專利名稱：一種原子團簇過冷熔體凝固的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有特殊使用性能的各種新型金屬及合金材料越來越受到工業(yè)生產(chǎn)的青睞。這些特殊性能的獲得主要是通過改變材料的內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。因此近年來關(guān)于過冷熔體非平衡組織(如非晶相、準(zhǔn)晶相等)轉(zhuǎn)變及其相變動力學(xué)的研究異?；钴S，目的是控制相變過程和獲得理想的組織狀態(tài)。而其中的形核過程是這些研究的最根本點，因為它決定著最終的凝固組織組成。因此，如何控制形核過程無論對于形核理論研究還是對于工業(yè)生產(chǎn)都具有及其重要的意義。
為了研究和控制形核過程，德國科學(xué)家用“針觸發(fā)”技術(shù)，通過機械觸動方式誘發(fā)過冷熔體凝固。與熔體相接觸的特定的觸發(fā)針便成為誘導(dǎo)非自發(fā)形核的中心，以此來制取非平衡凝固組織。這無疑是一種頗具創(chuàng)造性的實驗思想，但尚存一些不足之處，機械觸發(fā)方法不可避免地伴隨著機械和熱的干擾作用，直接影響到過冷液相的形核過程和最終的凝固組織。
本發(fā)明的目的在于提供一種原子團簇觸發(fā)過冷溶體凝固的方法，該方法可避免機械和熱的干擾作用，向過冷金屬及合金樣品內(nèi)直接引入與晶核具有相同尺寸量級的原子團簇以誘發(fā)并控制形核過程，獲得所需凝固組織。
這種原子團簇觸發(fā)過冷熔體凝固的方法(見

圖1)，其要點是在真空或充滿保護(hù)氣體的固化室(15)內(nèi)，用懸浮裝置(16)將純凈樣品(18)懸浮起來；或在淺碟型坩堝底部放置一層合適的玻璃助熔劑以保證純凈樣品(18)與坩堝分離，采用電阻加熱、激光加熱等方法將純凈樣品熔化，然后冷卻，當(dāng)過冷到一定程度后，引入原子團簇觸發(fā)過冷樣品凝固，原子團簇可以采用離子束濺射、蒸發(fā)等方法產(chǎn)生。
本發(fā)明可用于控制凝固組織，獲得亞穩(wěn)相；探索由原子團簇引起的均質(zhì)形核與非均質(zhì)形核過程，進(jìn)行形核理論研究；與其他測試手段配合測定不同過冷度下熔體的熱物性質(zhì)。
附圖及實施例圖1原子團簇觸發(fā)過冷液相凝固原理示意2原子團簇觸發(fā)凝固實驗設(shè)備示意圖附圖2是本發(fā)明公開的一個實施例Ge73.7Ni26.3合金原子團簇觸發(fā)凝固實驗是在圖2所示的設(shè)備上進(jìn)行的，在圖2中，1真空室、2離子槍、3靶、4爐子、5樣品、6擋板、7Ar離子束、8原子團簇流、9爐壁、10加熱元件、11入射孔、12助熔劑、13坩堝、14熱電偶。它實際上是在多靶離子束濺射儀內(nèi)安裝了一個微型電阻加熱爐(1)。由靶槍(2)產(chǎn)生并經(jīng)加速了的Ar+離子束轟擊靶材，產(chǎn)生與靶材相對應(yīng)的原子團簇束(通過改變靶材的種類便可產(chǎn)生不同類型的原子團簇)。原子團簇經(jīng)入射孔被導(dǎo)引到正處于過冷狀態(tài)的合金液滴上，從而產(chǎn)生觸發(fā)作用。為避免樣品與葉臘石坩堝(13)直接接觸，在樣品(5)與坩堝(13)之間預(yù)先鋪上一層B2O3(12)，這樣可消除器壁所引起的非自發(fā)形核。為了準(zhǔn)確地控制溫度和記錄樣品的凝固細(xì)節(jié)，在樣品底部設(shè)置一付熱電偶(14)，其接點直接伸入到B203助熔劑(12)內(nèi)緊靠樣品(5)的下方，但與樣品(5)不相接觸。熱電偶(14)與X-Y函數(shù)記錄儀相聯(lián)，以記錄溫度隨時間的變化曲線。樣品首先以大約40K/mim的速度被加熱到1223K，保溫25分鐘后進(jìn)行冷卻，原子團簇是在冷卻過程中被引入的。結(jié)果表明，過冷到一定程度(973和943K)并保溫5分鐘后的Ge73.7Ni26.3合金樣品，經(jīng)離子束濺射而產(chǎn)生的Ni或Si原子團簇的觸發(fā)而發(fā)生了凝固。在連續(xù)冷卻過程中，從1073K開始向過冷樣品施以連續(xù)的原子團簇觸發(fā)，Ni、Cu和Si原子團簇誘發(fā)凝固開始溫度分別為975、987和1009K，配合原子團簇尺寸分析發(fā)現(xiàn)誘發(fā)初生相Ge的容易程度依次為Si、Ni和Cu，而未經(jīng)原子團簇觸發(fā)產(chǎn)生的凝固的起始溫度為904K。圖3為連續(xù)冷卻過程中經(jīng)Ni、Si原子團簇觸發(fā)及未經(jīng)任何觸發(fā)的凝固組織特征?？梢姡唇?jīng)觸發(fā)的凝固組織均勻；而經(jīng)Ni、Si原子團簇觸發(fā)的凝固組織中存在明顯的誘發(fā)凝固組織花樣。
權(quán)利要求
1．一種原子團簇觸發(fā)過冷熔體凝固的方法，其特征在于在真空或充滿保護(hù)氣體的固化室(1)內(nèi)，用懸浮裝置(2)將純凈樣品(4)懸浮起來；或在淺碟型坩堝底部放置一層合適的玻璃助熔劑以保證純凈樣品與坩堝分離，采用電阻加熱、激光加熱等方法將純凈樣品熔化，然后冷卻，當(dāng)過冷到一定程度后引入原子團簇觸發(fā)過冷樣品凝固。
2.一種原子團簇觸發(fā)過冷熔體凝固的方法，其特征在于引入的原子團簇可以采用離子束濺射、蒸發(fā)等方法產(chǎn)生。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。其要點是:在真空或充滿保護(hù)氣體的固化室(1)內(nèi),用懸浮裝置(2)將純凈樣品(4)懸浮起來;或在淺碟型坩堝底部放置一層合適的玻璃助熔劑以保證純凈樣品與坩堝分離,采用電阻加熱、激光加熱等方法將純凈樣品熔化,然后冷卻,當(dāng)過冷到一定程度后引入原子團簇觸發(fā)過冷樣品凝固。該方法可向過冷金屬及合金樣品直接引入與晶核具有相同尺寸量級的原子團簇以觸發(fā)并控制形核過程,獲得所需凝固組織。
文檔編號C22C45/00GK1232885SQ98107568
公開日1999年10月27日 申請日期1998年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月17日
發(fā)明者王文魁, 劉日平 申請人:燕山大學(xué)