CN110568002A - 一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星载荷金属材料快速融凝实验装置，属于空间制造与材料科学交叉学科领域。该实验装置包括高能束熔融系统、实验样本系统、原位观测系统和腔体系统，适用于以卫星载荷为代表的“在轨科学实验”空间环境条件及空间资源约束条件下，增材制造为代表的空间制造及材料科学基础问题研究。本发明公开的实验装置具有实验材料种类多、体积小、原位观测等特点，有限体积内可搭载多种不同牌号金属丝材作为实验原料，作为卫星载荷在空间运行期间，可观测微重力、高真空等环境特征导致的空间增材制造中金属材料在高能束作用下快速融凝的基本物理现象，为厘清空间制造中材料性能与成型制造效果基本过程中的基础科学问题提供了有效的硬件支撑平台。

Description

一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置

技术领域

本发明属于空间制造与材料科学交叉学科领域，涉及一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置。

背景技术

科学实验卫星作为用于科学探测和研究的人造地球卫星，搭载作为卫星载荷的各类科研仪器设备开展微重力、高真空、宇宙线、太阳辐射等空间环境探测与空间科学研究。我国从20世纪70年代开始，先后研制和发射了实践一号、实践二号卫星群等为代表的实践系列科学探测与技术实验卫星，为空间科学研究提供了有效的实验平台。

空间环境所具有的微重力、高真空、弱干扰等特点对开展地面上难以达成的新材料探索有着先天优势。随着空间探索技术的不断发展，各国科学家们已经尝试在微重力环境下进行包括生命科学以及材料科学在内的各种基础实验，发现了很多奇特的现象及行为，为人类迈向太空时代积累了很多经验。目前为止，空间材料科学在诸如晶体生长以及热动力学研究上已取得巨大成功，然而大部分研究集中在对液体或从液体到固体的慢速凝固过程，对于液体，特别是金属熔体在微重力下的快速凝固行为，大多数空间科学实验都没有涉及。考虑到空间中的背景温度极低，相对于慢速凝固，金属熔体的快速凝固在空间现实环境中更容易出现并在空间在轨制造中加以应用；微重力下金属材料快速熔凝过程是一个关系到材料性能与成型制造效果的基本过程，其所涉及的基本科学原理是发展空间材料加工、实现空间在轨制造所必须解决的重大核心科学问题。

金属增材制造技术涉及利用高能束快速熔化金属材料(固体)使其成为金属熔体(液体)，金属熔体快速凝固成为金属固熔体等物理相变过程，这些相变过程按照规划路径反复进行，最终实现金属零部件制造。由于空间环境的微重力、高真空、极低温等特征使空间在轨制造所面临的传热、传质等物理过程与地面环境完全不同，将导致增材制造过程以及所获得的材料组织结构与性能变化规律等科学现象与原理与地面环境存在极大差异。这些差异的起源可以归结于空间环境下金属材料快速熔凝过程中被重力所掩盖的各种现象与行为。

目前空间金属增材制造技术处于起步探索阶段，尚无国家、机构组织或个人通过增材制造技术在太空中制备出可用的金属制件。为发展空间在轨制造技术，急需通过一系列基于卫星载荷的空间增材金属材料科学实验，尤其是观测分析空间环境下金属材料快速熔凝过程中各种现象与行为的科学实验，厘清空间环境条件及空间资源约束条件下，以增材制造为代表的空间在轨制造及材料科学中金属熔体的固液相变、热传导等基础问题，从而有效指导空间金属增材样件的制备，对空间新材料探索、实现未来深空探测具有十分重大的意义。

发明内容

本发明提供一种适用于卫星载荷的金属材料快速熔凝实验装置，着力解决作为卫星载荷在有限体积约束条件下开展并观测多材料金属增材制造基础特性实验的技术难题。为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，包括高能束熔融系统、实验样本系统、原位观测系统和腔体系统，所述实验样本系统设置在腔体系统内部，用以形成并储存实验样本；所述高能束熔融系统设置在腔体外部，提供高能束热源快速融凝实验样本系统送出的金属丝材；所述原位观测系统设置在腔体系统的观察窗外侧，记录金属丝材快速融凝过程、熔体形核行为以及熔池区间的温度分布信息。

所述实验装置快速熔融不同金属丝材，使其快速凝固成形并黏结在成形基板上，形成金属材料快速融凝实验样本。

作为优选，所述高能束熔融系统包括单路高能束热源或多路高能束热源作为熔融金属丝材的能量源，多路高能束热源熔融金属丝材时，丝材位于多路高能束热源中心，多路高能束热源相对丝材均匀分布。

