一种模拟微重力环境下熔融微滴与凝固微滴熔合的装置

1.本发明属于微重力3d打印技术领域，具体涉及一种模拟微重力环境下熔融微滴与凝固微滴熔合的装置。


背景技术：

2.均匀金属微滴喷射打印技术是以均匀金属微滴为基本成型单元，依据零件形状特征逐点、逐层“堆积”而实现三维结构的快速打印技术，具有无需昂贵大功率能量源及专用设备、无需特制金属原材料及金属微滴尺寸可控等优点，将其应用于微重力环境，有望为太空金属3d打印提供新的思路，实现空间站及载人航天飞行器中工具及零件的现场快速制造、修复及材料循环利用，摆脱所用零部件对地面制造的依赖，降低航天探索的成本，为航天器长期在轨运行提供支持。
3.在微重力环境中，熔融金属微滴是否能与已凝固金属微滴或同材料基体发生有效熔合，是决定均匀金属微滴喷射打印技术能否在轨应用的关键。
4.中国专利cn107589145a(名称：一种金属液滴的微重力凝固装置)公开了一种将落管与液淬作用集成的快速凝固技术，将金属液滴在管中自由下落和后续的快速液淬相结合，从而实现在较短的管体内实现大尺寸毫米级液滴在微重力作用下的快速凝固；中国专利cn111230130a(名称：微重力条件下悬浮大尺寸金属液滴的快速凝固系统与方法)公开了一种将电磁悬浮熔炼与落管装置相结合的快速凝固技术，耦合了电磁悬浮与微重力两种无容器处理技术，可消除金属液滴下落过程中重力产生的影响，获取凝固组织更加均匀的样品。
5.现有落管装置目前还无法完成地面模拟微重力环境均匀微滴熔合试验，且包括上述两篇专利在内的现有技术，均未为微重力环境下均匀微滴的熔合提供有价值的参考。
6.鉴于此，有必要设计一种能在地面模拟微重力环境均匀微滴熔合的试验装置，以便在开展成本高昂的在轨验证前，积累微重力环境下金属微滴熔合的前期经验，验证该技术在轨应用的可行性，并为面向太空环境下金属微滴熔合的理论研究提供地面模拟基础。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于解决现有落管装置目前还无法完成地面模拟微重力环境均匀微滴熔合试验的不足之处，而提供了一种模拟微重力环境下熔融微滴与凝固微滴熔合的装置。
8.为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
9.一种模拟微重力环境下熔融微滴与凝固微滴熔合的装置，其特殊之处在于：包括控制模块以及自上而下设置在低氧环境的均匀金属微滴喷射模块、凝固金属微滴释放模块和位置调节模块；
10.所述均匀金属微滴喷射模块用于产生熔融金属微滴，作为熔合试验的原料，其包括激振组件、坩埚、加热组件、以及喷嘴；
11.所述坩埚用于容纳金属原料，其下端设置所述喷嘴，所述喷嘴用于喷出熔融金属微滴；所述加热组件用于加热坩埚，使金属原料呈熔融态；所述激振组件用于产生驱动力，为从喷嘴喷出的熔融金属微滴提供初速度。
12.所述凝固金属微滴释放模块用于容纳、预热及释放凝固金属微滴，作为熔合试验的靶材，其包括电动组件以及加热组件；
13.所述加热组件包括导热基块和电热管，电热管用于加热导热基块；所述导热基块由对称设置的第一基块和第二基块构成，第一基块和第二基块合拢时，导热基块的中部沿竖直方向贯穿形成深孔，所述深孔自上而下包括相互连通的圆柱段和圆锥段，且圆柱段和圆锥段的底面直径相等，圆锥段可起到对凝固的微滴进行定心导向的作用，深孔可以储存凝固金属微滴并对其进行加热；第一基块和第二基块分开时，将位于深孔内的凝固金属微滴释放；所述电动组件用于实现第一基块和第二基块的合拢和分开；
