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單晶高溫合金是制備航空發(fā)動機和燃氣輪機葉片的關鍵材料，是金屬材料研究領域的重要研究內容。為了探索獲得更優(yōu)秀合金材料的新途徑，中國空間站夢天艙在2022年發(fā)射時攜帶了兩件鋁硅合金材料樣品進入中國空間站。今年6月，其中一件鋁硅合金樣品在空間站完成定向凝固實驗后隨神舟十五號返回地面。中國科學院金屬研究所的科研人員近期開始對這件合金樣品結合地面定向凝固實驗樣品開展對比分析研究。

【資料圖】

中國科學院金屬研究所的科研人員近日對這件神舟十五號帶回的鋁硅合金樣品開展初步的解剖分析工作，并與地面重力條件下的同類實驗樣品進行對比，分析重力與微重力環(huán)境下合金樣品的差異，從而研究重力在凝固過程中具體發(fā)揮了什么作用。

中國科學院金屬研究所研究員 羅興宏：從現(xiàn)在來看的話，我們就會發(fā)現(xiàn)從表面上看空間的樣品它的氣泡表面比較少，而地面的樣品表面的氣泡會比較多一些。而相反在空間樣品的內部的有一些氣泡比較多一點，可能是我們以前沒有關注到的一些新的現(xiàn)象。我們會沿著這個方向再做進一步的解剖來發(fā)現(xiàn)具體的情況。

據(jù)介紹，鋁硅合金的凝固過程與單晶高溫合金具有一定程度的相似性，其制備過程中存在一些缺陷，例如：疏松、成分偏析等，這些都與重力引發(fā)的浮力對流有密切關系。科研人員開展的合金定向凝固對比實驗，就是為了揭示重力在單晶合金凝固過程中的具體作用及相關機理，探索解決合金凝固缺陷問題的方法。

中國科學院金屬研究所研究員 羅興宏：我們準備了一個和天上一模一樣的樣品，在地面上做一個除了重力水平不一樣，其他環(huán)境完全一樣的一個對比的實驗。這樣就是把重力作為一個單獨的參數(shù)把它拎出來，重力條件不一樣的兩個樣品進行對比，就能把重力的作用給解剖出來。搞清楚重力它到底對我們的合金當中的結構，以及在整個樣品當中，它的成分分布，重力是怎么對它發(fā)生作用的，就可以有針對性地利用重力的效應，或者克服重力的一些不足來制備更好的材料。

中國空間站將開展第二階段定向凝固實驗

中國科學院金屬研究所的科研人員介紹，中國空間站合金材料定向凝固實驗分為兩個階段，目前中國空間站上的實驗處在第一階段，未來還將使用不同的合金材料開展第二階段實驗工作。

中國科學院金屬研究所研究員 羅興宏：我們目前在天上運行的是Ⅰ型爐，它的最高加熱溫度只有1200℃，所以比較適合做鋁合金。那么在未來我們還要上一個新的爐子，是個Ⅱ型爐，最高加熱溫度能夠到1600℃，這個時候我們就可以用接近真實的單晶，就是鎳基單晶高溫合金的材料，去做天上和地上的對比實驗。

據(jù)介紹，除了鋁硅合金定向凝固實驗，科研人員還將使用其他實驗方法和不同的合金材料去開展相關實驗工作。

中國科學院金屬研究所研究員 羅興宏：未來還會隨著中國空間站這個項目的運行，我們還會做一些其他的實驗。比如說我們目前做的是鋁硅合金，那么未來我們還會用鋁銅合金去做。除了定向凝固之外，我們還想用一些其他的實驗方法和手段。比如用X射線透視的方法，來實時原位觀察枝晶的生長的過程，以及它形態(tài)的演變。

分不同階段開展不同合金材料的不同實驗，目的是測試各類合金在重力和微重力環(huán)境下的差異，研究相關機理，最終目標是提高單晶合金性能，這些材料未來可以在燃氣輪機或者航空發(fā)動機的葉片等不同的應用場景中發(fā)揮出重要作用。