作为优选，所述高能束机构热源包括激光束、电子束和离子束中的一种或几种。

作为优选，所述多路高能束热源数量为2-20。

作为优选，所述高能束熔融系统采用多路高能束热源配置时，系统由多路聚焦光路组成，多路聚焦光路沿来料金属丝材的轴线方向均匀布置形成环列状，多路高能束热源交叉形成一个激光光束汇聚点，来料金属丝材与光束汇聚点在结构上保持同心，使得多路高能束热源在金属丝材表面形成环形均匀加热区域。

作为优选，实验样本系统包括丝材供料机构、基板供料机构、变位机构和样本回收机构；

所述丝材供料机构包括储丝单元和送丝单元，所述储丝单元包括料仓和储丝管，料仓中紧密排列储丝管，金属丝材原料存放于储丝管中；所述送丝单元包括送丝器和自回复器，送丝器摩擦传动送出金属丝材，出料后自回复器带动储丝管返回料仓；

所述基板供料机构包括基板堆栈、垂直回复单元和水平推出单元，基板堆栈中垂直叠放基板，水平推出单元将基板从堆栈中推出，送入变位机构，垂直回复单元自回复压紧堆栈；

所述变位机构包括多自由度直线运动单元和旋转运动单元，金属丝材在变位机构中快速融凝于基板上成形，旋转运动单元实现基板进料自锁和解锁，并在丝材需旋转成型时旋转基板，带动黏结于基板上的丝材旋转动作，直线运动单元将基板送入回收机构；

所述样本回收机构包括样本仓和回收单元，回收单元利用滑动推送动作将快速融凝后的实验样本有序密排送入样本仓。

作为优选，多个金属丝材以螺旋线式缠绕密排或正交阵列密排或环形密排或首尾连接式蛇形密排的紧密排布方式存放于丝材供料机构中。

作为优选，所述丝材供料机构中可放置不同金属丝材的数量为2-100。

作为优选，多个实验样本以等螺旋线密排或垂直阵列密排或环形密排或圆形密排或蛇形密排的紧密排布方式存放于样本仓中。

作为优选，所述样本回收机构中存储的实验样本数量为1-100个。

作为优选，原位观测系统包括高速摄像机、高速红外热像仪、焊接相机、微焦X射线高速成像装置和照明光在内的视频及图像观测工具及辅助照明器材。

所述原位观测系统采集成形过程中的高速影像，记录金属熔体快速融凝的过程信息，提取成形区熔融体的精确三维形貌动态特征、温度特征和形核行为。

作为优选，所述原位观测系统的视场大小不低于5mm×5mm。

作为优选，腔体系统包括腔体、腔体顶盖和观察窗；

高能束熔融系统固定于腔体顶盖上表面，实验样本系统固定于腔体内底面，原位观测系统分布于观察窗外侧。

所述腔体系统为实验装置提供外部物理约束与保护。

作为优选，所述金属丝材直径为0.1mm-8mm。

作为优选，所述基板外形包括圆形、椭圆形、对称多边形和非对称多边形。

如上所述的卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置在以卫星载荷为代表的“在轨科学实验”空间环境条件及空间资源约束条件下，增材制造为代表的空间制造及材料科学基础问题研究中应用。

有益效果在于：

本发明提供一种在以卫星载荷为代表的“在轨科学实验”空间环境条件及空间资源约束条件下，研究空间增材制造及材料科学基础问题的通用技术平台。该装置采用一体化集成式设计，具有实验材料种类多、实验装置体积小、实验过程原位观测等特点。其有限体积内可搭载多种不同金属丝材作为实验原料，作为卫星载荷在空间运行期间开展金属增材制造基础特性实验，并通过设备集成的各类观测工具记录微重力、高真空等环境特征导致的空间增材制造中金属材料在高能束作用下快速熔融并快速凝聚的全过程，为厘清空间制造中材料性能与成型制造效果基本过程中的基础科学问题提供了有效的硬件支撑平台，指导空间金属增材制造样件的制备，对新材料探索、发展空间在轨制造技术以及未来深空探测具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置工作原理图；

