技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于薄層擴散模型測量金屬熔體擴散的設(shè)備及擴散樣品制備方法，用于二元或多元合金或其它非金屬材料在熔融態(tài)下互擴散系數(shù)的測量。

背景技術(shù)：

對于常溫下液體擴散的研究已有前人做過大量研究，如硫酸銅溶液于水中擴散等。但由于技術(shù)條件的限制，迄今為止對于高溫熔融金屬合金熔體還沒有較好的擴散設(shè)備。

金屬熔體的擴散行為在熔體的凝固過程中扮演重要角色，是影響晶體形核和長大過程的關(guān)鍵動力學(xué)參數(shù)。在一些合金體系的研究中發(fā)現(xiàn)，改變?nèi)垠w的擴散系數(shù)能夠直接改變凝固組織的成分分布和微觀形貌，因此，金屬熔體的擴散系數(shù)也是進行金屬材料設(shè)計的必備參數(shù)之一。考慮到金屬熔體是一類特殊的無序結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)相對簡單，可以用硬球密堆積模型來描述，因此研究這樣一種體系的質(zhì)量輸運性質(zhì)，有助于深入認識無序態(tài)系統(tǒng)的傳質(zhì)過程的一般規(guī)律。對于某些獨特的合金體系，其熔體的擴散行為相應(yīng)地表現(xiàn)出特殊性，例如，在塊體金屬玻璃合金熔體中，其擴散系數(shù)比一般簡單金屬熔體小2-3個數(shù)量級，表現(xiàn)出典型的慢的擴散行為，因此研究熔體的擴散系數(shù)也是認識合金熔體性質(zhì)的重要方面。從1855菲克擴散定律的發(fā)現(xiàn)和1905年愛因斯坦發(fā)表的關(guān)于布朗運動的論文以來，人們對液體擴散現(xiàn)象的研究已經(jīng)有一百多年的歷史了，但人們對液態(tài)金屬擴散行為的研究只有幾十年的時間，測量技術(shù)和理論都不成熟。比如，用不同的方法測量同一體系的擴散系數(shù)往往差異很大，有的差別甚至超過1倍。剪切單元方法被認為是比較精確的方法之一，其主要思想一是在兩擴散樣品達到預(yù)設(shè)保溫溫度之前時彼此分離，避免在升溫過程中的原子擴散，另一是在完成保溫過程之后將擴散偶分離為多個小單元，以避免冷卻過程中的原子擴散。在已有的剪切單元法中是采用旋轉(zhuǎn)方式進行，構(gòu)建的模型與所選材質(zhì)有很大關(guān)系，而且由于所構(gòu)建的擴散臺中心由中心軸占據(jù)，對于實驗過程中產(chǎn)生問題較多，不利于X射線測試設(shè)備進行原位測量。

在申請?zhí)枮椋?01310153997.X，名稱為一種多層平動剪切單元法測量金屬熔體擴散的設(shè)備的發(fā)明專利申請文件中，公開了一種多層平動剪切單元法測量金屬熔體擴散的設(shè)備。在該發(fā)明設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)置上，采用的形式是在擴散臺中分別設(shè)置有第一樣品柱腔、第二樣品柱腔和預(yù)設(shè)樣品柱腔，第一樣品柱腔和第二樣品柱腔是以第一樣品柱腔在上、第二樣品柱腔在下處在同一豎直軸線位置上，預(yù)設(shè)樣品柱腔處在第一樣品柱腔的左側(cè)，在擴散臺的中部(第一樣品柱腔第二樣品柱腔之間)設(shè)置一片可獨立向右推移的熔接石墨片。其在方法上采用了以下三個步驟：

步驟一：設(shè)置擴散臺為預(yù)熱狀態(tài)位，將兩根第一樣品分別置于第一樣品柱腔和預(yù)設(shè)樣品腔中，將第二樣品置于第二樣品柱腔；按設(shè)定的工藝條件對擴散臺進行加熱，使分處在第一樣品柱腔和預(yù)設(shè)樣品腔中和第二樣品柱腔中的第一樣品和第二樣品均熔融為液態(tài)；

