液态金属互扩散系数测定方法的分类及比较

王艳

摘 要：本文对液态金属互扩散系数的测量方法及其优缺点进行了简要的归纳和比较，并对未来的研究方向做了展望。

关键词：液态；金属；互扩散系数

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

0 引言

扩散是金属原子在液态时发生的质量传输主要形式之一。研究液态金属的扩散在材料科学、冶金化学和流体物理学等诸多领域具有重要的意义，由于测量技术的限制而缺乏准确的液态扩散系数是阻碍液态金属扩散研究的主要因素。针对液态金属互扩散系数的测量，学者们进行了很多研究，本文对目前的测量方法及其优缺点进行了简要的归纳和比较，以期为相关实验研究提供参考。

1 互扩散系数测量技术

1.1 长毛细管法

长毛细管法又称为扩散偶法[1]，是将一毛细管上、下两部分装入成分不同的液态合金，然后将试样迅速加热至设定的温度使试样熔化发生扩散，经过一定时间恒温扩散后，再迅速降温至试样完全凝固，即可根据溶质浓度分布计算出扩散系数。该方法思路简单、操作方便，长毛细管法及其改进曾一度被作为测量液态金属扩散系数的传统方法。然而，两扩散偶样品在加热和冷却阶段都会发生原子扩散；另外，由于金属的密度不同，在接触区域会受到对流的影响，因此，该方法测量误差较大。

1.2 毛细管-熔池法

毛细管-熔池法是将一种液态金属或合金放入毛细管内，达到一定温度后将其浸入装有另一种液态金属或合金的大熔池内，经过一段时间扩散后将毛细管取出，待试样冷却凝固后，即可根据溶质浓度分布计算出扩散系数。该方法是测量液态金属和合金扩散系数最早的扩散方法之一，其可有效的减少升温阶段中发生的熔化和原子扩散过程，而且对外界扰动反应相对不灵敏。虽然其可明显减少对流的影响，但测量偏差仍较大。

1.3 旋转式剪切单元法

旋转式剪切单元技术[2]的实验装置是由相同形状的同轴转盘罗列而成，在每一层转盘偏离中心的位置钻有小孔，这些孔可形成长毛细管，两种合金在扩散前被分开放置，然后转动转盘形成扩散偶，经一段时间后，再次转动转盘使样品分离，即可根据溶质浓度分布计算出扩散系数。该方法可消除升降温过程中原子扩散及材料凝固收缩的影响。然而，在扩散开始和结束时，转盘的转动使金属发生了搅拌，且很难保证对中，且实验设备复杂不易操作。

1.4 滑动剪切法

滑动剪切法[3]是先将两扩散试样分离，加热至设定温度并稳定一段时间后，通过滑动石墨块的滑动切去一种金属试样的一部分，将另一种试样与第一种试样对接形成扩散偶，在设定时间扩散后，通入高纯氮气加快冷却过程，即可根据溶质浓度分布计算出扩散系数。该方法是基于传统长毛细管技术改进而来的测量技术。该技术可以消除升温过程中原子扩散的影响，因此通过此方法获得特定温度下的扩散系数的准确度显著提高。然而，在扩散开始和结束阶段，由于滑动块的滑动，该方法仍然存在液态金属被搅拌的问题。此外，在此基础上发展起来的多层平动剪切技术[3]，保证了扩散偶在扩散过程中温度均匀稳定，因此，其测量准确度进一步提高。

1.5 原位测量法

原位测量法是利用X射线成像技术对扩散系数进行实时、原位测量的技术。该方法采用将能持续发出同一强度X射线的X射线源及其成像装置，与长毛细管装置结合起来，对液态金属的扩散系数进行原位测量[4]。其原理是：X射线透过扩散样品被X射线平面探测器所接收，在样品长度方向上会得到不同强度的像，将其转化为某种元素沿样品长度方向上的浓度分布，即可计算出扩散系数。该方法可以消除加热和冷却过程中的扩散以及热膨胀等一系列因素对实验结果的影响，因而能够非常精确地测量扩散系数。然而，由于X射线会被这些重原子的金属元素所吸收，因此该方法并不适用于测量高Z值元素的互扩散系数。

1.6 微重力场法

微重力场法是在微重力场条件下采用常规实验装置对液态金属的扩散系数进行测量的技术。该方法可以有效减少对流对扩散系数测量准确性的影响。国外学者[5-6]在太空中利用旋切单元装置和长毛细管装置对金属的扩散系数进行了测量，有效避免了重力的影响。然而，由于空间扩散实验场地的特殊性，实验不仅耗时，且成本较高。有学者的研究表明稳恒磁场有抑制对流产生的作用，且磁场强度越强扩散系数测量精度越高。可见，施加稳恒磁场是代替微重力场的有效方法。

2 存在问题及展望

目前，液态金属互扩散系数测量方法的研究虽然已取得一定进展，但仍存在测量结果准确性不高的问题。因而，提高扩散系数的测量精度仍然是学者们努力的方向。综合上述方法的优缺点可知，研究新的测试装置、提供大强度稳恒磁场的实验环境及结合新的原位测量手段，或成为未来学者的研究方向。

参考文献：

[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.金属熔体扩散系数测量设备的设计[D].合肥：合肥工业大学，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.