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。

“知道今天要交接这些样品了，我们都很激动，许多科学家们一晚上都没睡好。” 高温材料实验柜科学实验系统主任设计师、中国科学院上海硅酸盐研究所研究员刘学超分享道，由中国科学院上海硅酸盐研究所牵头研制的高温材料实验柜，历经八年开发，于2022年10月31日随梦天舱成功发射开展工作任务。今年6月4日，神舟十五号载人飞船返回舱从中国空间站返回地面，带回了高温材料实验柜（高温材料柜）首次下行材料样品。

一同返回的，还有同在梦天舱的无容器实验柜中的第四批样品。无容器柜同样由硅酸盐所牵头研制，已返回四批样品。截至目前，高温材料实验柜与无容器实验柜已分别稳定在轨运行200余天和700余天。

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。

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罗兴宏研究员指出，单晶高温合金是制备航空发动机和热气轮叶片的关键材料，它们是通过定向凝固的方式制备。为提高单晶合金性能，最好先搞清重力在凝固过程中如何具体发挥作用？机理是什么？地面研究环境受无处不在的重力影响使得精准解答上述问题很困难，而在空间环境下，重力的影响几乎不存在，“这给我们提供了一个理想的场所来揭开重力的面纱，看到凝固的本质过程”。

他说，本次中国空间站研究项目正是基于此开展，期望通过空间与地面联合研究，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，提高合金综合性能的新途径。

天地联动，远程操控

中国科学院上海硅酸盐研究所研究员余建定是无容器实验柜中编号Z02-7样品盒的负责人，据他介绍，他送上太空的样品，与飞机的发动机有关。

余建定向记者介绍道，飞机发动机的涡轮叶片需要的精度非常高，因此在制造的浇筑过程，材料从液态到固态的收缩率是一个重要指标，“需要保证浇筑下去，室温成型时，尺寸能够满足要求。”而在空间的微重力环境下，对于物体的密度、表面张力等性能的测试将会更加的精准。

“通常，我们要加热融化一个材料，首先要容器。”那么为何需要“无容器”呢？余建定解释道，容器壁对于材料会造成微小的影响，“差之毫厘，失之千里”。同时，在地面上，无法排除重力的干扰，而太空的微重力环境可以让材料形成一个非常均匀的组织，这样的均匀组织，将急剧提高材料的性能。

据余建定介绍，在无容器实验柜中，每个样品盒装有29个样品，上天后，宇航员把这个样品盒就插到这个实验装置里面，实验人员在地面上进行控制，将样品放到样品盒外面，这一过程称为释放，然后通过激光进行加热熔化，进行测试，测试后将样品回收至样品盒中，并由宇航员将其从实验柜中取出，最终带回地面交接给实验人员。这是一个天地联动，共同操纵的过程。

据悉，无容器柜自2021年4月29日随天和核心舱成功发射后，先后成功完成并返回了3批次样品，这是第四批样品，相关研究有望为空间环境下材料制备与生长过程中的特点、规律与机理等探究提供一种重要手段。

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。

科学探索之路如银河般浩渺，更新一代的科学技术永远在路上。据刘学超透露，目前，新一代空间材料科学实验装置正在论证中，该系统将利用激光加热，实现材料制备最高工作温度2200度以上，与空间现有的材料实验装置形成互补，将满足未来空间材料科学对超高温度、精确控制、更多外场的实验需求。

文章来源： 中国新闻网，央视新闻客户端，上海科技