步驟二：向右側(cè)推移熔接石墨片，使擴散臺處在熔接狀態(tài)位，由熔接石墨片將在預(yù)設(shè)樣品腔中熔融為液態(tài)的第一樣品利用熔接石墨片中的左側(cè)豎向通孔轉(zhuǎn)移在第一樣品柱腔和第二樣品柱腔之間，使第一樣品和第二樣品在豎向?qū)有纬蓴U散偶；按設(shè)定的工藝條件對擴散臺進行保溫，使得第一樣品與第二樣品完成擴散；

步驟三：待擴散過程結(jié)束后，向右側(cè)推動右移石墨片，使擴散臺處在冷卻狀態(tài)位，擴散偶因此在豎向分割成相互隔離的各樣品段。

該發(fā)明的結(jié)構(gòu)形式和方法都是基于半無限體擴散偶模型來測量金屬熔體擴散，所謂半無限體擴散偶模型就是將兩個半無限長試樣對接而成一對半無限體擴散偶。如該發(fā)明申請所示第一樣品和第二樣品為組成半無限擴散偶的兩個半無限長試樣。通過該發(fā)明的結(jié)構(gòu)形式和方法可以使兩個半無限長試樣在熔融狀態(tài)下對接成一對半無限擴散偶。

在實際中，并不是所有的擴散問題都能滿足“無限大介質(zhì)”這一條件，換句話說不是所有的擴散介質(zhì)都是無限長的，即半無限體擴散偶模型有局限性。多數(shù)情況下，擴散介質(zhì)是有限大的，這意味著擴散介質(zhì)中存在邊界，不能通過半無限體擴散偶模型來測量和求解擴散系數(shù)，此時可以通過薄層擴散模型來測量和求解擴散系數(shù)。但以ZL201310153997.X中公開的技術(shù)方案是不能實現(xiàn)基于薄層擴散模型測量金屬熔體擴散系數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種基于薄層擴散模型制備金屬熔體擴散樣品的方法，以期能夠基于薄層擴散模型對金屬熔體擴散系數(shù)進行精確的測量，為從事相關(guān)的金屬研究及鑄造提供可靠的依據(jù)。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明基于薄層擴散模型測量金屬熔體擴散的設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點是：

在真空腔體中設(shè)置一框架，在所述框架中固定設(shè)置以石墨為材質(zhì)的擴散臺，在所述擴散臺的外圍設(shè)置加熱器件；在所述擴散臺中分別設(shè)置有第一樣品柱腔和第二樣品柱腔，所述第一樣品柱腔處于擴散臺的中心位置，所述第二樣品柱腔處在所述第一樣品柱腔的左側(cè)下方位置；

所述擴散臺是由呈水平的長條狀石墨片層層疊壓構(gòu)成，包括：一組可向右推移的右移石墨片、一組固定設(shè)置的固定石墨片，以及一片可獨立向右推移的熔接石墨片；

所述熔接石墨片處在第一樣品柱腔的底部，與所述熔接石墨片上下相鄰的是右移石墨片，在所述熔接石墨片的上方和下方，各片右移石墨片和各片固定石墨片一一間隔設(shè)置；

在所述右移石墨片、固定石墨片和熔接石墨片上分別設(shè)置有豎向通孔，包括：在所述右移石墨片、固定石墨片和熔接石墨片上均呈一左一右分別設(shè)置有左側(cè)豎向通孔和右側(cè)豎向通孔；所述第一樣品柱腔和第二樣品柱腔是由分別設(shè)置在右移石墨片、固定石墨片和熔接石墨片上對應(yīng)位置上的豎向通孔串聯(lián)形成；

所述擴散臺有三個狀態(tài)位：

預(yù)熱狀態(tài)位：所述右移石墨片、固定石墨片和熔接石墨片中各左側(cè)豎向通孔在同一豎直位置上對齊貫通形成第二樣品柱腔；所述右移石墨片、固定石墨片和熔接石墨片的各右側(cè)豎向通孔在同一豎直位置上對齊貫通形成第一樣品柱腔；

