王艷

摘 要：本文對(duì)液態(tài)金屬互擴(kuò)散系數(shù)的測量方法及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡要的歸納和比較，并對(duì)未來的研究方向做了展望。

關(guān)鍵詞：液態(tài)；金屬；互擴(kuò)散系數(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.245

0 引言

擴(kuò)散是金屬原子在液態(tài)時(shí)發(fā)生的質(zhì)量傳輸主要形式之一。研究液態(tài)金屬的擴(kuò)散在材料科學(xué)、冶金化學(xué)和流體物理學(xué)等諸多領(lǐng)域具有重要的意義，由于測量技術(shù)的限制而缺乏準(zhǔn)確的液態(tài)擴(kuò)散系數(shù)是阻礙液態(tài)金屬擴(kuò)散研究的主要因素。針對(duì)液態(tài)金屬互擴(kuò)散系數(shù)的測量，學(xué)者們進(jìn)行了很多研究，本文對(duì)目前的測量方法及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡要的歸納和比較，以期為相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究提供參考。

1 互擴(kuò)散系數(shù)測量技術(shù)

1.1 長毛細(xì)管法

長毛細(xì)管法又稱為擴(kuò)散偶法[1]，是將一毛細(xì)管上、下兩部分裝入成分不同的液態(tài)合金，然后將試樣迅速加熱至設(shè)定的溫度使試樣熔化發(fā)生擴(kuò)散，經(jīng)過一定時(shí)間恒溫?cái)U(kuò)散后，再迅速降溫至試樣完全凝固，即可根據(jù)溶質(zhì)濃度分布計(jì)算出擴(kuò)散系數(shù)。該方法思路簡單、操作方便，長毛細(xì)管法及其改進(jìn)曾一度被作為測量液態(tài)金屬擴(kuò)散系數(shù)的傳統(tǒng)方法。然而，兩擴(kuò)散偶樣品在加熱和冷卻階段都會(huì)發(fā)生原子擴(kuò)散；另外，由于金屬的密度不同，在接觸區(qū)域會(huì)受到對(duì)流的影響，因此，該方法測量誤差較大。

1.2 毛細(xì)管-熔池法

毛細(xì)管-熔池法是將一種液態(tài)金屬或合金放入毛細(xì)管內(nèi)，達(dá)到一定溫度后將其浸入裝有另一種液態(tài)金屬或合金的大熔池內(nèi)，經(jīng)過一段時(shí)間擴(kuò)散后將毛細(xì)管取出，待試樣冷卻凝固后，即可根據(jù)溶質(zhì)濃度分布計(jì)算出擴(kuò)散系數(shù)。該方法是測量液態(tài)金屬和合金擴(kuò)散系數(shù)最早的擴(kuò)散方法之一，其可有效的減少升溫階段中發(fā)生的熔化和原子擴(kuò)散過程，而且對(duì)外界擾動(dòng)反應(yīng)相對(duì)不靈敏。雖然其可明顯減少對(duì)流的影響，但測量偏差仍較大。

1.3 旋轉(zhuǎn)式剪切單元法

旋轉(zhuǎn)式剪切單元技術(shù)[2]的實(shí)驗(yàn)裝置是由相同形狀的同軸轉(zhuǎn)盤羅列而成，在每一層轉(zhuǎn)盤偏離中心的位置鉆有小孔，這些孔可形成長毛細(xì)管，兩種合金在擴(kuò)散前被分開放置，然后轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤形成擴(kuò)散偶，經(jīng)一段時(shí)間后，再次轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤使樣品分離，即可根據(jù)溶質(zhì)濃度分布計(jì)算出擴(kuò)散系數(shù)。該方法可消除升降溫過程中原子擴(kuò)散及材料凝固收縮的影響。然而，在擴(kuò)散開始和結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使金屬發(fā)生了攪拌，且很難保證對(duì)中，且實(shí)驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜不易操作。

