液態金屬互擴散系數測定方法的分類及比較

王艷

摘 要：本文對液態金屬互擴散系數的測量方法及其優缺點進行了簡要的歸納和比較，并對未來的研究方向做了展望。

關鍵詞：液態；金屬；互擴散系數

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

0 引言

擴散是金屬原子在液態時發生的質量傳輸主要形式之一。研究液態金屬的擴散在材料科學、冶金化學和流體物理學等諸多領域具有重要的意義，由于測量技術的限制而缺乏準確的液態擴散系數是阻礙液態金屬擴散研究的主要因素。針對液態金屬互擴散系數的測量，學者們進行了很多研究，本文對目前的測量方法及其優缺點進行了簡要的歸納和比較，以期為相關實驗研究提供參考。

1 互擴散系數測量技術

1.1 長毛細管法

長毛細管法又稱為擴散偶法[1]，是將一毛細管上、下兩部分裝入成分不同的液態合金，然后將試樣迅速加熱至設定的溫度使試樣熔化發生擴散，經過一定時間恒溫擴散后，再迅速降溫至試樣完全凝固，即可根據溶質濃度分布計算出擴散系數。該方法思路簡單、操作方便，長毛細管法及其改進曾一度被作為測量液態金屬擴散系數的傳統方法。然而，兩擴散偶樣品在加熱和冷卻階段都會發生原子擴散；另外，由于金屬的密度不同，在接觸區域會受到對流的影響，因此，該方法測量誤差較大。

1.2 毛細管-熔池法

毛細管-熔池法是將一種液態金屬或合金放入毛細管內，達到一定溫度后將其浸入裝有另一種液態金屬或合金的大熔池內，經過一段時間擴散后將毛細管取出，待試樣冷卻凝固后，即可根據溶質濃度分布計算出擴散系數。該方法是測量液態金屬和合金擴散系數最早的擴散方法之一，其可有效的減少升溫階段中發生的熔化和原子擴散過程，而且對外界擾動反應相對不靈敏。雖然其可明顯減少對流的影響，但測量偏差仍較大。

1.3 旋轉式剪切單元法

旋轉式剪切單元技術[2]的實驗裝置是由相同形狀的同軸轉盤羅列而成，在每一層轉盤偏離中心的位置鉆有小孔，這些孔可形成長毛細管，兩種合金在擴散前被分開放置，然后轉動轉盤形成擴散偶，經一段時間后，再次轉動轉盤使樣品分離，即可根據溶質濃度分布計算出擴散系數。該方法可消除升降溫過程中原子擴散及材料凝固收縮的影響。然而，在擴散開始和結束時，轉盤的轉動使金屬發生了攪拌，且很難保證對中，且實驗設備復雜不易操作。

1.4 滑動剪切法

滑動剪切法[3]是先將兩擴散試樣分離，加熱至設定溫度并穩定一段時間后，通過滑動石墨塊的滑動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接形成擴散偶，在設定時間擴散后，通入高純氮氣加快冷卻過程，即可根據溶質濃度分布計算出擴散系數。該方法是基于傳統長毛細管技術改進而來的測量技術。該技術可以消除升溫過程中原子擴散的影響，因此通過此方法獲得特定溫度下的擴散系數的準確度顯著提高。然而，在擴散開始和結束階段，由于滑動塊的滑動，該方法仍然存在液態金屬被攪拌的問題。此外，在此基礎上發展起來的多層平動剪切技術[3]，保證了擴散偶在擴散過程中溫度均勻穩定，因此，其測量準確度進一步提高。

1.5 原位測量法

原位測量法是利用X射線成像技術對擴散系數進行實時、原位測量的技術。該方法采用將能持續發出同一強度X射線的X射線源及其成像裝置，與長毛細管裝置結合起來，對液態金屬的擴散系數進行原位測量[4]。其原理是：X射線透過擴散樣品被X射線平面探測器所接收，在樣品長度方向上會得到不同強度的像，將其轉化為某種元素沿樣品長度方向上的濃度分布，即可計算出擴散系數。該方法可以消除加熱和冷卻過程中的擴散以及熱膨脹等一系列因素對實驗結果的影響，因而能夠非常精確地測量擴散系數。然而，由于X射線會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值元素的互擴散系數。

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實驗裝置對液態金屬的擴散系數進行測量的技術。該方法可以有效減少對流對擴散系數測量準確性的影響。國外學者[5-6]在太空中利用旋切單元裝置和長毛細管裝置對金屬的擴散系數進行了測量，有效避免了重力的影響。然而，由于空間擴散實驗場地的特殊性，實驗不僅耗時，且成本較高。有學者的研究表明穩恒磁場有抑制對流產生的作用，且磁場強度越強擴散系數測量精度越高。可見，施加穩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，液態金屬互擴散系數測量方法的研究雖然已取得一定進展，但仍存在測量結果準確性不高的問題。因而，提高擴散系數的測量精度仍然是學者們努力的方向。綜合上述方法的優缺點可知，研究新的測試裝置、提供大強度穩恒磁場的實驗環境及結合新的原位測量手段，或成為未來學者的研究方向。

參考文獻：

[1]Faupel F.，Frank W.，Macht M.P.，Mehrer H.，V N.，Ratzke K.，et al. Diffusion in metallic glasses and supercooled melts[J]. Rev Mod Phs，2003，75（01）：237-280.

[2]Cahoon J.，Jiao Y.N.，Tandon K.，Chaturvedi M.Interdiffusion in liquid tin [J].J Phase Equilib Diff，2006，27（04）：325-332.

[3]耿永亮.金屬熔體擴散系數測量設備的設計[D].合肥：合肥工業大學，2014.

[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.