CN105115860A - 一种基于同步辐射成像的可视化合金熔体互扩散测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同步辐射成像的可视化合金熔体互扩散测量方法，其特征是按如下步骤进行：1、扩散样品制备及成像设备组装；2合金熔体扩散的同步辐射成像测定；3获得合金熔体的互扩散系数。本发明能原位、可视化地获得扩散偶的实时成分谱，从而能有效消除对流、加热及冷却过程中的扩散等因素对合金熔体互扩散测量的影响，显著提高合金熔体互扩散系数的测量精确。

Description

一种基于同步辐射成像的可视化合金熔体互扩散测量方法

技术领域

本发明涉及一种适用于二元、多元合金及其它非金属材料在熔融状态下的互扩散系数测量方法，具体地说是一种基于同步辐射成像的可视化合金熔体互扩散测量方法。

背景技术

作为一种基础的传质过程，扩散是许多物理、化学过程得以实现的前提，其重要性毋庸置疑，半导体掺杂、离子晶体导电、材料表面处理、无机非金属材料的烧结、有机高分子材料的制备及使用等众多过程都与材料内部物质的扩散息息相关。

在合金熔体中，扩散过程同样对众多传质过程具有显著的影响，如在平衡凝固过程中，扩散系数作为熔体的质量输运性质的核心参数，是控制固-液界面生长速度和界面前沿的液相溶质分布行为的主要参量之一，熔体扩散系数的变化能够直接改变凝固组织的成分分布和微观形貌，如枝晶的大小等，可以说，金属熔体的扩散行为与固态金属的使用性能息息相关。微观上，扩散是指构成物质的原子、分子或离子在热、化学势梯度、电磁等作用下的输运过程，其中，在自身热运动作用下产生的物质迁移称为自扩散；而在浓度梯度或化学势梯度作用下产生的物质输运称为互扩散。在实际熔体扩散过程中，往往涉及多种原子的相互传质，如在凝固过程中的溶质再分配现象。因此，研究并掌握合金熔体的互扩散这一普遍存在的现象，无论是对建立凝固相关理论，还是对材料的制备和生产过程都具有非常重要的意义，而作为这一研究的基础，获得大量的、精确的熔体互扩散系数显得尤为重要。

目前，测量合金熔体互扩散系数的方法主要有长毛细管法和切单元法(专利：201310153038.8)两种。长毛细管法是一种传统常用的方法，其扩散测量结果包含了升温过程扩散和降温过程扩散的影响，因此，测量的互扩散精度不高，误差能达到50％～100％，远不能满足当今研究和应用的需要。切单元法在长毛细管法的基础上进行了改进，其主要特点是可以在高温下(扩散合金熔点以上)通过转动把毛细管分成若干段(如每段高度1mm)，以消除冷却过程中的扩散和体积变化对测量结果的影响。这一方法能消除升温和降温过程的对互扩散系数测量的影响，大大提高测量精度，但由于实验技术太过于精细和复杂，不仅为加工过程带来了很大的难度，而且操作复杂，不利于大量进行扩散实验测量。

由于技术条件和实验环境等因素的限制，扩散系数在测量总会存在误差，一般情况下误差可达到10％～50％。对流是产生误差的一个重要因素，在某些情况下，由它引起的原子迁移甚至会大于由扩散过程产生的量；另外，加热过程中的热膨胀和体积变化、冷却过程中微观结构的变化都会对测量结果产生影响。总而言之，对流、加热过程及冷却过程中的扩散是影响扩散实验测量结果的主要因素，为了获得更精确、可靠的互扩散系数，需要发明一种新的能有效避免上述因素的测量方法。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的不足之处，提出一种基于同步辐射成像的可视化合金熔体互扩散测量方法，以期能原位、可视化地获得扩散偶的实时成分谱，从而能有效消除对流、加热及冷却过程中的扩散等因素对合金熔体互扩散测量的影响，显著提高合金熔体互扩散系数的测量精确。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种基于同步辐射成像的可视化合金熔体互扩散测量方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、扩散样品制备及成像设备组装：

步骤1.1、利用真空熔炼炉制备成分分别为和的棒状合金样品S₁和S₂，并由所述棒状合金样品S₁和S₂能构成一维半无限大互扩散偶A、B分别表示所述一维半无限大扩散偶的组元；分别表示所述棒状合金样品S₁和S₂中A组元的原子百分比浓度，且与的原子百分比浓度差异为a个原子百分比；