熔接狀態(tài)位：所述右移石墨片和固定石墨片保持在預(yù)熱狀態(tài)位上，所述熔接石墨片以其左側(cè)豎向通孔與第一樣品柱腔的底部貫通呈熔接狀態(tài)；

冷卻狀態(tài)位：所述固定石墨片和熔接石墨片保持在熔接狀態(tài)位上，所述右移石墨片中的豎向通孔與固定石墨片和熔接石墨片中的豎向通孔相錯位，使所述第一樣品柱腔和熔接石墨片中左側(cè)豎向通孔在豎向分割為相互隔離的各柱腔。

本發(fā)明制備擴散樣品的方法的特點是是按如下過程進行：

步驟一：設(shè)置擴散臺為預(yù)熱狀態(tài)位，將第一樣品置于第一樣品柱腔中，將第二樣品置于第二樣品柱腔；按設(shè)定的工藝條件對擴散臺進行加熱，使分處在第一樣品柱腔和第二樣品柱腔中的第一樣品和第二樣品均為熔融液態(tài)；

步驟二：向右側(cè)推移熔接石墨片，使擴散臺處在熔接狀態(tài)位，由熔接石墨片將在第二樣品柱腔中熔融為液態(tài)的第二樣品利用熔接石墨片中的左側(cè)豎向通孔轉(zhuǎn)移在第一樣品柱腔底端，同時切除第一樣品柱腔下端的一段樣品，使第一樣品和第二樣品在豎向?qū)恿己?，開始擴散；按設(shè)定的工藝條件對擴散臺進行保溫，使得第一樣品與第二樣品完成擴散；

步驟三：待擴散過程結(jié)束后，向右側(cè)推動右移石墨片，使擴散臺處在冷卻狀態(tài)位，擴散后的第一樣品因此在豎向分割成相互隔離的各樣品段；繼而向所述真空腔體中導(dǎo)入冷卻氣體，使各樣品段冷卻凝固即得擴散樣品。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明通過推動熔接石墨片，使第二樣品薄層處在第一樣品下端，形成薄層擴散源，即第二樣品薄層與第一樣品在熔融狀態(tài)下對接，形成擴散。本發(fā)明使基于薄層擴散模型測量金屬熔體擴散系數(shù)得以實現(xiàn)；

2、已有技術(shù)中的多層平動剪切單元法中基于半無限體擴散偶模型測量金屬熔體擴散系數(shù)的技術(shù)方案是將一小段預(yù)設(shè)樣品從預(yù)設(shè)樣品腔中推入到第一樣品柱腔和第二樣品柱腔之間完成熔接，形成擴散。其第一樣品是由熔接狀態(tài)前處于不同實驗環(huán)境下的兩處樣品熔接而成的，相比較而言，本發(fā)明只需將第二樣品薄層推到第一樣品下端完成熔接即可，保證了第一樣品的實驗環(huán)境一致性，擴散實驗過程對實驗環(huán)境要求非常高，本發(fā)明使得實驗測量結(jié)果更加精確。已有技術(shù)中將小段預(yù)設(shè)樣品推入到第一樣品柱腔和第二樣品柱腔之間，需在第一樣品下表面與小段預(yù)設(shè)樣品上表面、小段預(yù)設(shè)樣品下表面與第二樣品兩處進行熔接，這并不能很好地確保第一樣品、小段預(yù)設(shè)樣品和第二樣品很好地完成熔接，存在實驗操作的可靠性問題。本發(fā)明通過推動熔接石墨片，直接將第二樣品薄層推到石墨擴散臺的中心位置，只在一處熔接，即薄層的上表面與第一樣品的下表面之間的熔接，同時切除了第一樣品下端的一小段樣品，保證與第一樣品下端熔接情況良好，形成擴散；

