一种消除冷却过程影响的互扩散系数测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及合金熔体互扩散领域，具体地说是一种利用扩散长度随时间的依赖消 除冷却过程的扩散，获得互扩散系数，提高互扩散系数测量精度的方法。
【背景技术】
[0002] 扩散作为合金熔体内一种重要的动力学现象，对熔体内众多传质过程具有显著的 影响，如熔体的凝固结晶过程中，溶质扩散系数的大小直接决定了凝固组织的成分分布、生 长方式及微观形貌。尽管相对于固态合金的扩散，合金熔体一般要快2~3个数量级，但是与 化学反应速率相比又非常缓慢，因此，熔体的扩散又往往是化学反应的重要限制因素。在理 论计算方面，熔体的扩散不仅是计算机模拟的一个重要的输入参数和模拟结果的重要检验 标准，而且是建立熔体结构、动力学模型，发展和验证新的理论必不可少的数据来源。目前， 液体金属和合金的扩散理论还很不完善，其根本原因除了熔体的结构复杂、扩散系数数据 库量不足外，另一个重要的原因就是已有的扩散系数的测量精度不高，如何获得高精度的 扩散系数也成为众多学者和专家关注的焦点。
[0003] 实验上，获得高精度的熔体互扩散系数仍然具有许多困难，特别是对于传统的长 毛细管法，由于加热过程和冷却过程中存在扩散等因素的影响，其误差范围能达到50%~ 100%。对于测量精确的切单元法，由于结构复杂，操作繁琐而无法大量进行互扩散实验。在 传统长毛细管法和切单元法的基础之上，本课题组自主研发出了进行合金熔体互扩散测量 的设备及相应的滑动剪切法，相对于传统的长毛细管法，它能有效避免加热过程中扩散的 影响，故误差显著降低，测量精度更高；同时相较切单元法，它的设备操作简单，成本低廉， 因此有利于进行大量的互扩散测量，但是对于降温过程扩散的影响却无法避免。毫无疑问， 降温过程对实验的测量精度具有一定的影响，已有的一些实验结果也表明了此点，特别是 对于等温扩散时间较短时，这种影响更加显著。
[0004] 精确的互扩散系数不仅是构建合金熔体互扩散数据库、创建新的熔体扩散理论、 进行计算机模拟计算的基础，而且是揭示、表征和解释液-液转变、液-固转变等熔体动力学 现象的重要参数。此外，无论是传统的金属材料还是金属玻璃、高熵合金等新兴材料，精确 的互扩散系数对于材料的成型控制、工艺设计、成分设计、缺陷预防及结构转变等过程都具 有极其重要的指导作用。因此，为了更进一步在操作简单的滑动剪切技术基础上提高互扩 散实验的测量精度，快速、大量地获得精确的互扩散数据，必须合理地修正冷却过程扩散对 整体互扩散过程的影响。
【发明内容】
[0005] 本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提出一种消除冷却过程影响的互扩 散系数测量方法，以期能在操作简单的滑动剪切技术基础上，准确、合理地消除冷却过程扩 散的影响，提高互扩散实验的测量精度，从而能得到精确的互扩散数据，为合金熔体互扩散 数据库的建立，相关合金熔体领域的发展及金属材料的设计和应用做出贡献。
[0006 ]本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0007] 本发明一种消除冷却过程影响的互扩散系数测量方法的特点是按如下步骤进行：
[0008] 步骤1、在所设定的扩散温度T下，利用互扩散设备对合金熔体的一维半无限大扩 散偶+分别进行Μ次等温扩散实验，获得等温扩散时间分别为乜， t2,…，tm，…，tM的成分谱C(tl)，C(t2)，…，C(tm)，…，C(tM) ;tm表示所述一维半无限大扩散偶 在所述扩散温度τ下第m个等温扩散时间；1 < M;C(tm)表示所述 一维半无限大扩散偶在第m个等温扩散时间t m的成分谱，并有
表示所述一维半无限 大扩散偶-475iwj<7在第m个等温扩散时间U的第4位置上的浓度;N m表示所 述一维半无限大扩散偶一47 在所述扩散温度τ下的第m次等温扩散实验 中测量成分点的个数；1 <nmd;A、B分别表示所述一维半无限大扩散偶的组元； C7、： CV分别表示所述一维半无限大扩散偶在+~位置上和-~位置上A组元的原子百分 比浓度，
[0010]步骤2、利用式（1)获得所述一维半无限大扩散偶4Τβ跡⑦-在所述扩 散温度Τ下第m次等温扩散实验的互扩散系数0"，从而获得Μ次不同等温扩散时间下的互扩 散系数Di，D2，···，Dm···，Dm:
[0012] 式（1)中，C(x，tm)表示所述一维半无限大扩散偶』e S,u"_cr - 4丫4?<在第m个 等温扩散时间U的第X位置上的浓度；#表示所述一维半无限大扩散偶 在所述扩散温度Τ下第m次等温扩散实验中扩散界面的位置;erf〇表示误差函数；
[0013] 步骤3、利用式⑵获得所述一维半无限大扩散偶4:r -令.在所述扩 散温度T下第m次等温扩散实验的扩散长度Lm，从而获得Μ次不同等温扩散时间下的扩散长 度 Ll，L2，…，Lm···，Lm :
[0014] 4=· (2)
[0015] 步骤4、利用式(3)对式(2)中的4Dmtm进行分解：
