鑄造金屬凝固原理 第12章

第12章其它超常規(guī)條件下的凝固12.1微重力場(chǎng)下金屬的凝固微重力場(chǎng)下金屬流動(dòng)的特點(diǎn)微重力(hypergravity)是指小于地球重力(1g)且在l0-3～10-6g范圍的力場(chǎng)。

在微重力條件下，由重力引起的對(duì)流將被抑制，擴(kuò)散將發(fā)揮充分作用；與此同時(shí)，界面張力的作用也將會(huì)突出出來(lái)。所有這些作用對(duì)金屬凝固過(guò)程勢(shì)必發(fā)生影響，從而導(dǎo)致新材料、新工藝的開發(fā)。微重力下的對(duì)流

金屬質(zhì)量飛船質(zhì)量晶體分布求解

微重力場(chǎng)下的界面張力引起的流動(dòng)界面張力與溫度和溶質(zhì)濃度的關(guān)系Marangoni數(shù)液滴形狀Bond數(shù)

潤(rùn)濕時(shí)，g值很小則液體會(huì)沿界面無(wú)限延伸；

不潤(rùn)濕，液體傾向于成球。液-固轉(zhuǎn)變使體積變化引起對(duì)流即使在微重力場(chǎng)下，在凝固前沿仍然存在著與重力無(wú)關(guān)的顯微區(qū)域的對(duì)流，這主要是凝固時(shí)固體積改變?cè)斐傻?。這種對(duì)流的流動(dòng)速度可以表示凝固速度；液相的密度；固相的密度。微重力場(chǎng)下對(duì)流對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響地面上溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)重力為零的空間中有效擴(kuò)散系數(shù)對(duì)凝固過(guò)程的影響無(wú)重力條件下的自擴(kuò)散系數(shù)比地面小50倍，影響固液界面前沿的溶質(zhì)分布。微重力場(chǎng)對(duì)金屬凝固組織的影響空間微重力環(huán)境微重力場(chǎng)、高真空（133.2×10-8Pa）、超低溫（-200℃）；對(duì)凝固過(guò)程的影響影響形核長(zhǎng)大過(guò)程；減小枝晶或?qū)悠g距；有利于單晶和復(fù)合材料；穩(wěn)定的深過(guò)冷組織無(wú)攪拌懸浮熔煉；超低溫大冷速(103～106K/s)可獲得微晶；制備難混溶偏晶合金；均勻泡沫鋁；擴(kuò)展鑄造。微重力試驗(yàn)環(huán)境的獲得非軌道方法落塔：使某種系統(tǒng)由高處自由下落，以在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生微重力環(huán)境，進(jìn)行試驗(yàn)和觀測(cè)，利用落塔所能獲得的失重時(shí)間可有數(shù)秒鐘。有的落塔，使系統(tǒng)先上升，然后下降，可使失重時(shí)間加倍。落塔的特征是：環(huán)境參數(shù)可調(diào)；可重復(fù)試驗(yàn)；有多種觀測(cè)手段；費(fèi)用低。落塔的高度決定了其所能產(chǎn)生微重力狀態(tài)的時(shí)間的長(zhǎng)短。美國(guó)NASA的Lewis研究中心的落塔，可以實(shí)現(xiàn)5.18s的微重力狀態(tài)。氣球落艙：下落氣球系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)的裝置。氣球放飛升到距地面40km左右，然后遙控釋放氣球所帶落艙，自由下降到20～14km高度，在此段內(nèi)產(chǎn)生約一分鐘的失重狀態(tài)。在落艙下落時(shí)，由于大氣壓力逐漸增高，空氣動(dòng)力學(xué)干擾會(huì)影響失重狀態(tài)，要用冷氣推進(jìn)器產(chǎn)生推力來(lái)補(bǔ)償。使得剩余干擾在±10-3g范圍。橫向的加速度可用姿態(tài)控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)整。降到20～14km高度處，開動(dòng)降落傘，終止微重力狀態(tài)，保證軟著路。這種方式對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備沒(méi)有過(guò)多限制，沒(méi)有強(qiáng)烈的震動(dòng)和過(guò)載，可遙測(cè)數(shù)據(jù)。美國(guó)，俄羅斯、法國(guó)、瑞士都有微重力氣球落艙。飛機(jī)拋物線飛行：利用經(jīng)過(guò)特別改裝的失重飛機(jī)進(jìn)行拋物線飛行時(shí)會(huì)產(chǎn)生短時(shí)間（15秒～1分鐘）的失重狀態(tài)。飛機(jī)在沿拋物線軌道飛行時(shí)獲得低重力環(huán)境。在軌跡的開始和最后部分重力水平是通常的兩倍，而在拋物線頂部的短暫的時(shí)間則小于地球重力的1％(10-2g)?？梢杂?0秒處于10-3g火箭彈道滑行：以較大的發(fā)射角向上發(fā)射火箭，試驗(yàn)載荷與箭體分離后以慣性繼續(xù)上升。載荷艙內(nèi)開始處于微重力狀態(tài)，火箭到達(dá)彈道頂點(diǎn)折返下來(lái)，降至較稠密大氣高度結(jié)束，共可獲數(shù)分鐘微重力環(huán)境?？臻g軌道飛行12.2超重力凝固超重力