3、本發(fā)明中第二樣品柱腔處在第一樣品柱腔的左側(cè)下方位置，熔接石墨片處在石墨片層下部位置，實驗所需的第二樣品用量相比于原發(fā)明要少得多，并且本發(fā)明不需要在已有技術(shù)中的所述的第一樣品左側(cè)另設(shè)一處預(yù)設(shè)樣品腔。本發(fā)明以減少樣品腔、改變第二樣品柱腔的位置與長短，明顯減少了實驗所需的樣品數(shù)量，這使得本發(fā)明中擴散樣品制備方法更為簡單，易于實現(xiàn)，可廣泛應(yīng)用于教學(xué)、實驗、科研以及生產(chǎn)等各種場合中；

4、已有多層平動的剪切單元法中，由于采用的是半無限體擴散偶模型來測量液態(tài)金屬擴散系數(shù)，在實驗過程中需要多層薄片。本發(fā)明基于薄層擴散模型所需要的石墨薄片數(shù)目僅為已有技術(shù)中多層平動剪切單元法所需石墨薄片數(shù)目的一半，顯著降低了石墨擴散臺的加工、安裝和實驗操作難度；

5、擴散實驗過程對實驗環(huán)境要求非常高。實驗過程中石墨片層的移動會造成熔體對流，對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。本發(fā)明中由于所需石墨薄片數(shù)量減少，使得擴散過程中人為造成的對流減少，還因為本發(fā)明只需在一處熔接，并非如已有技術(shù)中需要在兩處進行熔接，進一步減少了人為造成的熔體對流，提高了擴散實驗結(jié)果的準確性。

附圖說明

圖1為以本發(fā)明構(gòu)成的測試系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明擴散臺結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a為本發(fā)明中擴散臺裝配示意圖；

圖3b為本發(fā)明中相間隔的石墨片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4a為本發(fā)明中擴散臺第一狀態(tài)位示意圖；

圖4b為本發(fā)明中擴散臺第二狀態(tài)位示意圖；

圖4c為本發(fā)明中擴散臺第三狀態(tài)位示意圖；

圖中標號：1真空腔體；2框架；3加熱器件；4擴散臺；5左立柱；6右立柱；7a第一樣品柱腔；7b第二樣品柱腔；8熔接石墨片；9為“L”型支架；9a盲孔；10固定管；11為“C”型框架；12水平推桿；13抽真空端口；14溫控儀；15冷卻氣體導(dǎo)入端口；16氣瓶；17真空泵組；

具體實施方式

參見圖1和圖2，本實施例中基于薄層擴散模型的測量金屬熔體擴散的設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式是：

在真空腔體1中設(shè)置一框架2，在框架2中利用固定管10設(shè)置以石墨為材質(zhì)的擴散臺4，在擴散臺4的外圍設(shè)置加熱器件3；在擴散臺中分別設(shè)置有第一樣品柱腔7a和第二樣品柱腔7b，第一樣品柱腔7a處于擴散臺的中心位置，第二樣品柱腔7b處在第一樣品柱腔7a的左側(cè)下方位置。

如圖3a和圖3b所示，擴散臺4是由呈水平的長條狀石墨片層層疊壓構(gòu)成，包括：一組可向右推移的右移石墨片4a、一組固定設(shè)置的固定石墨片4b，以及一片可獨立向右推移的熔接石墨片8。

熔接石墨片8處在第一樣品柱腔7a的底部，與熔接石墨片8上下相鄰的是右移石墨片4a，在熔接石墨片8的上方和下方，各片右移石墨片4a和各片固定石墨片4b一一間隔設(shè)置。

在右移石墨片4a、固定石墨片4b和熔接石墨片8上分別設(shè)置有豎向通孔，包括：在右移石墨片4a、固定石墨片4b和熔接石墨片8上均呈一左一右分別設(shè)置有左側(cè)豎向通孔和右側(cè)豎向通孔；第一樣品柱腔7a和第二樣品柱腔7b是由分別設(shè)置在右移石墨片4a、固定石墨片4b和熔接石墨片8上對應(yīng)位置上的豎向通孔串聯(lián)形成。

擴散臺具有三個狀態(tài)位：

圖4a所示的預(yù)熱狀態(tài)位：右移石墨片4a、固定石墨片4b和熔接石墨片8中各左側(cè)豎向通孔在同一豎直位置上對齊貫通形成第二樣品柱腔7b；右移石墨片4a、固定石墨片4b和熔接石墨片8的各右側(cè)豎向通孔在同一豎直位置上對齊貫通形成第一樣品柱腔7a。

