一种金属相变研究装置的制作方法

本发明属于金属凝固领域，具体涉及一种可同步进行光学照相和x-射线衍射照相及磁场、电流作用下dsc曲线测量的金属相变研究装置。

背景技术：

现代热分析是指测量在程序控制温度下，物质的物理性质与温度依赖关系的一类技术。研究人员可以利用热分析的方法了解物质本身的热物理性质随温度或时间的变化。如今热分析的方法已经广泛运用于凝聚态物理、热力学、新材料研发等领域。

差示扫描量热仪(dsc)是一种典型的热分析仪器。dsc是用来在温度程序控制下，测量输入到试样和参比物的功率差(或热流差)与温度的关系。通常，我们利用dsc可以进行如下几方面的研究：一、物质的玻璃化转变：在无定形聚合物在升温过程中会由玻璃态转变为高弹态的过程中会伴随着比热的变化。在dsc曲线上表现为基线高度的变化(即：曲线的拐折)。仔细分析此过程可以得到材料的玻璃化转变温度与比热变化程度。二、熔融：晶体的熔融属于一级相转变，晶体熔融时会从外界吸热。在dsc曲线上该过程会表现为明显的吸热峰，对dsc曲线的熔化吸热峰进行测定，可以得到熔点、熔融热焓等信息。三、结晶：与熔化过程相对应，结晶过程也属于一级相变，伴随着一个放热过程，在dsc曲线上该过程会表现为明显的放热峰，对dsc曲线的放热峰进行测定，能够测试晶体的结晶温度与结晶热焓，dsc也是研究样品在不同实验条件下的结晶温度最准确的测量方法。四、相转变温度：相变是材料在升降温过程中所产生的结构转变，其往往伴随着热量的变化。利用dsc能够精确地获得相转变热焓、相转变温度等信息。另外dsc还能够用来研究材料的氧化稳定性、比热、固化等方面的特性。

近年来，物理场作为一种新型高效的辅助手段，越来越广泛的被应用到金属凝固领域。磁场和电流作用下会显著影响金属的凝固过程，包括形核和生长过程。在进行dsc测试过程中施加磁场或电流处理可以直观的研究磁场电流作用下对金属凝固温度和形核过冷度的影响。

光学照相主要用于观察材料在升温降温过程中的形状尺寸变化、液-固润湿角变化。这对我们研究形核过程中的表面能变化有着重要意义。记录形状尺寸变化还可以用于研究材料的热膨胀率，记录液-固润湿角变化还可以用于研究液体对固体的浸润性。材料热膨胀率的测定对于研究材料的热稳定性都重要帮助，液-固润湿角变化的记录对于研究两种材料之间的焊接可靠性有着重要意义。

x射线衍射照相的原理是当x射线以特定的方向入射某晶体结构时，在其背面相机底片上会产生有规律分布的衍射斑点，相机的传感器负责记录下这些衍射斑点。我们利用晶体的衍射花样可以做如下几方面的研究：(一)由于没有任何两种的晶体物质会产生相同的衍射斑点花样，所以通过分析物质的衍射花样可以鉴别物质的化学成分以及物质的存在状态(即：可以知道某元素是以单质、化合物或同素异构体的形式存在)。(二)x射线衍射可以精准的确定晶体取向，获得晶体内部的微观结构信息。一般用劳埃法单晶定向，其根据是底片上的劳埃斑点转换的极射赤面投影与样品外坐标的极射赤面投影之间的位置关系。x射线衍射照相技术已经在材料、冶金领域得到广泛应用。

近年来，x射线原位观察已经在医学、新材料开发领域得到广泛运用。利用x射线的原位观察可以直观、准确的了解金属凝固过程中的组织转变、相转变。

如果能在测量dsc曲线的过程中，同步进行实时同步进行光学照相和x射线衍射照相，那对我们研究晶体的形核过程将会有重要意义。从dsc曲线的凝固峰测量出的结晶温度点相比于真实的形核温度点有滞后(即低于真实的形核温度)。这是因为dsc曲线出现结晶峰时，表明晶体内部大量晶胚集中形核，而不是开始形核。然而我们在研究晶体形核过程时，所需要得到的时晶体内部开始形核时的温度点。本申请就此作出了相关研究。

技术实现要素：

发明目的：为了解决传统技术中的不足之处，本发明提供了一种易于操作、并且测得数据准确可靠的，可同步进行光学照相和x-射线衍射照相及磁场作用下dsc曲线测量的装置。

技术方案：本发明所述的一种金属相变研究装置，创造性的集合了水平加热炉体系统、dsc系统、x-射线发生系统、x-射线衍射信号收集系统、光学照相系统、物理场处理系统、液淬系统、真空及充气系统以及数据采集记录系统；具体来说，包括：