物體加速度與重力加速度比值超過(guò)1。超重力場(chǎng)的獲得及產(chǎn)生原理超重力的獲得

利用離心機(jī)。超重力技術(shù)的實(shí)質(zhì)是離心力場(chǎng)的作用，它的核心在于對(duì)傳遞過(guò)程的極大強(qiáng)化。“g”越大，兩相接觸過(guò)程的動(dòng)力因素即浮力因子△ρg越大，流體相對(duì)滑動(dòng)速度也越大。巨大的剪切應(yīng)力克服了表面張力，可使液體伸展出巨大的相際接觸界面，從而極大地強(qiáng)化了傳輸過(guò)程。超重力下熔體的重新層流化及對(duì)流強(qiáng)度的增加變化：隨著重力水平的提高，熔體的流態(tài)由層流轉(zhuǎn)化為紊流狀態(tài)，當(dāng)離心加速度進(jìn)一步提高到一定的重力水平時(shí)，熔體又由紊流轉(zhuǎn)化為層流，即所謂重新層流化。此時(shí)是一種高速層流狀態(tài)，可極大地提高凝固界面的熱穩(wěn)定性，為制備無(wú)偏析的晶體創(chuàng)造了必要的條件。對(duì)凝固的影響：穩(wěn)定固液界面改變組織形態(tài)獲得寬范圍的穩(wěn)態(tài)凝固階段影響枝晶間距超重力下的形核穩(wěn)態(tài)形核率公式地球表面施加超重力時(shí)凝固的吉布斯自由能差12.3聲懸浮技術(shù)原理利用在超聲波發(fā)射端和反射端之間形成的聲輻射力將研究對(duì)象捕獲并懸浮在駐波結(jié)點(diǎn)處。

利用聲駐波與物體的相互作用產(chǎn)生豎直方向的懸浮力以克服物體的重量，同時(shí)產(chǎn)生水平方向的定位力將物體固定于聲壓波節(jié)處.聲懸浮技術(shù)分為三軸式和單軸式兩種，前者是在空間三個(gè)正交方向分別激發(fā)一列駐波以控制物體的位置，后者只在豎直方向產(chǎn)生一列駐波，其懸浮定位力由圓柱形諧振腔所激發(fā)的一定模式的聲場(chǎng)來(lái)提供。特點(diǎn)：聲懸浮技術(shù)是地面和空間條件下實(shí)現(xiàn)材料無(wú)容器處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，和電磁懸浮技術(shù)相比，它不受材料導(dǎo)電與否的限制，且懸浮和加熱分別控制，因而可用以研究非金屬材料和低熔點(diǎn)合金的無(wú)容器凝固。12.4