图2为本发明一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置正视图；

图3为高能束熔融系统轴侧示意图；

图4为实验样本系统俯视图；

图5为腔体系统轴侧示意图。

附图各部件标记如下：

10、高能束熔融系统，20、实验样本系统，30、原位观测系统，40、腔体系统；

11、第一聚焦光路，12、第二聚焦光路，13、第三聚焦光路，14、第四聚焦光路，15、来料丝材，16、光束汇聚点；

31、丝材供料机构，32、基板供料机构，33、变位机构，34、样本回收机构；

41、腔体，42、腔体顶盖，43、观察窗。

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如附图1所示为本发明一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置工作原理图；图2所示为本发明一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置正视图。本发明一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置包括高能束熔融系统10、实验样本系统20、原位观测系统30和腔体系统40，其中实验样本系统20位于腔体系统40内侧，高能束熔融系统10和原位观测系统30位于腔体系统40外侧。高能束熔融系统10利用高能束热源作为能量熔融实验样本系统20中送出的金属丝材；不同金属丝材受热后快速熔融，再快速凝固在实验样本系统30中的基板上，随着熔融时基板运动方式不同，形成不同实验样本并储存在样本仓中。实验过程中，原位观测系统30中的高速摄像机和超高速摄像机记录金属丝材快速融凝过程，高速红外热像仪记录熔池区间的温度区间分布，微焦X射线高速成像装置记录金属熔体融凝过程中的形核行为，其中红外热像采集与高速相机采集完全同步。

高能束熔融系统使用单路高能束热源或多路高能束热源作为熔融金属丝材的能量源，多路高能束热源熔融金属丝材时，丝材位于多路高能束热源中心，多路高能束热源相对丝材均匀分布。其中高能束热源包括激光束、电子束和离子束。

多路高能束热源熔融金属丝材时，根据实际实验情况，所述多路高能束热源数量通常可以选择为2-20。

在本发明一优选例当中，参考附图3所示，是高能束熔融系统等轴侧示意图高能束熔融系统包括第一聚焦光路11，第二聚焦光路12，第三聚焦光路13和第四聚焦光路14，4路聚焦光路结构相同，均由光纤、聚焦透镜组和反射镜组成。高能束熔融系统使用4路光纤耦合输出半导体激光器作为能量源，第一聚焦光路11，第二聚焦光路12，第三聚焦光路13和第四聚焦光路14沿来料丝材15轴线方向均匀布置形成环列式激光聚焦系统。4路光纤耦合输出半导体激光器出光后，沿着4路光纤，依次经过光纤出头、聚焦镜组、反射镜后形成激光光束汇聚点16，来料丝材15与光束汇聚点16在结构上保持同心，4束激光在金属丝材表面形成环形均匀加热区域，保证激光聚焦系统的稳定性与可靠性。

如附图4所示为实验样本系统俯视图；本优选例中实验样本系统包括丝材供料机构31，基板供料机构32，变位机构33和样本回收机构34，基板供料机构32，变位机构33和样本回收机构34沿腔体内侧底部依次水平排列，丝材供料机构31垂直位于变位机构33上方。丝材供料机构31利用螺旋线式缠绕密排的弹链结构和摩擦传动原理将致密排列的金属丝材依次均匀送出，弹链结构保证在有限空间中存储30种不同的金属丝材；基板供料机构32利用恒力弹簧带动基板堆栈并通过具有低滑动摩擦阻力特性的推送动作实现基板进料；变位机构33具有2个自由度并利用其中1个自由度完成进料自锁和解锁；样本回收机构34具有等速螺线结构，利用滑动推送动作实现实验样本的有序密排收集，样本回收机构中存储的实验样本数量为30个。

如附图5所示为腔体系统轴侧示意图。本优选例中腔体系统40包括腔体41，腔体顶盖42和观察窗43，腔体系统为各子系统提供安装基准面，高能束熔融固定于腔体顶盖42上表面，实验样本系统固定于腔体41内底面，原位观测系统分布于观察窗43外侧。腔体系统为实验装置提供外部物理约束与保护，腔体系统外包络尺寸385mm×240mm×200mm，实现小型化，便于作为卫星载荷集成在卫星平台上。

本发明具体涉及的金属丝材包含纯金属或合金，金属丝材为铝、镁、锂、钠、钾、钙、锶、钡、钛、铁、钴、镍、铜、锌、镓、银、金、铂、铬、镉、铟、锡、锑、铅、汞、铋、钽、铪、钨、钇、锆、碲、稀土金属以及上述金属所组成的合金。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (17)

