单晶高温合金是制备航空发动机和燃气轮机叶片的关键材料，是金属材料研究领域的重要研究内容。为了探索获得更优秀合金材料的新途径，中国空间站梦天舱在2022年发射时携带了两件铝硅合金材料样品进入中国空间站。今年6月，其中一件铝硅合金样品在空间站完成定向凝固实验后随神舟十五号返回地面。中国科学院金属研究所的科研人员近期开始对这件合金样品结合地面定向凝固实验样品开展对比分析研究。
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中国科学院金属研究所的科研人员近日对这件神舟十五号带回的铝硅合金样品开展初步的解剖分析工作，并与地面重力条件下的同类实验样品进行对比，分析重力与微重力环境下合金样品的差异，从而研究重力在凝固过程中具体发挥了什么作用。
中国科学院金属研究所研究员 罗兴宏：从现在来看的话，我们就会发现从表面上看空间的样品它的气泡表面比较少，而地面的样品表面的气泡会比较多一些。而相反在空间样品的内部的有一些气泡比较多一点，可能是我们以前没有关注到的一些新的现象。我们会沿着这个方向再做进一步的解剖来发现具体的情况。
据介绍，铝硅合金的凝固过程与单晶高温合金具有一定程度的相似性，其制备过程中存在一些缺陷，例如：疏松、成分偏析等，这些都与重力引发的浮力对流有密切关系。科研人员开展的合金定向凝固对比实验，就是为了揭示重力在单晶合金凝固过程中的具体作用及相关机理，探索解决合金凝固缺陷问题的方法。
中国科学院金属研究所研究员 罗兴宏：我们准备了一个和天上一模一样的样品，在地面上做一个除了重力水平不一样，其他环境完全一样的一个对比的实验。这样就是把重力作为一个单独的参数把它拎出来，重力条件不一样的两个样品进行对比，就能把重力的作用给解剖出来。搞清楚重力它到底对我们的合金当中的结构，以及在整个样品当中，它的成分分布，重力是怎么对它发生作用的，就可以有针对性地利用重力的效应，或者克服重力的一些不足来制备更好的材料。
中国空间站将开展第二阶段定向凝固实验
中国科学院金属研究所的科研人员介绍，中国空间站合金材料定向凝固实验分为两个阶段，目前中国空间站上的实验处在第一阶段，未来还将使用不同的合金材料开展第二阶段实验工作。
中国科学院金属研究所研究员 罗兴宏：我们目前在天上运行的是Ⅰ型炉，它的最高加热温度只有1200℃，所以比较适合做铝合金。那么在未来我们还要上一个新的炉子，是个Ⅱ型炉，最高加热温度能够到1600℃，这个时候我们就可以用接近真实的单晶，就是镍基单晶高温合金的材料，去做天上和地上的对比实验。
据介绍，除了铝硅合金定向凝固实验，科研人员还将使用其他实验方法和不同的合金材料去开展相关实验工作。
中国科学院金属研究所研究员 罗兴宏：未来还会随着中国空间站这个项目的运行，我们还会做一些其他的实验。比如说我们目前做的是铝硅合金，那么未来我们还会用铝铜合金去做。除了定向凝固之外，我们还想用一些其他的实验方法和手段。比如用X射线透视的方法，来实时原位观察枝晶的生长的过程，以及它形态的演变。
分不同阶段开展不同合金材料的不同实验，目的是测试各类合金在重力和微重力环境下的差异，研究相关机理，最终目标是提高单晶合金性能，这些材料未来可以在燃气轮机或者航空发动机的叶片等不同的应用场景中发挥出重要作用。
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