1.4 滑動(dòng)剪切法

滑動(dòng)剪切法[3]是先將兩擴(kuò)散試樣分離，加熱至設(shè)定溫度并穩(wěn)定一段時(shí)間后，通過滑動(dòng)石墨塊的滑動(dòng)切去一種金屬試樣的一部分，將另一種試樣與第一種試樣對(duì)接形成擴(kuò)散偶，在設(shè)定時(shí)間擴(kuò)散后，通入高純氮?dú)饧涌炖鋮s過程，即可根據(jù)溶質(zhì)濃度分布計(jì)算出擴(kuò)散系數(shù)。該方法是基于傳統(tǒng)長毛細(xì)管技術(shù)改進(jìn)而來的測量技術(shù)。該技術(shù)可以消除升溫過程中原子擴(kuò)散的影響，因此通過此方法獲得特定溫度下的擴(kuò)散系數(shù)的準(zhǔn)確度顯著提高。然而，在擴(kuò)散開始和結(jié)束階段，由于滑動(dòng)塊的滑動(dòng)，該方法仍然存在液態(tài)金屬被攪拌的問題。此外，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多層平動(dòng)剪切技術(shù)[3]，保證了擴(kuò)散偶在擴(kuò)散過程中溫度均勻穩(wěn)定，因此，其測量準(zhǔn)確度進(jìn)一步提高。

1.5 原位測量法

原位測量法是利用X射線成像技術(shù)對(duì)擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、原位測量的技術(shù)。該方法采用將能持續(xù)發(fā)出同一強(qiáng)度X射線的X射線源及其成像裝置，與長毛細(xì)管裝置結(jié)合起來，對(duì)液態(tài)金屬的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行原位測量[4]。其原理是：X射線透過擴(kuò)散樣品被X射線平面探測器所接收，在樣品長度方向上會(huì)得到不同強(qiáng)度的像，將其轉(zhuǎn)化為某種元素沿樣品長度方向上的濃度分布，即可計(jì)算出擴(kuò)散系數(shù)。該方法可以消除加熱和冷卻過程中的擴(kuò)散以及熱膨脹等一系列因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，因而能夠非常精確地測量擴(kuò)散系數(shù)。然而，由于X射線會(huì)被這些重原子的金屬元素所吸收，因此該方法并不適用于測量高Z值元素的互擴(kuò)散系數(shù)。

1.6 微重力場法

微重力場法是在微重力場條件下采用常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)液態(tài)金屬的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行測量的技術(shù)。該方法可以有效減少對(duì)流對(duì)擴(kuò)散系數(shù)測量準(zhǔn)確性的影響。國外學(xué)者[5-6]在太空中利用旋切單元裝置和長毛細(xì)管裝置對(duì)金屬的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了測量，有效避免了重力的影響。然而，由于空間擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)場地的特殊性，實(shí)驗(yàn)不僅耗時(shí)，且成本較高。有學(xué)者的研究表明穩(wěn)恒磁場有抑制對(duì)流產(chǎn)生的作用，且磁場強(qiáng)度越強(qiáng)擴(kuò)散系數(shù)測量精度越高。可見，施加穩(wěn)恒磁場是代替微重力場的有效方法。

2 存在問題及展望

目前，液態(tài)金屬互擴(kuò)散系數(shù)測量方法的研究雖然已取得一定進(jìn)展，但仍存在測量結(jié)果準(zhǔn)確性不高的問題。因而，提高擴(kuò)散系數(shù)的測量精度仍然是學(xué)者們努力的方向。綜合上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)可知，研究新的測試裝置、提供大強(qiáng)度穩(wěn)恒磁場的實(shí)驗(yàn)環(huán)境及結(jié)合新的原位測量手段，或成為未來學(xué)者的研究方向。

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[4]Griesche A.， Zhang B.， Horbach J.， Meyer A. Atomic diffusion and its relation to thermodynamic forces in Al-Ni melts； proceedings of the Defect and Diffusion Forum， F， 2009[C]. Trans Tech Publ.