炉体，所述炉体水平放置，由内向外依次为炉体腔、加热体、保温层、冷水腔以及炉壳，所述炉体腔外连气体流量计和真空泵；所述冷水腔外连冷水机；所述炉体横向一侧开口，开口侧设有炉盖，所述炉盖上连接一支撑架延伸至炉体腔内，所述支撑架自由端设置有dsc托盘，所述dsc托盘包括水平且等高的dsc参比传感器托盘和dsc样品传感器托盘，分别放置dsc参比传感器和dsc样品传感器；所述dsc样品传感器正上方设有贯通炉体的液淬系统；

所述炉盖开孔并安装铍窗口，所述铍窗口外安设x-射线衍射信号收集系统，相对的，所述炉体开口相对侧设有x-射线发生系统，所述x-射线发生系统由x-射线发生器和x-射线收束罩组成，其中，x-射线收束罩贯通炉体沿水平方向延伸至dsc样品传感器(使得该系统的射线方向沿水平方向，且经过dsc样品传感器)；所述dsc参比传感器、dsc样品传感器和x-射线衍射信号收集系统电连接至数据采集记录系统；

所述dsc样品传感器所在位置对应的炉体前后侧开设高温玻璃窗口，分别安设激光光源和光学高速摄像机；

所述炉体腔内，dsc样品传感器周围布置有电磁系统，所述电磁系统连接外加电源。

所述炉体横向一侧开口，所处开口处设有密封圈儿，能够使得炉盖盖合的时候保持炉体的密闭性。在满足上述结构的前提下，所述炉体的形状不做限定，但是一般选择圆柱形。所述炉体在炉盖盖合的情况下能够保持密封状态。

为了便于整个设备的稳定运行，将炉盖或者炉体之一固定设置，另一个通过安装导轨实现左右一定范围的滑动，从而实现传感器托盘上基片的填装和取出。

优选的，将所述炉盖固定位置，在所述炉体底部设置导轨，使得炉体可左右滑动0—40cm。基于所述液淬系统、x-射线发生系统、激光光源和光学高速摄像机均与炉体固定紧密连接，可以随炉体一并左右滑动，炉体滑至右侧露出传感器，此时能够填装基片，滑至最左侧炉盖紧密接触密封圈而使整个炉体被盖合封住，保持密闭状态，此状态下方可进行实验。

为了更便于x-射线衍射角度的选取，所述x-射线衍射信号收集系统能实现左右前后连续移动，移动范围均为0-40mm。为了更便于光学拍摄角度的选取，所述光学高速摄像机能实现左右前后连续移动，移动范围均为0-40mm。

液淬系统放置于样品上方放置，可实现样品的快速冷却，用于实时保留样品在某一凝固点的凝固组织。所述液淬系统的冷却速率范围100～10000℃/s，液淬介质可使用液氦、液氮、水淬、油淬等。

所述电磁系统的磁场为静磁场、交变磁场或脉冲磁场，电流是直流电、交变电流或脉冲电流。优选的，所述dsc托盘传感器位于电磁系统内部中心位置。

dsc样品托盘传感器和参考托盘传感器保持水平并处于同一高度，实验过程中两个dsc托盘上都分别放置了一片相同的基片，金属样品放置在样品托盘上的基片上。dsc传感器的材料选用铂金或铂-铑，所述dsc传感器采用s型热电偶，其差热量程为±10～±1000uv，差热灵敏度为0.01uv，dsc噪声为0.01uw。

实验过程中铂-铑托盘传感器能精准记录样品实时温度(精确到0.1℃)和相变焓值，并反馈给炉体实时控温系统适时调整炉体加热或冷却的功率，从而可以保证样品的升降温过程是严格按照程序设定运行。

所述炉体的实验温度范围为0—1600℃，升降温速率为0.1—30℃/s，炉体的温度分辨率为±0.1℃，温度精度为±0.3℃，最好为±0.1℃。所述冷水机水量大小为8-20l/min，温度范围为10-25℃。

通过真空泵抽气，炉体的最大真空度为5x10^-5pa，通过控制真空泵和气体流量计可实现对炉体进行抽气和充气操作，炉体可在真空环境(最低至5x10^-5pa)和充入各种保护气氛(如氩气和氮气)的条件下进行实验，准确测量真实形核温度点。

降温过程中，打开x射线发生装置，定向的x-射线通过炉体两边的铍窗口聚焦到金属样品上，随后调整x射线发射功率，使之穿透金属样品并产生x-射线衍射现象。同时，位于另一侧的高灵敏度x射线衍射信号收集装置可以实时收集x-射线衍射信号。这样就可以实现在金属降温过程中的dsc曲线、实时样品温度和x-射线衍射相片的同步采集。