步骤1.2、将所述棒状合金样品S₁和S₂的两端分别磨成平面，并放置在包含有加热电路和温控电路的扩散样品台上，从而形成扩散实验样品；

步骤1.3、将带有扩散实验样品的扩散样品台放入包含有真空系统和冷却系统的互扩散实验设备内；所述互扩散实验设备侧壁上设置有前、后两处石英玻璃窗，所述前、后两处石英玻璃窗的位置与所述扩散实验样品的位置保持在同一水平线上；

步骤1.4、将所述带有扩散实验样品的扩散样品台的互扩散实验设备至于同步辐射光源和X射线成像探测器之间，使得所述扩散实验样品、所述同步辐射光源、所述X射线成像探测器位于同一水平线上；

步骤2、合金熔体扩散的同步辐射成像测定：

步骤2.1、利用所述真空系统将所述互扩散实验设备抽真空至所设定的真空度；

步骤2.2、利用所述同步辐射光源中的X射线从前石英玻璃窗处照射至所述扩散实验样品；并利用所述扩散样品台的加热电路和温控电路将所述扩散实验样品加热至所设置的加热温度T；从而形成所述一维半无限大互扩散偶

步骤2.3、所述同步辐射光源中的X射线穿过所述一维半无限大互扩散偶从后石英玻璃窗处照射到所述X射线成像探测器，从而在所述X射线成像探测器上形成所述一维半无限大互扩散偶在同步辐射光源下的成像；

步骤2.4、利用所述X射线成像探测器对所述成像进行数据和图像的采集，从而获得所述加热温度T下任意t时刻的X射线沿所述一维半无限大互扩散偶长度方向上的强度谱线I(x,t)；

步骤3、获得合金熔体的互扩散系数：

步骤3.1、根据所述强度谱线I(x,t)，利用Beer–Lambert定律获得任意t时刻下所述一维半无限大互扩散偶沿样品长度方向上的成分谱C(x,t)；

步骤3.2、根据所述成分谱C(x,t)，利用式(1)获得所述加热温度T下的一维半无限大互扩散偶 $A_{C_A^{+\mathrm{\∞}}}{B}_{100-C_A^{+\mathrm{\∞}}}-A_{C_A^{-\mathrm{\∞}}}{B}_{100-C_A^{-\mathrm{\∞}}}$ 的互扩散系数D：

$C(x,t)=\frac{C_A^{+\mathrm{\∞}}+C_A^{-\mathrm{\∞}}}{2}+\frac{C_A^{+\mathrm{\∞}}-C_A^{-\mathrm{\∞}}}{2}erf\left(\frac{x-x_0}{\sqrt{4Dt}}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，erf()表示误差函数；x₀表示所述一维半无限大扩散偶在所述实验设置温度T下任意t时刻扩散界面的位置。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明根据扩散温度下合金熔体中不同原子对X射线吸收能力的差异，通过探测某一时刻X射线与合金熔体相互作用后的强度谱线，利用Beer–Lambert定律能够原位、可视化地得到对应扩散偶在该时刻下的成分谱，从而最终获得相应扩散偶在相应扩散温度下的互扩散系数；不仅能有效消除对流、加热过程及冷却过程中的扩散、热膨胀和体积变化、冷却过程中微观结构的变化等因素对熔体互扩散测量实验的影响，而且还大大提高了熔体互扩散系数的测量精度。

2、本发明采用同步辐射X-射线成像技术来原位测量合金熔体的互扩散，同一般实验室用的小功率的X-射线管相比，同步辐射X-射线光源具有亮度高，而且是平行光的优点；亮度高，可以使测量的样品厚度变化更多，而且成像分辨率和速度更快，可以实现更好的空间和时间分辨率；而实验室小型的X射线管发出的都是锥形的发散光，因此，即使穿透的样品厚度一样，由于透过样品的角度不同，成像时也会产生典型的失真现象；如果是平行光，这种失真现象就可以避免，从而可以获得更加准确的成像精度及强度对比(衬度)，因此大大提高了测量的精度。

3、本发明能可视化地获得扩散偶实时的成分谱，因此不仅能够与已有的切单元技术进行结合，研究合金熔体的等温互扩散过程，而且可方便地与传统的长管技术继续结合，同时研究加热过程、等温过程和降温过程的扩散行为，及各自对最终测量结果的影响；此外，本发明还能够有效分析实验过程中对流等外界因素对实验结果造成的影响。