14.所述位置调节模块用于调节凝固金属微滴释放模块的空间位置(包括水平方向和垂直方向的位置，也可称位置调节模块为升降平移模块)，以使凝固金属微滴与熔融金属微滴的下落轨迹重合，从空间上保证微重力熔合的发生；位置调节模块还可以改变熔合发生时熔融金属微滴的下落距离，从而改变碰撞速度；
15.所述控制模块用于控制所述均匀金属微滴喷射模块和凝固金属微滴释放模块工作的时间点，以使凝固金属微滴与熔融金属微滴的运动相协调，从时间上保证微重力熔合的发生。
16.进一步地，所述电动组件包括动力元件以及位于动力元件相对两侧的动力臂；两个动力臂分别通过隔热板与第一基块和第二基块连接，在动力元件的作用下，带动第一基块和第二基块合拢和分开。
17.进一步地，为了避免熔融金属黏附于深孔壁面，所述第一基块和第二基块相对的壁面上涂敷有防止熔融金属黏附的涂层，且第一基块和第二基块合拢时形成的深孔深度不少于10mm，以防止微滴打在壁面上弹跳后脱离深孔。
18.进一步地，所述位置调节模块包括升降组件和平移组件；所述平移组件通过转接板设置在升降组件上方。
19.进一步地，所述控制模块包括信号发生器、喷射模块信号线以及释放模块信号线；所述信号发生器发出两路信号，分别通过喷射模块信号线和释放模块信号线控制均匀金属微滴喷射模块和凝固微滴释放模块，且信号发生器发出两路信号的先后顺序及间隔时间均可设置。
20.进一步地，由于存在热损失，为了确保导热基块预热温度稳定在设定值
±
5℃内，所述加热组件还包括用于测量导热块温度的热电偶，热电偶将导热基块温度传回后，控制模块中的温控仪会根据该信号调节电热管的加热情况。
21.进一步地，所述低氧环境由落管装置提供(主要为真空环境或惰性气体环境)，且落管装置的高度不低于2.5米，以提供足够的坠落时间完成微重力凝固；该熔合装置设置在落管装置的顶端。
22.进一步地，可在落管系统内设置图像采集模块，记录熔融金属微滴与凝固金属微滴追击和熔合的过程，便于研究人员了解追击熔合时微滴的行为，探究最优的熔合时机。
23.为了收集到熔融样品，还可在熔合装置下方放置盛有缓冲溶液的收集烧杯，减少
样品碰撞变形，该缓冲溶液可以为硅油，既能够确保抽真空的顺利进行，又能确保熔合液滴下落后不变性，也可替换为其他能够实现与硅油相同功能的溶液。
24.本发明还提供了采用上述模拟微重力环境下熔融微滴与凝固微滴熔合的装置进行熔合试验的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤
25.1)组装并按试验需求调整熔合装置；
26.1.1)在均匀金属微滴喷射模块的坩埚内装填金属原料，并将各个模块进行组装，置于低氧环境中；
27.1.2)通过位置调节模块水平调节凝固金属微滴释放模块的空间位置，使喷嘴与深孔同轴设置；
28.1.3)根据试验需求，通过位置调节模块垂直调节凝固金属微滴释放模块的空间位置；
29.2)制造靶材
30.2.1)启动加热组件，使坩埚内的金属原料熔化；
31.2.2)通过控制模块控制激振组件提供驱动力，使熔融金属微滴从喷嘴喷出，进入深孔并凝固，形成凝固微滴；
32.3)熔合试验
33.3.1)通过电热管对所述凝固微滴进行预热；
34.3.2)通过控制模块控制均匀金属微滴喷射模块喷射熔融金属微滴和凝固金属微滴释放模块释放凝固微滴模拟熔合。
35.进一步地，所述试验需求是指熔合发生的位置、熔合发生时的碰撞速度以及熔合样品的形状与性能，比如：熔合后微观组织的演变；
