一种检测金属原子在非晶合金扩散深度的新方法与流程

本发明涉及测量金属原子在非晶合金中扩散系数技术领域，特别涉及一种检测金属原子在非晶合金扩散深度的新方法。

背景技术：

非晶合金具有结构均匀以及成分均匀的特性，无晶界、孪晶、晶格缺陷、位错、层错等结构缺陷的形成，因此具有非常好的弹性极限和较高的屈服强度，较高硬度和比强度，非常好的耐腐蚀性能和耐磨性，以及易加工成形等优良特性，是一种理想的高强度工程材料。但是非晶合金本身尺寸效应以及室温塑性差等方面的限制，阻碍了其作为工程结构材料等方面的应用。为了解决非晶合金尺寸效应及室温塑性差的限制，拓宽非晶合金工程化应用，大量的科研工作方法主要分为两类：一种方法是通过在非晶合金中引入第二相制备非晶合金基复合材料(包括内生复合和外加复合)；另一种方法是将非晶合金/非晶合金通过扩散连接的方法进行连接，或者将非晶合金/金属通过焊接的办法达到外部复合的效果。掌握不同原子在非晶合金中扩散机制，可帮助我们更好地理解非晶弛豫、脆化以及晶化现象，为非晶合金的潜在实际应用奠定理论基础。由于非晶合金内部无结构缺陷，因此原子在其内部扩散的距离较短，传统扩散检测方法不能满足要求。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种检测金属原子在非晶合金扩散深度的新方法，使金属原子与非晶合金最终达到原子级别的冶金结合，基体并保持非晶态，从而获得更为可靠准确的数据。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种检测金属原子在非晶合金扩散深度的新方法，包括以下步骤；

步骤一：扩散偶的制备：

扩散偶通过磁控溅射的方法制备，首先将非晶合金加工成φ5×1m的试样，切割过程中要加大冷却水的流量以减小此过程对非晶结构的影响防止晶化，将用于镀膜的圆截面用砂纸依次打磨到2000#砂纸并机械抛光，确保截面没有划痕后，在丙酮中进行超声波清洗和脱脂3～5min，彻底清除污垢后，放置于磁控溅射镀膜设备的真空炉中，完成金属镀膜；

步骤二：扩散退火热处理过程：

进行扩散退火热处理实验前，步骤一中得到的镀膜后的样品被密封在真空玻璃管内，以防止薄膜被氧化，当加热到非晶合金玻璃态/过冷液相区的某一温度值时进行保温，并防止非晶合金发生晶化，扩散退火热处理之后，试样快速冷却至室温；

步骤三：二次离子质谱检测：

采用二次离子质谱仪对金属/非晶合金扩散偶的原子分布情况进行分析，测试过程的真空度为10^-4pa，以能量为1kv离子源对样品进行逐层剥离，通过对二次离子的质量分析，获得样品表层元素成分及元素沿纵向深度的分布状态；

步骤四：原子扩散深度分析：

本实验中二次离子质谱仪分析后的溅射坑的深度是采用美国emerstuta台阶仪来测定，最后将tem结果相结合，获得不同原子在非晶合金中扩散浓度与深度的变化曲线；

步骤五：扩散系数的测定：

将离子强度与时间之间的关系曲线转化成离子强度与深度之间的曲线，最终可推算出扩散系数。

所述的步骤一真空炉中中真空度为10^-5pa。

所述的步骤二中真空玻璃管内真空度高于10^-4pa。

所述的步骤三中用o2⁺为本实验入射源。

所述的步骤五中，从微观上来讲，原子扩散现象是大量原子移动的统计结果，原子在均匀固体中的扩散系数可以通过fick第二定律来描述，

其中，c(x,t)为原子在x位置t时间的浓度。在扩散实验中，一般示踪原子通常为放射源同位素原子或是外来的杂质原子。在大多数扩散试验中，首先在样品表面沉积一层扩散示踪源(x＝0)，然后对其扩散退火，最后根据半无限长公式，获得原子浓度分布：

公式(2)为fick第二定律的薄膜解，即高斯解，为了获得离子强度与深度的关系曲线，假设剥层速率dx/dt＝x/t＝常数，则剥离深度与时间的关系式可表达为^[128]：

其中，t为剥离总时间，x(t)为剥离总深度，根据公式(4-3)可将离子强度与时间之间的关系曲线转化成离子强度与深度之间的曲线，由于比活度值与示踪原子浓度成正比，因此通过比活度的对数与深度的平方关系的斜率(m＝-(4dt)^-1)，来获得扩散系数。