附图说明

图1a为合金熔体互同步辐射成像技术测量合金熔体互扩散的示意图；

图1b为X射线成像探测器获得的强度谱线示意图；

图1c为本发明获得的初始时刻t＝0和中间时刻t>0的扩散成分谱示意图；

图2为不同成分的金属样品在同步辐射光源下的成像。

具体实施方式

为了进一步对本发明进行论述，下面将结合其中Al-Cu合金熔体中的测量实例进行说明。

利用本发明在Al-Cu合金熔体中进行互扩散系数测量包含如下步骤：

步骤1、扩散样品制备及成像设备组装：

步骤1.1、利用真空熔炼炉制备成分分别为和的棒状合金样品S₁和S₂，并由棒状合金样品S₁和S₂能构成一维半无限大互扩散偶A、B分别表示一维半无限大扩散偶的组元，本例中，A，B分别表示Cu元素和Al元素，S₁为Al₇₀Cu₃₀样品，S₂为Al₈₀Cu₂₀样品；分别表示棒状合金样品S₁和S₂中A组元的原子百分比浓度，且与的原子百分比浓度差异为a个原子百分比，a∈[0,10]，本例中a＝10；以保证互扩散实验给出的结果为棒状合金样品S₁和S₂的平均成分Al₇₅Cu₂₅的互扩散系数；本实例中共用到2个成分的Al-Cu合金，成分分别为Al₇₀Cu₃₀和Al₈₀Cu₂₀。这些实例样品均由纯度为99.99％的Al和Cu原材料配制而成。配制完成后，需利用空熔炼炉吸铸为2mm的棒状样品，吸铸过程采用氩气保护，为了保证成分均匀，样品在真空熔炼炉内需至少熔炼5次。

步骤1.2、将棒状合金样品S₁和S₂的两端分别磨成平面，避免在扩散偶样品对接处出现气孔对实验测量造成影响，并放置在包含有加热电路和温控电路的扩散样品台上，本实例中所用扩散样品台为滑动剪切技术所对应的样品台，具体详情请见授权专利：201210105224.X和201210105060.0，需要说明的是次发明能方便的与其他技术，如长毛细管法及多层平动剪切法进行结合，相应的扩散样品台会发生改变，对于多层平动剪切法详情请参考授权专利201310153997.X及201310153038.8；从而形成扩散实验样品，图1a给出了本例中的扩散样品台示意图；

步骤1.3、将带有扩散实验样品的扩散样品台放入包含有真空系统和冷却系统的互扩散实验设备内，本例中所用的互扩散实验设备为合金熔体扩散设备，对于不同的测量技术其互扩散实验设备可能不尽相同，但根据本发明的技术方案及其发明构思进行替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内；互扩散实验设备侧壁上设置有前、后两处石英玻璃窗，便于同步辐射光通过样品后的成像的动态过程被CCD探测器，即X射线成像探测器接收，前、后两处石英玻璃窗的位置与扩散实验样品的位置保持在同一水平线上；

步骤1.4、将带有扩散实验样品的扩散样品台的互扩散实验设备至于同步辐射光源和X射线成像探测器之间，使得扩散实验样品、同步辐射光源、X射线成像探测器位于同一水平线上，结合步骤1.3易知实验过程中，同步辐射光源、前石英玻璃窗、扩散实验样品、后石英玻璃窗及X射线成像探测器都位于同一水平线上，这样能保证成像光路通畅。

步骤2、合金熔体扩散的同步辐射成像测定：

步骤2.1、利用真空系统将互扩散实验设备抽真空至所设定的真空度，本例中，为3·10^-3Pa；

步骤2.2、利用同步辐射光源中的X射线从前石英玻璃窗处照射至扩散实验样品；并利用扩散样品台的加热电路和温控电路将扩散实验样品加热至所设置的加热温度T，本例中，T＝983K；从而形成一维半无限大互扩散偶需要强调的是，在扩散实例是基于滑动剪切技术进行的互扩散实验，故扩散偶是在达到加热温度T后才对接形成，对于长毛细管法，其扩散样品在加热过程之前就已经形成对接；

步骤2.3、同步辐射光源中的X射线穿过一维半无限大互扩散偶从后石英玻璃窗处照射到X射线成像探测器，从而在X射线成像探测器上形成一维半无限大互扩散偶在同步辐射光源下的成像，如图1b所示；

步骤2.4、利用X射线成像探测器对成像进行数据和图像的采集，从而获得加热温度T下任意t时刻的X射线沿一维半无限大互扩散偶长度方向上的强度谱线I(x,t)；

步骤3、获得合金熔体的互扩散系数：

步骤3.1、根据强度谱线I(x,t)，利用Beer–Lambert定律获得任意t时刻下一维半无限大互扩散偶沿样品长度方向上的成分谱C(x,t)，关于Beer–Lambert定律的相关详情请参考：VanLoonJA.Analyticalatomicabsorptionspectroscopy:selectedmethods.Elsevier,2012；

