一種消除冷卻過程影響的互擴(kuò)散系數(shù)測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及合金熔體互擴(kuò)散領(lǐng)域，具體地說是一種利用擴(kuò)散長度隨時(shí)間的依賴消 除冷卻過程的擴(kuò)散，獲得互擴(kuò)散系數(shù)，提高互擴(kuò)散系數(shù)測量精度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 擴(kuò)散作為合金熔體內(nèi)一種重要的動力學(xué)現(xiàn)象，對熔體內(nèi)眾多傳質(zhì)過程具有顯著的 影響，如熔體的凝固結(jié)晶過程中，溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的大小直接決定了凝固組織的成分分布、生 長方式及微觀形貌。盡管相對于固態(tài)合金的擴(kuò)散，合金熔體一般要快2~3個(gè)數(shù)量級，但是與 化學(xué)反應(yīng)速率相比又非常緩慢，因此，熔體的擴(kuò)散又往往是化學(xué)反應(yīng)的重要限制因素。在理 論計(jì)算方面，熔體的擴(kuò)散不僅是計(jì)算機(jī)模擬的一個(gè)重要的輸入?yún)?shù)和模擬結(jié)果的重要檢驗(yàn) 標(biāo)準(zhǔn)，而且是建立熔體結(jié)構(gòu)、動力學(xué)模型，發(fā)展和驗(yàn)證新的理論必不可少的數(shù)據(jù)來源。目前， 液體金屬和合金的擴(kuò)散理論還很不完善，其根本原因除了熔體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù) 庫量不足外，另一個(gè)重要的原因就是已有的擴(kuò)散系數(shù)的測量精度不高，如何獲得高精度的 擴(kuò)散系數(shù)也成為眾多學(xué)者和專家關(guān)注的焦點(diǎn)。
[0003] 實(shí)驗(yàn)上，獲得高精度的熔體互擴(kuò)散系數(shù)仍然具有許多困難，特別是對于傳統(tǒng)的長 毛細(xì)管法，由于加熱過程和冷卻過程中存在擴(kuò)散等因素的影響，其誤差范圍能達(dá)到50%~ 100%。對于測量精確的切單元法，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作繁瑣而無法大量進(jìn)行互擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)。在 傳統(tǒng)長毛細(xì)管法和切單元法的基礎(chǔ)之上，本課題組自主研發(fā)出了進(jìn)行合金熔體互擴(kuò)散測量 的設(shè)備及相應(yīng)的滑動剪切法，相對于傳統(tǒng)的長毛細(xì)管法，它能有效避免加熱過程中擴(kuò)散的 影響，故誤差顯著降低，測量精度更高；同時(shí)相較切單元法，它的設(shè)備操作簡單，成本低廉， 因此有利于進(jìn)行大量的互擴(kuò)散測量，但是對于降溫過程擴(kuò)散的影響卻無法避免。毫無疑問， 降溫過程對實(shí)驗(yàn)的測量精度具有一定的影響，已有的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明了此點(diǎn)，特別是 對于等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間較短時(shí)，這種影響更加顯著。
[0004] 精確的互擴(kuò)散系數(shù)不僅是構(gòu)建合金熔體互擴(kuò)散數(shù)據(jù)庫、創(chuàng)建新的熔體擴(kuò)散理論、 進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的基礎(chǔ)，而且是揭示、表征和解釋液-液轉(zhuǎn)變、液-固轉(zhuǎn)變等熔體動力學(xué) 現(xiàn)象的重要參數(shù)。此外，無論是傳統(tǒng)的金屬材料還是金屬玻璃、高熵合金等新興材料，精確 的互擴(kuò)散系數(shù)對于材料的成型控制、工藝設(shè)計(jì)、成分設(shè)計(jì)、缺陷預(yù)防及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變等過程都具 有極其重要的指導(dǎo)作用。因此，為了更進(jìn)一步在操作簡單的滑動剪切技術(shù)基礎(chǔ)上提高互擴(kuò) 散實(shí)驗(yàn)的測量精度，快速、大量地獲得精確的互擴(kuò)散數(shù)據(jù)，必須合理地修正冷卻過程擴(kuò)散對 整體互擴(kuò)散過程的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出一種消除冷卻過程影響的互擴(kuò) 散系數(shù)測量方法，以期能在操作簡單的滑動剪切技術(shù)基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確、合理地消除冷卻過程擴(kuò) 散的影響，提高互擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的測量精度，從而能得到精確的互擴(kuò)散數(shù)據(jù)，為合金熔體互擴(kuò)散 數(shù)據(jù)庫的建立，相關(guān)合金熔體領(lǐng)域的發(fā)展及金屬材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。
[0006 ]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明一種消除冷卻過程影響的互擴(kuò)散系數(shù)測量方法的特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行：