1.一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：包括高能束熔融系统、实验样本系统、原位观测系统和腔体系统，所述实验样本系统设置在腔体系统内部，用以形成并储存实验样本；所述高能束熔融系统设置在腔体外部，提供高能束热源快速融凝实验样本系统送出的金属丝材；所述原位观测系统设置在腔体系统的观察窗外侧，记录金属丝材快速融凝过程、熔体形核行为以及熔池区间的温度分布信息。

2.根据权利要求1所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：所述高能束熔融系统包括单路高能束热源或多路高能束热源作为熔融金属丝材的能量源，多路高能束热源熔融金属丝材时，丝材位于多路高能束热源中心，多路高能束热源相对丝材均匀分布。

3.根据权利要求2所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：所述高能束机构热源包括激光束、电子束和离子束中的一种或几种。

4.根据权利要求2所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：所述多路高能束热源数量为2-20。

5.根据权利要求1或2或3或4所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：所述高能束熔融系统采用多路高能束热源配置时，系统由多路聚焦光路组成，多路聚焦光路沿来料金属丝材的轴线方向均匀布置形成环列状，多路高能束热源交叉形成一个激光光束汇聚点，来料金属丝材与光束汇聚点在结构上保持同心，使得多路高能束热源在金属丝材表面形成环形均匀加热区域。

6.根据权利要求1所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：实验样本系统包括丝材供料机构、基板供料机构、变位机构和样本回收机构；

所述丝材供料机构包括储丝单元和送丝单元，所述储丝单元包括料仓和储丝管，料仓中紧密排列储丝管，金属丝材原料存放于储丝管中；所述送丝单元包括送丝器和自回复器，送丝器摩擦传动送出金属丝材，出料后自回复器带动储丝管返回料仓；

所述基板供料机构包括基板堆栈、垂直回复单元和水平推出单元，基板堆栈中垂直叠放基板，水平推出单元将基板从堆栈中推出，送入变位机构，垂直回复单元自回复压紧堆栈；

所述变位机构包括多自由度直线运动单元和旋转运动单元，金属丝材在变位机构中快速融凝于基板上成形，旋转运动单元实现基板进料自锁和解锁，并在丝材需旋转成型时旋转基板，带动黏结于基板上的丝材旋转动作，直线运动单元将基板送入回收机构；

所述样本回收机构包括样本仓和回收单元，回收单元利用滑动推送动作将快速融凝后的实验样本有序密排送入样本仓。

7.根据权利要求6所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：多个金属丝材以螺旋线式缠绕密排或正交阵列密排或环形密排或首尾连接式蛇形密排的紧密排布方式存放于丝材供料机构中。

8.根据权利要求6所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：所述丝材供料机构中可放置不同金属丝材的数量为2-100。

9.根据权利要求6所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：多个实验样本以等螺旋线密排或垂直阵列密排或环形密排或圆形密排或蛇形密排的紧密排布方式存放于样本仓中。

10.根据权利要求6所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：所述样本回收机构中存储的实验样本数量为1-100个。

11.根据权利要求1所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：原位观测系统包括高速摄像机、高速红外热像仪、焊接相机、微焦X射线高速成像装置和照明光在内的视频及图像观测工具及辅助照明器材。

12.根据权利要求11所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：所述原位观测系统的视场大小不低于5mm×5mm。

13.根据权利要求1所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：腔体系统包括腔体、腔体顶盖和观察窗；

高能束熔融系统固定于腔体顶盖上表面，实验样本系统固定于腔体内底面，原位观测系统分布于观察窗外侧。

14.根据权利要求1所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：所述金属丝材直径为0.1mm-8mm。

15.根据权利要求1所述一种卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置，其特征在于：所述基板外形包括圆形、椭圆形、对称多边形和非对称多边形。

16.如权利要求任1～15任一项所述的卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置在以卫星载荷为代表的“在轨科学实验”空间环境条件及空间资源约束条件下，增材制造为代表的空间制造及材料科学基础问题研究中应用。

17.如权利要求1～15任一项所述的卫星载荷金属材料快速熔凝实验装置的工作过程，其特征在于，高能束熔融系统利用高能束热源作为能量熔融实验样本系统中送出的金属丝材；不同金属丝材受热后快速熔融，再快速凝固在实验样本系统中的基板上，随着熔融时基板运动方式不同，形成不同实验样本并储存在样本仓中；原位观测系统中的高速摄像机和超高速摄像机记录金属丝材快速融凝过程，高速红外热像仪记录熔池区间的温度区间分布，微焦X射线高速成像装置记录金属熔体融凝过程中的形核行为。