[0016] 4DJm=Aa：tm+ADjm (3)
[0017] 式⑶中，Sf表示所述一维半无限大扩散偶- 4^今《<在所述扩散 温度T下第m次互扩散实验中等温扩散过程的互扩散系数；瓦表示所述一维半无限大扩散 偶-义 7 Αι?τ在扩散温度T下第m次互扩散实验中降温扩散过程的平均互扩散 系数，表示第m次互扩散实验中从所述扩散温度T降到室温所经历的降温时间；
[0018] 步骤5、将所述等温扩散过程的互扩散系数Df记为D;将所述降温扩散过程的平均 互扩散系数豆"和降温时间〖、分别记为S和V ;则式(3)改写为：
[0019] 4Djm=4Dtm+4Df (4)
[0020] 步骤6、根据式(2)和(4)获得如式(5)所示的扩散长度L与等温扩散时间t的函数表 达式L2(t):
[0021 ] Lr{t) = ADt + ADi' (5)
[0022] 步骤7、利用式(6)获得等温扩散时间t = 0时刻的函数表达式?Λ〇):
[0023] l}(^) = ADt' (6)
[0024] 步骤8、将式(6)代入式(5)获得式(7):
[0025] L2(t)=4Dt+L2(0) (7)
[0026] 步骤9、对式(7)进行拟合，从而获得所述一维半无限大扩散偶 在所述扩散温度Τ下第m次等温扩散实验中等温扩散过程的互扩散系数D和等温扩散时间t =〇时刻的扩散长度L(0)。
[0027] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0028] 1、本发明是以滑动剪切技术为基础，相较于结构复杂的切单元法，本发明实验设 备的搭建简单，易于实现，成本低廉，利于进行长期、大量的进行互扩散系数的测量；同时本 发明的实验操作远较操作繁琐的切单元法方便，测量实验易于进行，便于进行推广和应用。
[0029] 2、本发明在滑动剪切技术基础之上，通过对同一扩散偶成分在同一扩散温度下进 行至少三次以上不同等温扩散时间的互扩散实验获得相应的扩散成分谱，利用所测量的扩 散成分谱，获得相应的扩散成分谱;通过扩散长度随时间的依赖关系，能合理、有效地将熔 体冷却过程的扩散和熔体等温过程的扩散进行分离，得到相应扩散偶在相应温度下互扩散 系数；因此，本发明克服了传统长毛细管法和一般滑动剪切法无法消除冷却过程扩散的影 响的缺点，能方便、快捷地获得精确的互扩散系数，从而显著提高了互扩散系数测量精度。
[0030] 3、本发明具有很好的通用性，除了与滑动剪切法结合外，理论上，还可与传统的长 毛细管法进行结合，在规范的操作、精确的测量等前提下，消除加热和冷却两个过程扩散的 影响，大大提高该方法的互扩散系数测量精度。
【附图说明】
[0031 ]图1为本发明实施例扩散偶AI75CU25-AI65CU35中Cu兀素的成分谱图；
[0032]图2为本发明实施例扩散偶Al75Cu25_Al65Cu 35中扩散长度和结果图。
【具体实施方式】
[0033]为了对本发明做进一步的论述，下面将结合扩散偶A175Cu25-A165Cu 35的扩散行为进 行具体说明。根据所选择的扩散偶成分，查阅Al-Cu二元合金相图，根据液相线温度，确定实 验的等温扩散温度，本例中为1023K。配制扩散偶成分的扩散试样，本实例中样品所用原材 料为纯度99.99%的A1和Cu。利用真空熔炼炉吸铸直径为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。
[0034] 利用本发明进行求解扩散偶Al75Cu25_Al65Cu35在1023K时的互扩散系数包括如下步 骤：
[0035] 步骤1、在所设定的扩散温度T下，利用能够使用滑动剪切技术（授权专利 201210105224.X)测量熔体互扩散系数的互扩散设备对合金熔体的一维半无限大扩散偶
分别进行Μ次等温扩散实验，获得等温扩散时间分别为t^ts，…， U，···，tM的成分谱C(ti)，C(t2)，…，C(U)，…，C(tM)，本实例中，T= 1023K;互扩散实验在合 金熔体扩散设备(授权专利201210105060.0)上完成，在进行扩散实验前，将样品打磨至直 径为1.5mm。实验过程中，扩散台的上下温差控制在±3Κ以内。对实验后的样品进行切割、打 磨至中间位置，然后利用能谱扫描确定扩散偶样品沿长度X方向的成分谱。U表示一维半无 限大扩散偶一 在扩散温度Τ下第m个等温扩散时间;Μ表示扩散偶在扩 散温度Τ下进行互扩散实验的总次数，1 < m < Μ，本实例中M = 4，ti = 480s，t2 = 600s，t3 = 720s，t4 = 840s;C(tm)表示一维半无限大扩散偶4丫5iw_qr -4/在第m个等温扩散 时间仏的成分谱，并有 C(U = {C(Af，，,")，C(x;V,"),…，c(x;:y,,,)，…，C(缇^ 扩散偶A175Cu25-A165Cu35在T=1023K等温扩散t 3 = 720s后获得的Cu元素的扩散成分谱C(t3) 如图1所示；表示一维半无限大扩散偶在第m个等温扩散 时间U的第<位置上的浓度，本实例中A)如图1中的圆点所