36.通过调节均匀金属微滴喷射模块喷射位置与凝固金属微滴释放模块释放位置的距离、以及均匀金属微滴喷射模块喷射与凝固金属微滴释放模块释放的时间间隔，进行优化熔合，满足试验需求，确定熔合条件。
37.本发明的优点是：
38.1.本发明独具用于容纳、预热及释放凝固金属微滴的凝固微滴释放模块，与均匀金属微滴喷射模块、位置调节模块和控制模块相配合，可模拟微重力条件下的金属微滴受控熔合，获取不同碰撞速度、不同温度下的熔合微滴样品、采集熔合过程图像资料(借助落管中设置的图像采集模块)为金属微滴微重力熔合行为研究乃至太空金属3d打印奠定基础。虽然实现两颗液滴的微重力熔合从原理上来讲不难，但本技术要解决的是不仅是从无到有，最大的问题还是精度问题——如何让两颗尺寸微小的液滴在预定的位置碰撞，方便观测，用于基础研究。
39.2.本发明的位置调节模块，可调整凝固微滴释放模块的垂直位置，改变两微滴初始位置的高度差，从而改变微滴追击熔合前所下落的距离，进而改变微滴相遇时的碰撞速度，可用于探究熔合的最佳速度条件。另外，位置调节模块可调整凝固微滴释放模块在水平面的位置来补偿加工误差，使两微滴的运动轨迹精确重合，以低廉的成本、简单的结构实现亚毫米级微滴的精确碰撞。
40.3.本发明的凝固微滴释放模块含有电热管及热电偶，可在控制模块温控仪的控制下，为凝固金属微滴预热，实现不同温度条件下的熔合，可用于探究熔合的最佳温度条件。
41.4.本发明的控制模块，可调节熔融金属微滴喷射与凝固金属微滴释放的时机，与位置调节模块相配合，使凝固金属微滴与熔融金属微滴的运动相协调，从而实现在预定位置的微重力熔合，一方面方便了采集图像资料，可为熔合是在微重力条件下发生提供决定性证据；另一方面，对熔合参数的方便控制，也使成组进行系统性试验，探究微重力熔合最佳条件成为可能。
附图说明
42.图1为本发明实施例的系统结构示意图。
43.图2为本发明实施例的均匀金属微滴喷射模块的结构示意图；
44.图3为本发明实施例的凝固微滴释放模块的主视图；
45.图4为本发明实施例的凝固微滴释放模块的侧视图；
46.图5为本发明实施例的凝固微滴释放模块的俯视图；
47.图6为本发明实施例的凝固微滴释放模块的剖面图；
48.图7为本发明实施例的凝固微滴释放模块的轴测图；
49.图8为本发明实施例的位置调节模块的主视图；
50.图9为本发明实施例的位置调节模块的俯视图；
51.图10为本发明实施例的位置调节模块的侧视图；
52.图11为本发明实施例的控制模块的示意图；
53.图12为本发明实施例的熔合试验计算示意图；
54.附图标记如下：
[0055]1‑
均匀金属微滴喷射模块；2
‑
激振组件；3
‑
喷射模块信号线；4
‑
加热组件；5
‑
坩埚；6
‑
喷嘴；7
‑
凝固微滴释放模块；8
‑
释放模块信号线；9
‑
电动组件；10
‑
隔热板；11
‑
热电偶；12
‑
螺栓；13
‑
电热管；14
‑
深孔；15
‑
导热基块；16
‑
位置调节模块；17
‑
平移组件；18
‑
转接板；19
‑
升降组件；20
‑
控制模块；21
‑
信号发生器；22
‑
第一基块；23
‑
第二基块；24
‑
动力元件；25
‑
动力臂。
具体实施方式
[0056]
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
[0057]
参见图1
‑
图11，本发明中熔合装置包括控制模块以及自上而下设置在低氧环境中的均匀金属微滴喷射模块、凝固金属微滴释放模块和位置调节模块。低氧环境由落管装置提供(主要为真空环境或惰性气体环境)，且落管装置的高度一般不低于2.5米，该熔合装置设置在落管装置的顶端。在落管系统内可设置图像采集模块，记录熔融金属微滴与凝固金属微滴追击和熔合的过程，便于研究人员了追击和熔合的下落轨迹，探究最优的熔合时机。