[0008] 步驟1、在所設(shè)定的擴(kuò)散溫度T下，利用互擴(kuò)散設(shè)備對合金熔體的一維半無限大擴(kuò) 散偶+分別進(jìn)行Μ次等溫?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)，獲得等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間分別為乜， t2,…，tm，…，tM的成分譜C(tl)，C(t2)，…，C(tm)，…，C(tM) ;tm表示所述一維半無限大擴(kuò)散偶 在所述擴(kuò)散溫度τ下第m個(gè)等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間；1 < M;C(tm)表示所述 一維半無限大擴(kuò)散偶在第m個(gè)等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間t m的成分譜，并有
表示所述一維半無限 大擴(kuò)散偶-475iwj<7在第m個(gè)等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間U的第4位置上的濃度;N m表示所 述一維半無限大擴(kuò)散偶一47 在所述擴(kuò)散溫度τ下的第m次等溫?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn) 中測量成分點(diǎn)的個(gè)數(shù)；1 <nmd;A、B分別表示所述一維半無限大擴(kuò)散偶的組元； C7、： CV分別表示所述一維半無限大擴(kuò)散偶在+~位置上和-~位置上A組元的原子百分 比濃度，
[0010]步驟2、利用式（1)獲得所述一維半無限大擴(kuò)散偶4Τβ跡⑦-在所述擴(kuò) 散溫度Τ下第m次等溫?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)的互擴(kuò)散系數(shù)0"，從而獲得Μ次不同等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間下的互擴(kuò) 散系數(shù)Di，D2，···，Dm···，Dm:
[0012] 式（1)中，C(x，tm)表示所述一維半無限大擴(kuò)散偶』e S,u"_cr - 4丫4?<在第m個(gè) 等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間U的第X位置上的濃度；#表示所述一維半無限大擴(kuò)散偶 在所述擴(kuò)散溫度Τ下第m次等溫?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)中擴(kuò)散界面的位置;erf〇表示誤差函數(shù)；
[0013] 步驟3、利用式⑵獲得所述一維半無限大擴(kuò)散偶4:r -令.在所述擴(kuò) 散溫度T下第m次等溫?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)散長度Lm，從而獲得Μ次不同等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間下的擴(kuò)散長 度 Ll，L2，…，Lm···，Lm :
[0014] 4=· (2)
[0015] 步驟4、利用式(3)對式(2)中的4Dmtm進(jìn)行分解：
[0016] 4DJm=Aa：tm+ADjm (3)
[0017] 式⑶中，Sf表示所述一維半無限大擴(kuò)散偶- 4^今《<在所述擴(kuò)散 溫度T下第m次互擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)中等溫?cái)U(kuò)散過程的互擴(kuò)散系數(shù)；瓦表示所述一維半無限大擴(kuò)散 偶-義 7 Αι?τ在擴(kuò)散溫度T下第m次互擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)中降溫?cái)U(kuò)散過程的平均互擴(kuò)散 系數(shù)，表示第m次互擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)中從所述擴(kuò)散溫度T降到室溫所經(jīng)歷的降溫時(shí)間；
[0018] 步驟5、將所述等溫?cái)U(kuò)散過程的互擴(kuò)散系數(shù)Df記為D;將所述降溫?cái)U(kuò)散過程的平均 互擴(kuò)散系數(shù)豆"和降溫時(shí)間〖、分別記為S和V ;則式(3)改寫為：
[0019] 4Djm=4Dtm+4Df (4)
[0020] 步驟6、根據(jù)式(2)和(4)獲得如式(5)所示的擴(kuò)散長度L與等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間t的函數(shù)表 達(dá)式L2(t):
[0021 ] Lr{t) = ADt + ADi' (5)
[0022] 步驟7、利用式(6)獲得等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間t = 0時(shí)刻的函數(shù)表達(dá)式?Λ〇):
[0023] l}(^) = ADt' (6)
[0024] 步驟8、將式(6)代入式(5)獲得式(7):
[0025] L2(t)=4Dt+L2(0) (7)
[0026] 步驟9、對式(7)進(jìn)行擬合，從而獲得所述一維半無限大擴(kuò)散偶 在所述擴(kuò)散溫度Τ下第m次等溫?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)中等溫?cái)U(kuò)散過程的互擴(kuò)散系數(shù)D和等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間t =〇時(shí)刻的擴(kuò)散長度L(0)。
[0027] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：