本发明的有益效果：

1.利用磁控溅射的离子清洗功能完成非晶合金的表面杂质去除，使金属原子与非晶合金最终达到原子级别的冶金结合，基体并保持非晶态。

2.可以获得普通方法难以测量的原子在非晶合金中的扩散系数值，数据准确可靠，应用体系广泛。

本专利根据二次离子质谱工作原理，提出了一种将二次离子质谱、台阶仪与透射电镜相结合的方法来获得金属原子在非晶合金中扩散系数。该发明解决了现有方法中难以获得金属原子在非晶合金扩散系数的难题。

附图说明

图1为本发明提供的原子在非晶合金中扩散的原理示意图。

图2为本发明提供的ni/zr48cu36ag8al8非晶合金扩散深度曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示：

步骤一：扩散偶的制备：

扩散偶通过磁控溅射的方法制备，首先将非晶合金加工成φ5×1m的试样，切割过程中要加大冷却水的流量以减小此过程对非晶结构的影响防止晶化，将用于镀膜的圆截面用砂纸依次打磨到2000#砂纸并机械抛光，确保截面没有划痕后，在丙酮中进行超声波清洗和脱脂3～5min，彻底清除污垢后，放置于磁控溅射镀膜设备的真空炉中，完成金属镀膜；

步骤二：扩散退火热处理过程：

进行扩散退火热处理实验前，步骤一中得到的镀膜后的样品被密封在真空玻璃管内，以防止薄膜被氧化，当加热到非晶合金玻璃态/过冷液相区的某一温度值时进行保温，并防止非晶合金发生晶化，扩散退火热处理之后，试样快速冷却至室温；在每一步的过程中，都要求速度要快、真空度要好以降低原子扩散误差；

步骤三：二次离子质谱检测：

与传统金属相比，原子在块体非晶合金中的扩散距离较短，仅为几十纳米。由于二次离子质谱仪对元素测量浓度可达到百万分之一数量级，甚至十亿分之一数量级，并且其纵向分辨率可达到二至三个原子层，因此，本文采用二次离子质谱仪对金属/非晶合金扩散偶的原子分布情况进行分析，测试过程的真空度为10^-4pa，以能量为1kv离子源对样品进行逐层剥离，通过对二次离子的质量分析，获得样品表层元素成分及元素沿纵向深度的分布状态；从金属原子的本质特征来讲，为了提高正离子产额的准确性，o2⁺离子入射源是最合适的候选者，因此选择以o2⁺为本实验入射源；

步骤四：原子扩散深度分析：

本实验中二次离子质谱仪分析后的溅射坑的深度是采用美国emerstuta台阶仪来测定。最后将tem结果相结合，获得不同原子在非晶合金中扩散浓度与深度的变化曲线；如图2所示。

步骤五：扩散系数的测定：

将离子强度与时间之间的关系曲线转化成离子强度与深度之间的曲线，最终可推算出扩散系数。

所述的步骤一真空炉中中真空度为10^-5pa。

所述的步骤二中真空玻璃管内真空度高于10^-4pa。

所述的步骤三中用o2⁺为本实验入射源。

所述的步骤五中，从微观上来讲，原子扩散现象是大量原子移动的统计结果，原子在均匀固体中的扩散系数可以通过fick第二定律来描述，

其中，c(x,t)为原子在x位置t时间的浓度。在扩散实验中，一般示踪原子通常为放射源同位素原子或是外来的杂质原子。在大多数扩散试验中，首先在样品表面沉积一层扩散示踪源(x＝0)，然后对其扩散退火，最后根据半无限长公式，获得原子浓度分布：

公式(2)为fick第二定律的薄膜解，即高斯解，为了获得离子强度与深度的关系曲线，假设剥层速率dx/dt＝x/t＝常数，则剥离深度与时间的关系式可表达为^[128]：

其中，t为剥离总时间，x(t)为剥离总深度，根据公式(4-3)可将离子强度与时间之间的关系曲线转化成离子强度与深度之间的曲线，由于比活度值与示踪原子浓度成正比，因此通过比活度的对数与深度的平方关系的斜率(m＝-(4dt)^-1)，来获得扩散系数。