[0058]
控制模块包括信号发生器、喷射模块信号线以及释放模块信号线；信号发生器发出两路信号，分别通过喷射模块信号线和释放模块信号线控制均匀金属微滴喷射模块和凝固微滴释放模块，且信号发生器发出两路信号的先后顺序及间隔时间均可设置，控制均匀金属微滴喷射模块和凝固金属微滴释放模块工作的时间点，使凝固金属微滴与熔融金属微滴的运动相协调，从时间上保证微重力熔合的发生。
[0059]
均匀金属微滴喷射模块用于产生熔融金属微滴，作为熔合试验的原料，其包括激
振组件、坩埚、加热组件、以及喷嘴。坩埚用于容纳金属原料，其下端设置所述喷嘴，喷嘴用于喷出熔融金属微滴；加热组件用于加热坩埚，使金属原料呈熔融态；控制模块控制激振组件产生驱动力，为从喷嘴喷出的熔融金属微滴提供初速度。激振组件接收控制模块发出的信号，按需产生脉冲压力挤压腔内熔液，熔液受迫向下流动形成液柱，在腔内压力、表面张力作用下，更多的熔液流出，液柱伸长，逐渐形成近似球形，当腔内压力减小后，喷嘴出口处流体的速度将小于先期流出流体的速度，导致液柱发生颈缩，并断裂成单颗熔滴；喷射的稳定性与激振驱动力大小、喷嘴孔径、环境内氧含量等均有关。本实施例中，激振驱动力的参数通过所加脉冲信号的幅值及脉宽确定，常用的幅值约1～7v，脉宽约100～800μs；喷嘴孔径一般约300～600μm；环境内氧含量一般要求低于20ppm。
[0060]
凝固金属微滴释放模块用于容纳、预热及释放凝固金属微滴，作为熔合试验的靶材，其包括电动组件以及加热组件。加热组件包括导热基块、电热管和热电偶，电热管用于加热导热基块，热电偶用于测量导热基块的温度，以减少地面研究的试验数据的误差。导热基块由对称设置的第一基块和第二基块构成，第一基块和第二基块合拢时，导热基块的中部沿竖直方向贯穿形成深孔，所述深孔自上而下包括相互连通的圆柱段和圆锥段，且圆柱段和圆锥段的底面直径相等，深孔可以储存凝固金属微滴并对其进行加热，实现不同温度下的熔合；第一基块和第二基块分开时，将位于深孔内的凝固金属微滴进行释放。电动组件包括动力元件以及位于动力元件相对两侧的动力臂；两个动力臂分别通过隔热板与第一基块和第二基块连接(通过螺栓连接)，在动力元件的作用下，带动第一基块和第二基块合拢和分开。对于加热组件的控制，可在控制模块中引入温控仪，将电热管与热电偶连接到温控仪上，在温控仪上设置加热温度来控制，温控仪本身在落管之外，通过管壁上的真空电极，与管内的部分相连，其利用热电偶的反馈信号，实时让电热管重新工作升高温度，确保预热温度波动范围在设置值
±
5℃内。
[0061]
位置调节模块包括升降组件和平移组件，平移组件通过转接板设置在升降组件上方；平移组件将深孔和喷嘴调至同轴状态，确保凝固金属微滴与熔融金属微滴的下落轨迹重合，从空间上保证微重力熔合的发生；升降组件改变熔合发生时熔融金属微滴的下落距离，从而改变碰撞速度。本实施例考虑到试验经费及试验空间，目前对位置调节模块的调节还停留在手动调节，调节好后在封闭在落管装置中，当然，如果不考虑试验经费及试验空间，也可采用现有技术进行电动控制，节约时间。
[0062]
其中，预热温度范围需根据熔合试验所用原料的熔点确定，原料为铝合金时一般取200～550℃；喷出位置与释放位置距离范围为50mm～150mm；测试得到的熔融微滴初速约1m/s。
[0063]
