最近研究者建立了一种新的测量液态金属互扩散系数的技术——滑动剪切技术, 该技术避免了传统长管测量技术中升温过程对扩散测量的影响, 能够有效提高互扩散系数的测量精度.

跟研究相关的研究论文名为：“一种新的滑动剪切技术测量Al-Cu合金的互扩散系数”，发表于《中国科学: 物理学 力学 天文学》2014年第7期. 研究首先利用该技术测量了Al₈₅Cu₁₅-Al₇₅Cu₂₅扩散偶在液态时的互扩散系数, 在实验误差范围内得到了与先前采用先进的X-射线成像技术测量相一致的结果, 由合肥工业大学材料科学与工程学院张博教授担任通讯作者撰写.

液态金属互扩散系数是液态金属最重要物理参量之一, 也是金属材料设计与工业生产应用的必要参数. 由于液态金属的互扩散系数的缺乏, 扩散机制与理论尚不成熟, 很大程度上归结于测量液态互金属扩散系数技术的条件限制以及测量准确度低. 测量互扩散系数方法多种多样, 其中长管技术被人们所认可, 但由于其实验过程中存在着升温降温过程对扩散测量的影响, 以及凝固收缩等因素造成了较大的实验误差. 旋转式剪切单元技术为克服长管技术中的弊端, 将长管分割成为许多层片结构, 通过旋转移动这些层片, 可以将两扩散试样在液态时对接与分离(分别避免了升温和降温过程中的原子扩散对测量结果的影响), 但旋转式剪切单元加工、组装以及实验操作都相当困难.

该研究的创新之处在于通过比较简单的实验操作手段来避免了升温过程对扩散结果的影响. 该研究采用一种基于长管技术改进而来的测量技术(如图1): 首先将两扩散试样分离, 加热至设定温度并稳定一段时间后, 将两试样对接形成扩散偶, 从而避免升温过程对等温扩散的影响, 在经历了一定时间的扩散后, 通入高纯氮气加快冷却过程, 尽量减小降温过程对等温扩散过程的影响, 由于消除了升温过程中对原子扩散的影响, 原则上, 当实验操作条件能够很好的控制、没有温度梯度和其他干扰因素等, 通过此方法获得的特定等温温度下的液体金属扩散系数的准确性能够显著提高, 文中称之为“滑动剪切技术”, 该技术可以用于测量大多数二元及二元以上合金熔体的扩散系数.

图1  滑动剪切技术的工作原理图: (a) 等温扩散前扩散工作台内试样状态图; (b) 等温扩散实验开始后样品状态图

图2(a)为设计的扩散实验装置, 扩散台位于真空腔体中心处, 由两根陶瓷杆固定在不锈钢制成的固定架上, 此外, 在真空腔体侧壁上安装一个可活动的手动推杆, 用于推动扩散工作台的滑动块单元. 图2(b)为实验中使用的扩散工作台, 主要包括柱形固定台、长毛细管、滑动块、固定块和一些小柱塞, 各部分结构如图2(b)和1(a)所示. 由于石墨耐高温, 具有很好的传热性, 和易加工性, 故扩散台中的各个部位均由高纯石墨加工而成.

图2  (a) 真空腔体内扩散工作台的装配图, (b)扩散工作台结构图

该研究利用滑动剪切技术测量了Al₈₅Cu₁₅-Al₇₅Cu₂₅扩散偶在液态时的扩散系数. 在实际应用中, 进行了一系列不同扩散时间(其它条件保持不变)的扩散实验. 最终, 在扩散系数分析过程中, 基于菲克扩散定律(即在稳态扩散条件下, 扩散距离的平方与扩散时间成线形关系), 利用时间依赖的方法获得了更加可靠的原子扩散系数, 在实验误差范围内得到了与先前采用先进的X-射线成像技术测量的原子扩散系数相一致的结果.

文中进一步讨论了滑动剪切技术过程中存在的众多干扰因素, 如滑动剪切实验操作引起的对流、重力和扩散方向上温度梯度引起的浮力对流和由表面张力作用产生的对流等, 并认为该技术测量的误差也有可能存在较大的实验误差. 换句话说, 该技术虽然能够避免升温过程对等温扩散测量的影响, 但是在传统长管技术中存在的干扰因素依然存在. 因此, 要获得准确的熔体扩散系数, 在滑动剪切技术的基础上, 仍然需要严格控制各种干扰因素的影响.

原则上, 该研究给液态金属互扩散系数的测量提供了较可靠的技术条件, 有助于获得较精确的互扩散系数, 对人们理解液态金属的微观动力学行为以及它在金属材料液固转变过程中的作用有积极作用.

研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(批准号: 51322103)、国家自然科学基金面上项目(批准号: 51171055)和教育部新世纪优秀人才(编号: NECT-10-0419)项目资助.

相关原文:

耿永亮, 朱纯傲, 胡金亮, 张博. 一种新的滑动剪切技术测量Al-Cu合金的互扩散系数. 中国科学: 物理学力学天文学, 2014, 44(7): 728-736

http://phys.scichina.com:8083/sciG/CN/abstract/abstract514699.shtml 

朱纯傲, 耿永亮, 张博. 金属熔体扩散的研究进展. 中国科学: 物理学力学天文学, 2012, 42(6): 619-630