所述x射线发生器发出的x-射线，电压为50～450kv，波长为0.001～10nm；所述x-射线衍射信号收集系统的采集频率为10-120帧/秒。所述激光光源发出的光线为he-ne激光，所述光学高速摄像机的采集频率为10-10000帧/秒，快速摄像机20像素为2000万。

上述未明确的系统或者设备可以为任何市场可购买实现相应功能的系统或设备；各个系统或者组件之间的连接关系以及固定方式可采用任何可行的现有技术实现。

所述金属相变研究装置在金属凝固研究中的应用也在本申请的保护范围内。

综上可见，本发明提供一种可在晶体凝固过程中同步进行光学照相和x-射线衍射照相及dsc曲线测量的装置，并可对凝固过程中的晶体样品施加磁场处理；该装置能长期在0℃到1600℃的温度范围内工作，可满足通过dsc测量大部分金属相变点的需要；并且易于操作，测得数据准确可靠。同时本装置采用的同步x-射线衍射照相法能实时记录晶体的x-射线衍射图像，当晶体被加热到熔融状态时，熔体内部的原子属于一个长程无序状态，反映在x-射线衍射照相底片上的是典型的非晶环，而当熔体的降温过程中，熔体中存在的许多短程有序的小原子团簇会团聚为长程有序的晶核，一旦熔体中出现这种长程有序的晶核，在x-射线衍射照相底片上就会出现晶体衍射斑点。这时我们记录的dsc测量温度就是晶体真实的开始形核温度，同时通过衍射斑点我们还能确定到底是过冷熔体中的哪个晶面最先完成长程有序，这对我们研究晶体的形核过程有着重要的帮助。

有益效果：相比较于传统的差示扫描量热仪，本发明成功解决了从dsc曲线的凝固峰测量出的结晶温度点相比于真实的形核温度点有滞后(即低于真实的形核温度)的问题，可以利用x-射线衍射照相技术判断晶体凝固时最先形核的晶面，还可利用光学照相系统研究凝固过程中样品尺寸和液-固润湿角的变化，对研究晶体形核过程提供重要帮助。同时可实时观察凝固过程以及凝固组织形貌，并可用于研究电磁场作用下的凝固研究，对研究晶体形核过程和外场下的凝固有重要意义。

附图说明

图1为本申请装置的结构示意图；

图2为本申请装置的结构示意图，其中炉体为剖视图；

图3为炉体俯视剖视图。

图中：1.冷水机，2.密封圈，3.保温层，4.加热体，5.气体流量计，6.x-射线收束罩，7.x-射线发生器，8.数据采集记录系统，9.x-射线衍射信号收集系统，10.铍窗口，11.炉盖，12.dsc参比传感器托盘，13.dsc样品传感器托盘，14.滑轨，15.真空泵，16.炉壳，17.电磁系统，18.液淬系统，19.激光光源，20.光学高速摄像机，21.高温玻璃窗口，22.高温玻璃窗口，23.炉体，24.固定架，25.托盘支撑架，炉体腔26，冷水腔27。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本申请作出详说明。

实施例

如图1所示的金属相变研究装置，包括：水平放置的圆柱形炉体23，结合图2和图3的炉体剖视图，炉体23由内向外依次为炉体腔26、加热体4、保温层3、冷水腔27以及炉壳16，炉体腔26外连气体流量计5和真空泵15实现炉体腔26内的真空度调节，并且可以充入各种保护气氛(如氩气和氮气)，构建不同气氛的实验条件；冷水腔27外连冷水机1；炉体23水平放置，横向一侧开口，开口处设有密封圈2，开口侧设有炉盖11，使得炉盖盖合时保持密闭，炉盖11上连接一托盘支撑架25延伸至炉体腔26内，托盘支撑架25自由端设置dsc托盘，所述dsc托盘包括水平且等高的dsc参比传感器托盘12和dsc样品传感器托盘13，分别放置dsc参比传感器和dsc样品传感器；所述dsc样品传感器正上方设有贯通炉体的液淬系统18，可实现放置在dsc样品传感器上样品的快速冷却，用于实时保留样品在某一凝固点的凝固组织。

上述炉盖11开孔并安装铍窗口10，铍窗口10外安设高灵敏度x-射线衍射信号收集系统9，相对的，炉体23开口相对侧设有x-射线发生系统，由x-射线发生器7和x-射线收束罩6组成，其中，x-射线收束罩6贯通炉体沿水平方向延伸至dsc样品传感器；所述dsc参比传感器、dsc样品传感器和x-射线衍射信号收集系统9电连接至数据采集记录系统8；dsc样品传感器所在位置对应的炉体前后侧开设高温玻璃窗口(21、22)，分别安设激光光源19和光学高速摄像机20；炉体腔26内，dsc样品传感器周围还布置有电磁系统17，并且使得dsc样品传感器位于电磁系统的中心位置，所述电磁系统连接电源。