采用上述模拟微重力环境下熔融微滴与凝固微滴熔合的装置进行熔合试验的方法，包括以下步骤
[0064]
1)组装并按试验需求调整熔合装置；
[0065]
1.1)在均匀金属微滴喷射模块的坩埚内装填金属原料，并将各个模块进行组装，置于低氧环境中；
[0066]
1.2)通过位置调节模块的平移组件调节凝固金属微滴释放模块水平方向的位置，使喷嘴与深孔同轴设置)，在此可利用铅直探测器测量是否同轴，即是否对准，确保下落轨迹重合；
[0067]
1.3)根据试验需求，通过升降组件调节凝固金属微滴释放模块的上下位置，即调节均匀金属微滴喷射模块喷射位置与凝固金属微滴释放模块释放位置的高度差；
[0068]
2)制造靶材
[0069]
2.1)启动加热组件，使坩埚内的金属原料熔化；
[0070]
2.2)信号发生器通过喷射模块信号线向激振组件发出信号，激振组件工作，使熔融金属微滴从喷嘴喷出，进入深孔并凝固，形成凝固微滴，即靶材；
[0071]
3)熔合试验
[0072]
3.1)通过电热管对所述凝固微滴进行预热，以实现不同温度条件下的熔合；
[0073]
3.2)根据试验需求，对信号发生器发出的两路信号的先后关系及两路信号的时间间隔进行设置(需与步骤1)调整升降组件相匹配)，以使熔合在预期位置发生。
[0074]
上述信号发生器通过喷射模块信号线和释放模块信号线，分别向激振组件和电动组件发出信号；激振组件收到信号开始工作，使单颗熔融金属微滴从喷嘴喷出，作为熔合试验的原料；电动组件收到信号开始工作，使导热基块打开，令深孔中的凝固金属微滴下落，作为熔合试验的靶材；熔融金属微滴的初速度比凝固微滴大，可在完全失重状态下追击后者，实现微重力熔合。
[0075]
上述凝固金属微滴释放信号延迟计算方法如下：
[0076]
如图12，熔融金属微滴喷出位置与凝固金属微滴释放位置高度差为h(根据试验需求设置)，凝固金属微滴释放位置与微滴追击熔合位置高度差为s，熔融金属微滴初速度为v0(通过试验测出，比如：利用图像采集模块，捕获熔融金属微滴喷出时的照片，并对前几张进行图像分析，得到熔融金属微滴直径及喷出时的初速度)，凝固金属微滴初速度为0，熔融金属微滴与凝固金属微滴加速度分别为a1、a2(当落管处于真空状态时，有a1＝a2＝g；当落管内充入惰性气体时，则需要考虑气体阻力造成的影响)；到追击为止，熔融微滴运动时间为t1，凝固微滴运动时间为t2；凝固微滴释放信号延迟为δt，则有：
[0077][0078][0079]
△
t＝t1‑
t2[0080]
解方程组可以得出对应的δt与s，从而控制熔合发生位置。考虑到实际试验时，电信号传导、机构动作、摩擦等因素造成的误差，δt可根据试验结果进行修正。例如，可以在释放模块信号线上，并联一个指示灯，在试验时，利用高速ccd相机拍照，将指示灯与均匀金属微滴喷射模块的喷嘴置于同一画面内，通过指示灯点亮帧与熔融微滴离开喷嘴帧之间的时间差，可以得到控制模块向均匀金属微滴喷射模块发出信号，到熔融微滴开始运动之间的延迟δt1。类似地，可以得到控制模块向凝固微滴释放模块发出信号，到凝固微滴开始运动之间的延迟。将测得的延迟δt1。修正后，δt是从控制模块发出信号起，到相遇为止，两液滴实际运动所需时间差，则有
[0081]
△
t＝(t1+
△
t1)
‑
(t2+
△
t2)
[0082]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替
换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。