[发明专利]一种多层平动剪切单元法测量金属熔体扩散的扩散样品制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多层平动剪切单元法测量金属熔体扩散的设备及扩散样品制备方法，用于二元或多元合金或其它非金属材料在熔融态下互扩散系数的测量。

背景技术

对于常温下液体扩散的研究已有前人做过大量研究，如硫酸铜溶液于水中扩散等。但由于技术条件的限制，迄今为止对于高温熔融金属合金熔体还没有较好的扩散设备。

金属熔体的扩散行为在熔体的凝固过程中扮演重要角色，是影响晶体形核和长大过程的关键动力学参数。在一些合金体系的研究中发现，改变熔体的扩散系数能够直接改变凝固组织的成分分布和微观形貌，因此，金属熔体的扩散系数也是进行金属材料设计的必备参数之一。考虑到金属熔体是一类特殊的无序结构体系，其结构相对简单，可以用硬球密堆积模型来描述，因此研究这样一种体系的质量输运性质，有助于深入认识无序态系统的传质过程的一般规律。对于某些独特的合金体系，其熔体的扩散行为相应地表现出特殊性，例如，在块体金属玻璃合金熔体中，其扩散系数比一般简单金属熔体小2-3个数量级，表现出典型的慢的扩散行为，因此研究熔体的扩散系数也是认识合金熔体性质的重要方面。从1855菲克扩散定律的发现和1905年爱因斯坦发表的关于布朗运动的论文以来，人们对液体扩散现象的研究已经有一百多年的历史了，但人们对液态金属扩散行为的研究只有几十年的时间，测量技术和理论都不成熟。比如，用不同的方法测量同一体系的扩散系数往往差异很大，有的差别甚至超过1倍。剪切单元方法被认为是比较精确的方法之一，其主要思想一是在两扩散样品达到预设保温温度之前时彼此分离，避免在升温过程中的原子扩散，另一是在完成保温过程之后将扩散偶分离为多个小单元，以避免冷却过程中的原子扩散。在已有的剪切单元法中是采用旋转方式进行，构建的模型与所选材质有很大关系，而且由于所构建的扩散台中心由中心轴占据，对于实验过程中产生问题较多，不利于X射线测试设备进行原位测量。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种多层平动剪切单元法测量金属熔体扩散的扩散样品制备方法，以期能够利用剪切单元方法对金属熔体扩散系数进行精确的测量，为从事相关的金属研究及铸造提供可靠的依据。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明多层平动剪切单元法测量金属熔体扩散的扩散样品制备方法的特点是：

设置多层平动剪切单元法测量金属熔体扩散的设备为：在真空腔体中设置一框架，在所述框架中固定设置以石墨为材质的扩散台，在所述扩散台的外围设置加热器；在所述扩散台中分别设置有第一样品柱腔、第二样品柱腔和预设样品柱腔，所述第一样品柱腔和第二样品柱腔是以第一样品柱腔在上、第二样品柱腔在下处在同一竖直轴线位置上，所述预设样品柱腔处在所述第一样品柱腔的左侧；

所述扩散台是由呈水平的长条状石墨片层层叠压构成，包括：一组可向右推移的右移石墨片、一组固定设置的固定石墨片，以及一片可独立向右推移的熔接石墨片；

所述熔接石墨片处在扩散台的中部，与所述熔接石墨片上下相邻的是右移石墨片，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间隔设置；

在所述右移石墨片、固定石墨片和熔接石墨片上分别设置有竖向通孔，包括：在所述右移石墨片和固定石墨片上均呈一左一右分别设置有左侧竖向通孔和右侧竖向通孔，在所述熔接石墨片上仅在左侧设置一左侧竖向通孔；所述第一样品柱腔、第二样品柱腔和预设样品柱腔是由分别设置在右移石墨片、固定石墨片和熔接石墨片上对应位置上的竖向通孔串联形成；

所述扩散台有三个状态位：

预热状态位：所述右移石墨片、固定石墨片和熔接石墨片中各左侧竖向通孔在同一竖直位置上对齐贯通形成预设样品柱腔；所述右移石墨片和固定石墨片中的各右侧竖向通孔在同一竖直位置上对齐，中部以熔接石墨片阻隔分别形成第一样品柱腔和第二样品柱腔；

熔接状态位：所述右移石墨片和固定石墨片保持在预热状态位上，所述熔接石墨片以其左侧竖向通孔将第一样品柱腔和第二样品柱腔贯通呈熔接状态；

冷却状态位：所述固定石墨片和熔接石墨片保持在熔接状态位上，所述右移石墨片中的竖向通孔与固定石墨片和熔接石墨片中的竖向通孔相错位，使所述第一样品柱腔和第二样品柱腔在竖向分割为相互隔离的各柱腔。

扩散样品制备方法是按如下过程进行：

步骤一：设置扩散台为预热状态位，将两根第一样品分别置于第一样品腔和预设样品腔中，将第二样品置于第二样品腔；按设定的工艺条件对扩散台进行加热，使分处在第一样品腔和预设样品腔中和第二样品腔中的第一样品和第二样品均熔融为液态；