根据权利要求7所述的研究微重力条件下材料凝固的实验方法，其特征在于：所述实验样品为镍基合金、钛基合金或铝基合金。