步骤3.2、根据成分谱C(x,t)，利用式(1)获得加热温度T下的一维半无限大互扩散偶 $A_{C_A^{+\mathrm{\∞}}}{B}_{100-C_A^{+\mathrm{\∞}}}-A_{C_A^{-\mathrm{\∞}}}{B}_{100-C_A^{-\mathrm{\∞}}}$ 的互扩散系数D：

$C(x,t)=\frac{C_A^{+\mathrm{\∞}}+C_A^{-\mathrm{\∞}}}{2}+\frac{C_A^{+\mathrm{\∞}}-C_A^{-\mathrm{\∞}}}{2}erf\left(\frac{x-x_0}{\sqrt{4Dt}}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，erf()表示误差函数；x₀表示一维半无限大扩散偶在实验设置温度T下任意t时刻扩散界面的位置。如图1c所示，实线示意了本发明给出的扩散偶开始对接时刻的成分分布，虚线则示意了扩散中间t时刻的成分分布。

图2给出了3组合金熔体在X射线通过后在CCD探测器上的成像，对应的3组合金的成分自左向右分别为：Al₇₀Cu₃₀，Al₁₅Cu₈₅和Al₇₅Cu₂₅，由结果易知，Cu原子和Al原子对X射线的吸收能力相差较大，因此，可方便的根据CCD探测器上成像的强度谱线得出相应扩散偶的实时成分谱，并最终获得相应扩散体系的精确的互扩散数据。

综上，本发明能有效消除对流、加热及冷却过程中的扩散等因素对合金熔体互扩散测量的影响，从而获得精度很高的合金熔体互扩散系数，为合金熔体扩散过程的研究和发展提供精确的数据基础，无论是对相关理论的发展还是金属材料的应用都具有非常重要的意义。

Claims (1)

1.一种基于同步辐射成像的可视化合金熔体互扩散测量方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、扩散样品制备及成像设备组装：

步骤1.1、利用真空熔炼炉制备成分分别为的棒状合金样品S₁和S₂，并由所述棒状合金样品S₁和S₂能构成一维半无限大互扩散偶A、B分别表示所述一维半无限大扩散偶的组元；分别表示所述棒状合金样品S₁和S₂中A组元的原子百分比浓度，且与的原子百分比浓度差异为a个原子百分比；

步骤1.2、将所述棒状合金样品S₁和S₂的两端分别磨成平面，并放置在包含有加热电路和温控电路的扩散样品台上，从而形成扩散实验样品；

步骤1.3、将带有扩散实验样品的扩散样品台放入包含有真空系统和冷却系统的互扩散实验设备内；所述互扩散实验设备侧壁上设置有前、后两处石英玻璃窗，所述前、后两处石英玻璃窗的位置与所述扩散实验样品的位置保持在同一水平线上；

步骤1.4、将所述带有扩散实验样品的扩散样品台的互扩散实验设备至于同步辐射光源和X射线成像探测器之间，使得所述扩散实验样品、所述同步辐射光源、所述X射线成像探测器位于同一水平线上；

步骤2、合金熔体扩散的同步辐射成像测定：

步骤2.1、利用所述真空系统将所述互扩散实验设备抽真空至所设定的真空度；

步骤2.2、利用所述同步辐射光源中的X射线从前石英玻璃窗处照射至所述扩散实验样品；并利用所述扩散样品台的加热电路和温控电路将所述扩散实验样品加热至所设置的加热温度T；从而形成所述一维半无限大互扩散偶

步骤2.3、所述同步辐射光源中的X射线穿过所述一维半无限大互扩散偶从后石英玻璃窗处照射到所述X射线成像探测器，从而在所述X射线成像探测器上形成所述一维半无限大互扩散偶在同步辐射光源下的成像；

步骤2.4、利用所述X射线成像探测器对所述成像进行数据和图像的采集，从而获得所述加热温度T下任意t时刻的X射线沿所述一维半无限大互扩散偶长度方向上的强度谱线I(x,t)；

步骤3、获得合金熔体的互扩散系数：

步骤3.1、根据所述强度谱线I(x,t)，利用Beer–Lambert定律获得任意t时刻下所述一维半无限大互扩散偶沿样品长度方向上的成分谱C(x,t)；

步骤3.2、根据所述成分谱C(x,t)，利用式(1)获得所述加热温度T下的一维半无限大互扩散偶的互扩散系数D：

$C(x,t)=\frac{C_A^{+\mathrm{\∞}}+C_A^{-\mathrm{\∞}}}{2}+\frac{C_A^{+\mathrm{\∞}}-C_A^{-\mathrm{\∞}}}{2}erf\left(\frac{x-x_0}{\sqrt{4Dt}}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，erf()表示误差函数；x₀表示所述一维半无限大扩散偶在所述实验设置温度T下任意t时刻扩散界面的位置。