圖4b所示的熔接狀態(tài)位：右移石墨片4a和固定石墨片4b保持在預(yù)熱狀態(tài)位上，熔接石墨片8以其左側(cè)豎向通孔與第一樣品柱腔7a的底部貫通呈熔接狀態(tài)。

圖4c所示的冷卻狀態(tài)位：固定石墨片4b和熔接石墨片8保持在熔接狀態(tài)位上，右移石墨片4a中的豎向通孔與固定石墨片4b和熔接石墨片8中的豎向通孔相錯位，使第一樣品柱腔7a和熔接石墨片8中左側(cè)豎向通孔在豎向分割為相互隔離的各柱腔。

具體實施中相應(yīng)的設(shè)置也包括：

各固定石墨片4b串聯(lián)在右立柱6上，設(shè)置各右移石墨片4a串聯(lián)在左立柱5上，其中右立柱6為固定設(shè)置，左立柱5可在“C”型框架11的推動下帶動各右移石墨片4a同步向右移動。在熔接石墨片8的左側(cè)設(shè)置水平推桿12，用以推動熔接石墨片8呈水平移動。

如圖2所示，一對“L”型支架9相互扣合形成一矩形內(nèi)腔，擴散臺4相吻合在該矩形內(nèi)腔中，在“L”型支架9上均勻分布有軸向卡槽，加熱器件3定位在各軸向卡槽中，用于對擴散臺進行加熱，在“L”型支架9中沿軸向設(shè)置有盲孔9a，用于固定L型支架。在“L”型支架9側(cè)壁上不同位置設(shè)置有小孔，用于放置熱電偶進行溫度測量。

如圖1所示，在真空腔體1的底部分別設(shè)置有抽真空端口13和冷卻氣體導(dǎo)入端口15，在真空泵組17的控制下通過抽真空端口13對真空腔體1進行抽真空處理；氣瓶16通過冷卻氣體導(dǎo)入端口15向真空腔體1中注入冷卻氣體。

溫控儀14是用于按照設(shè)定的溫度控制曲線對擴散臺進行加熱、保溫和降溫控制，并記錄溫度變化曲線，記錄保溫時間和擴散余溫的降溫時間。

第一樣品和第二樣品均為Φ1.5mm棒狀待測金屬材料，利用真空電弧熔煉吸鑄爐制取而成，成分精確且均勻。

本實施例中制備擴散樣品的方法是按如下過程進行：

步驟一：設(shè)置擴散臺為預(yù)熱狀態(tài)位，將第一樣品置于第一樣品柱腔7a中，將第二樣品置于第二樣品柱腔7b；按設(shè)定的工藝條件對擴散臺進行加熱，使分處在第一樣品柱腔7a和第二樣品柱腔7b中的第一樣品和第二樣品均熔融為液態(tài)。

步驟二：向右側(cè)推移熔接石墨片8，使擴散臺處在熔接狀態(tài)位，由熔接石墨片8將在第二樣品柱腔7b中熔融為液態(tài)的第二樣品利用熔接石墨片8中的左側(cè)豎向通孔轉(zhuǎn)移在第一樣品柱腔7a底端，同時切除第一樣品柱腔7a下端的一小段樣品，使第一樣品和第二樣品在豎向?qū)恿己?，開始擴散；按設(shè)定的工藝條件對擴散臺進行保溫，使得第一樣品與第二樣品完成擴散。

步驟三：待擴散過程結(jié)束后，向右側(cè)推動右移石墨片4a，使擴散臺處在冷卻狀態(tài)位，擴散后的第一樣品因此在豎向分割成相互隔離的各樣品段；繼而向真空腔體1中導(dǎo)入冷卻氣體，使各樣品段冷卻凝固即得擴散樣品，冷卻氣體采用體積百分比達到99.99％的高純氮氣，以防止樣品氧化和石墨燃燒。