[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

说明书

技术领域

本发明涉及微重力条件下材料凝固研究技术领域，具体涉及一种研究微重力条件下材料凝固的实验装置和实验方法。

背景技术

常规的落管微重力材料实验一般多采用熔滴样品，由于微重力时间短，而且是无容器过程，只有尺寸很小或者熔点很高的材料才能实现自由下落过程中的凝固，且这一过程还常伴随有强烈的深过冷效应，因而大大限制了利用落管研究微重力效应的潜力，也不适于单晶生长的研究。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种研究微重力条件下材料凝固的实验装置和实验方法，通过对落管实验样品及其加热与释放方式进行了改进，实现了棒状样品局部区域微重力条件下的近似定向凝固，并排除了深过冷效应的影响。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种研究微重力条件下材料凝固的实验装置，该装置包括长落管(密闭的管体)、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。

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。

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。

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。

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。

利用所述装置进行研究微重力条件下材料凝固的实验方法，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。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，其生长时间与第一组实验样品的生长时间相同。

(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。

所述实验样品为镍基合金、钛基合金或铝基合金。

本发明设计原理及有益效果如下：

1、本发明采用特定结构的实验装置进行微重力条件下材料凝固研究的实验方法，采用圆棒状实验样品，实验时仅加热实验样品的一端，令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。这样便可利用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。由于在停止加热后样品籽晶能即刻开始生长，无需过冷形核过程，因而完全排除了过冷效应对微重力效应的干扰，并且可确保样品在较短时间生长一定的距离。