[0028] 1、本發(fā)明是以滑動剪切技術(shù)為基礎(chǔ)，相較于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的切單元法，本發(fā)明實(shí)驗(yàn)設(shè) 備的搭建簡單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉，利于進(jìn)行長期、大量的進(jìn)行互擴(kuò)散系數(shù)的測量；同時(shí)本 發(fā)明的實(shí)驗(yàn)操作遠(yuǎn)較操作繁瑣的切單元法方便，測量實(shí)驗(yàn)易于進(jìn)行，便于進(jìn)行推廣和應(yīng)用。
[0029] 2、本發(fā)明在滑動剪切技術(shù)基礎(chǔ)之上，通過對同一擴(kuò)散偶成分在同一擴(kuò)散溫度下進(jìn) 行至少三次以上不同等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間的互擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)獲得相應(yīng)的擴(kuò)散成分譜，利用所測量的擴(kuò) 散成分譜，獲得相應(yīng)的擴(kuò)散成分譜;通過擴(kuò)散長度隨時(shí)間的依賴關(guān)系，能合理、有效地將熔 體冷卻過程的擴(kuò)散和熔體等溫過程的擴(kuò)散進(jìn)行分離，得到相應(yīng)擴(kuò)散偶在相應(yīng)溫度下互擴(kuò)散 系數(shù)；因此，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)長毛細(xì)管法和一般滑動剪切法無法消除冷卻過程擴(kuò)散的影 響的缺點(diǎn)，能方便、快捷地獲得精確的互擴(kuò)散系數(shù)，從而顯著提高了互擴(kuò)散系數(shù)測量精度。
[0030] 3、本發(fā)明具有很好的通用性，除了與滑動剪切法結(jié)合外，理論上，還可與傳統(tǒng)的長 毛細(xì)管法進(jìn)行結(jié)合，在規(guī)范的操作、精確的測量等前提下，消除加熱和冷卻兩個(gè)過程擴(kuò)散的 影響，大大提高該方法的互擴(kuò)散系數(shù)測量精度。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為本發(fā)明實(shí)施例擴(kuò)散偶AI75CU25-AI65CU35中Cu兀素的成分譜圖；
[0032]圖2為本發(fā)明實(shí)施例擴(kuò)散偶Al75Cu25_Al65Cu 35中擴(kuò)散長度和結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為了對本發(fā)明做進(jìn)一步的論述，下面將結(jié)合擴(kuò)散偶A175Cu25-A165Cu 35的擴(kuò)散行為進(jìn) 行具體說明。根據(jù)所選擇的擴(kuò)散偶成分，查閱Al-Cu二元合金相圖，根據(jù)液相線溫度，確定實(shí) 驗(yàn)的等溫?cái)U(kuò)散溫度，本例中為1023K。配制擴(kuò)散偶成分的擴(kuò)散試樣，本實(shí)例中樣品所用原材 料為純度99.99%的A1和Cu。利用真空熔煉爐吸鑄直徑為2mm的棒狀樣品，吸鑄過程采用氬 氣保護(hù)，為了保證成分均勻，樣品在真空熔煉爐內(nèi)需至少熔煉5次。
[0034] 利用本發(fā)明進(jìn)行求解擴(kuò)散偶Al75Cu25_Al65Cu35在1023K時(shí)的互擴(kuò)散系數(shù)包括如下步 驟：
[0035] 步驟1、在所設(shè)定的擴(kuò)散溫度T下，利用能夠使用滑動剪切技術(shù)（授權(quán)專利 201210105224.X)測量熔體互擴(kuò)散系數(shù)的互擴(kuò)散設(shè)備對合金熔體的一維半無限大擴(kuò)散偶
分別進(jìn)行Μ次等溫?cái)U(kuò)散實(shí)驗(yàn)，獲得等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間分別為t^ts，…， U，···，tM的成分譜C(ti)，C(t2)，…，C(U)，…，C(tM)，本實(shí)例中，T= 1023K;互擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)在合 金熔體擴(kuò)散設(shè)備(授權(quán)專利201210105060.0)上完成，在進(jìn)行擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)前，將樣品打磨至直 徑為1.5mm。實(shí)驗(yàn)過程中，擴(kuò)散臺的上下溫差控制在±3Κ以內(nèi)。對實(shí)驗(yàn)后的樣品進(jìn)行切割、打 磨至中間位置，然后利用能譜掃描確定擴(kuò)散偶樣品沿長度X方向的成分譜。U表示一維半無 限大擴(kuò)散偶一 在擴(kuò)散溫度Τ下第m個(gè)等溫?cái)U(kuò)散時(shí)間;Μ表示擴(kuò)散偶在擴(kuò) 散溫度Τ下進(jìn)行互擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的總次數(shù)，1 < m < Μ，本實(shí)例中M = 4，ti = 480s，t2 = 600s，t3 = 720s，t4 = 840s;C(tm)表示一維半無限大擴(kuò)散偶4丫5iw_qr -4/在第m個(gè)等溫?cái)U(kuò)散 時(shí)間仏的成分譜，并有 C(U = {C(Af，，,")，C(x;V,"),…，c(x;:y,,,)，…，C(緹^ 擴(kuò)散偶A175Cu25-A165Cu35在T=1023K等溫?cái)U(kuò)散t 3 = 720s后獲得的Cu元素的擴(kuò)散成分譜C(t3) 如圖1所示；表示一維半無限大擴(kuò)散偶在第m個(gè)等溫?cái)U(kuò)散 時(shí)間U的第<位置上的濃度，本實(shí)例中A)如圖1中的圓點(diǎn)所