实施例1：

步骤一：扩散偶的制备：

将用于镀膜的圆截面用砂纸依次打磨到2000#砂纸并机械抛光，在丙酮中进行超声波清洗和脱脂3～5min共两次后，放置于磁控溅射镀膜设备的真空炉中，进行抽真空，完成对非晶态zr48cu36ag8al8合金表面进行镀ni，薄膜厚度大约为100nm，最终获得ni/zr48cu36ag8al8非晶合金扩散偶。

步骤二：扩散退火热处理过程：

将镀膜后的样品密封在真空玻璃管内，真空度为10^-4pa。当加热到zr48cu36ag8al8非晶合金玻璃转变区内683k进行保温60min。扩散退火热处理之后，试样快速冷却至室温。

步骤三：二次离子质谱(sims)检测：

采用现代飞行时间二次离子质谱仪(tof-sims)对ni/zr48cu36ag8al8非晶合金扩散偶的原子分布情况进行分析。测试过程的真空度为10^-4pa，以能量为1kv离子源对样品进行逐层剥离，选择以o2⁺为本实验入射源，获得ni原子在zr48cu36ag8al8非晶合金中的扩散界面。

步骤四：深度分析：

通过美国emerstuta台阶仪以及tem结果确定ni原子在zr48cu36ag8al8非晶合金中扩散深度为100nm。

步骤五：扩散系数的测定：根据公式(1-3)可将离子强度与时间之间的关系曲线转化成离子强度与深度之间的曲线，最终可推算出扩散系数d＝7.39*10^-20m²/s。

实施例2：

步骤一：扩散偶的制备：

将用于镀膜的圆截面用砂纸依次打磨到2000#砂纸并机械抛光，在丙酮中进行超声波清洗和脱脂3～5min共两次后，放置于磁控溅射镀膜设备的真空炉中，进行抽真空，完成对非晶态zr48cu36ag8al8合金表面进行镀si，薄膜厚度大约为100nm，最终获得si/zr48cu36ag8al8非晶合金扩散偶。

步骤二：扩散退火热处理过程：

将镀膜后的样品密封在真空玻璃管内，真空度为10^-4pa。当加热到zr48cu36ag8al8非晶合金玻璃转变区内703k进行保温20min。扩散退火热处理之后，试样快速冷却至室温。

步骤三：二次离子质谱(sims)检测：

采用现代飞行时间二次离子质谱仪(tof-sims)对si/zr48cu36ag8al8非晶合金扩散偶的原子分布情况进行分析。测试过程的真空度为10^-4pa，以能量为1kv离子源对样品进行逐层剥离，选择以o2⁺为本实验入射源，获得si原子在zr48cu36ag8al8非晶合金中的扩散界面。

步骤四：深度分析：

通过美国emerstuta台阶仪以及tem结果确定si原子在zr48cu36ag8al8非晶合金中扩散深度为100nm。

步骤五：扩散系数的测定：根据公式(1-3)可将离子强度与时间之间的关系曲线转化成离子强度与深度之间的曲线，最终可推算出扩散系数d＝4.85*10^-20m²/s。

实施例3：

步骤一：扩散偶的制备：

将用于镀膜的圆截面用砂纸依次打磨到2000#砂纸并机械抛光，在丙酮中进行超声波清洗和脱脂3～5min共两次后，放置于磁控溅射镀膜设备的真空炉中，进行抽真空，完成对非晶态zr48cu36ag8al8合金表面进行镀mo，薄膜厚度大约为100nm，最终获得mo/zr48cu36ag8al8非晶合金扩散偶。

步骤二：扩散退火热处理过程：

将镀膜后的样品密封在真空玻璃管内，真空度为10^-4pa。当加热到zr48cu36ag8al8非晶合金玻璃转变区内713k进行保温15min。扩散退火热处理之后，试样快速冷却至室温。

步骤三：二次离子质谱(sims)检测：

采用现代飞行时间二次离子质谱仪(tof-sims)对ni/zr48cu36ag8al8非晶合金扩散偶的原子分布情况进行分析。测试过程的真空度为10^-4pa，以能量为1kv离子源对样品进行逐层剥离，选择以o2⁺为本实验入射源，获得mo原子在zr48cu36ag8al8非晶合金中的扩散界面。

步骤四：深度分析：

通过美国emerstuta台阶仪以及tem结果确定mo原子在zr48cu36ag8al8非晶合金中扩散深度为100nm。

步骤五：扩散系数的测定：根据公式(1-3)可将离子强度与时间之间的关系曲线转化成离子强度与深度之间的曲线，最终可推算出扩散系数d＝3.21*10^-20m²/s。