天地协同探索合金“混溶”奥秘

法治日报全媒体记者 廉颖婷

近年来，在中国载人航天工程空间科学与应用项目支持下，中国科学院金属研究所赵九洲研究员项目团队围绕相分离合金凝固与原位复合材料形成机理开展了长期深入系统的地基预研，建立了相分离合金凝固过程模型，探索了利用电场、磁场和微合金化调控合金凝固过程，促进原位复合凝固组织形成的可行性；同时，基于大量地基研究，优化设计合金成份和凝固工艺，在载人航天工程天宫二号空间实验室以及神舟十三号、十五号和十六号载人飞船任务期间，开展了空间相分离合金凝固实验，获得了原位粒子均匀分布的复合材料样品（见图1）和具有壳-核结构的球形样品（见图2）。

图1为空间凝固合金呈现弥散型组织，地面凝固合金呈现偏析组织。(a)初始凝固部位；(b)试样中部；(c)最后凝固位置。

图2为空间样品呈现完整的核-壳结构；地面样品呈现了偏析型凝固组织。

据介绍，很多合金在凝固过程中首先会自熔体析出第二相液滴或颗粒，发生液-液分相或液-固分相，这类合金可统称为相分离合金。如能有效控制此分相过程，使熔体中析出的液滴/粒子最终以细小颗粒的形式均匀弥散分布于凝固组织中，则可制备高性能原位粒子复合材料，满足大型机械、核电、船舶、输电、电子等一些领域对特种材料的需求，如核电密封瓦、高压电触头材料、贵金属靶材等。但该类合金在地面常规凝固条件下极易形成第二相粗大，乃至偏析严重的组织，制备与应用受到严重制约。

空间环境能够提供长时间稳定的微重力条件，可有效消除地面重力导致的熔体对流和析出相的沉积与浮动现象，为相分离合金凝固理论研究提供了优异条件。

天地协同研究，揭示了相分离合金凝固过程和重力/微重力的影响，发展了该类合金的凝固理论，提出了相分离合金凝固组织调控方法。

自2004年以来，该团队在《国家科学评论》《材料学报》等期刊上发表论文200余篇，获授权发明专利40余项，出版学术专著《金属基复合材料原位形成理论基础》。研究成果获得国内外学者高度评价，认为“团队在利用航天飞行器研究二元和三元相分离合金凝固行为方面开展了开拓性研究；有助于澄清相分离合金凝固组织演变的动力学细节”。以相关理论为指导，该团队研发多种关键材料制备技术，在核电、电子通讯、装备制造等领域获得应用。