具体的，炉盖11固定在固定架24上，炉体23和固定架24之间设置有滑轨14，使得炉体23可左右滑动0—40cm，基于,液淬系统18、x-射线发生器7与炉体23固定紧密连接，可以随炉体23一并左右滑动，炉体23滑至右侧露出传感器，此时能够填装基片，滑至最左侧炉盖11紧密接触密封圈2而使整个炉体被盖合封住，保持密闭状态，此状态下方可进行实验。x-射线衍射信号收集系统9能实现左右前后连续移动，移动范围均为0-40mm；光学高速摄像机20能实现左右前后连续移动，移动范围均为0-40mm。

上述未明确的系统或者设备可以为任何市场可购买实现相应功能的系统或设备；各个系统或者组件之间的连接关系以及固定方式可采用任何可行的现有技术实现。

上述装置用于金属凝固分析应用，设备参数如下：液淬系统18的冷却速率范围100～10000℃/s，液淬介质可使用液氦、液氮、水淬、油淬等；电磁系统17的磁场为静磁场、交变磁场或脉冲磁场，电流是直流电、交变电流或脉冲电流。dsc传感器的材料选用铂金或铂-铑，所述dsc传感器采用s型热电偶，其差热量程为±10～±1000uv，差热灵敏度为0.01uv，dsc噪声为0.01uw。炉体的实验温度范围为0—1600℃，升降温速率为0.1—30℃/s，炉体的温度分辨率为±0.1℃，温度精度为±0.3℃，最好为±0.1℃。所述冷水机水量大小为8-20l/min，温度范围为10-25℃。炉体的最大真空度为5x10^-5pa。x射线发生器发出的x-射线，电压为50～450kv，波长为0.001～10nm；所述x-射线衍射信号收集系统的采集频率为10-120帧/秒。所述激光光源发出的光线为he-ne激光，所述光学高速摄像机的采集频率为10-10000帧/秒，快速摄像机20像素为2000万。

将上述装置应用于金属凝固分析时，包括以下步骤：实验前打开冷水机并检查冷却水位，将炉体移动至最右侧直至dsc传感器裸露。分别在dsc样品传感器和参比传感器上放置基片，随后在样品传感器的基片上放置好样品。将炉体沿滑轨向左移动直至与炉盖闭合，随后开启分子泵机组将炉体内的气压抽至5*10-5pa。接着设置升降温程序，打开数据记录系统并开始升温。随着炉体的升温，样品会发生熔化。达到指定加热温度后，炉体开始根据预设的降温速率降温。在降温过程中打开x-射线发生装置和x-射线衍射信号收集装置，开始记录x-射线衍射信号和拍摄衍射照片。同时，可以打开光学相机和激光光源，记录降温过程中样品形状的变化，特别是接触角的变化。当样品温度降至高于高于样品熔点30～50℃时，打开物理场处理系统，对样品进行磁场或电流处理，直至dsc曲线出现完整的凝固放热峰。

实验例

利用实施例所示装置，完成针对高纯铝所做的实验，其实验情况及结果叙述如下：

打开冷水机，将两片取向为(0001)的圆片形al2o3单晶片(大小为φ8x0.5)分别放在dsc样品传感器托盘和dsc参比传感器托盘上，然后将重1克的高纯铝块放入到位于dsc样品传感器托盘的al2o3单晶片上，并密闭炉体。用真空泵抽炉体中的空气，然后让高纯氩气从炉体进气管中流入炉体，再打开真空泵抽出炉内的气体，反复洗炉3次后，让高纯氩气不断地从炉体进气管流入，并以相同的流速排到室外，保持炉体内为常压，待气流稳定后，启动设定程序让炉体以20℃/min的速率升温至800℃，并保温5min。保温时间结束后，炉体开始以20℃/min的速率降温，在降温过程中可以选择对样品施加磁场处理(静磁场、脉冲磁场、交变磁场等)，待降至样品凝固时dsc曲线产生放热峰，放热峰的位置、大小和形状反映了样品的凝固相变点等物化参数。同时，在降温过程中打开x-射线发生装置和高灵敏x-射线衍射收集装置，实时记录的样品x-射线衍射图像，熔融状态的al样品的衍射图像呈环状；而一旦当样品内发生形核行为时，样品的衍射图像就会呈现清晰的规则的斑点状，此时dsc样品传感器托盘所记录的温度就是al样品真实的形核温度，并对衍射斑点进行比对分析可以确定al样品中最先形核的晶面。在实验过程在可以打开光学照相系统，记录实验过程中的样品形状大小的变化和液-固润湿角的变化。