專利名稱：強磁場液態(tài)金屬擴散裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種在強磁場下使用的液態(tài)金屬擴散裝置，屬于材料物性參數(shù)測量 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
液態(tài)金屬中溶質(zhì)原子的擴散是一個重要物質(zhì)傳輸過程，它影響著凝固組織，晶體 生長等材料制備過程中的許多方面，獲取液態(tài)金屬中溶質(zhì)原子的精確擴散系數(shù)對于建 立液態(tài)金屬各種理論模型，理解各種液態(tài)金屬現(xiàn)象有著非常重要的意義。然而，由于 熔體中不可避免的存在溫度梯度和濃度梯度，這些因素會引起熔體對流，從而引起附 加的溶質(zhì)原子擴散。由于溶質(zhì)原子擴散速度很小，對流的存在會造成擴散系數(shù)偏差很 大，也正是因為沒有可靠的實驗數(shù)據(jù)，多年來，液態(tài)金屬擴散理論的進展十分緩慢。 因此，為了盡可能的減少液態(tài)金屬的對流，得到精確的液態(tài)金屬擴散系數(shù)，很多擴散 實驗都在太空的微重力環(huán)境下進行，但這種方法成本極高，實驗受到極大的限制。磁 場能夠抑制導(dǎo)電流體的運動，這為液態(tài)金屬擴散系數(shù)的測量提供了一種新的方法，即 利用強磁場抑制導(dǎo)電流體的運動以降低流體運動對溶質(zhì)原子擴散的影響，從而獲得更 精確的液態(tài)金屬擴散系數(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種在強磁場下進行液態(tài)金屬擴散實驗的裝置。 實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)方案如下
一種強磁場液態(tài)金屬擴散裝置，由不銹鋼密封蓋(1)、不銹鋼密封圈(2)、石英
玻璃管(3)、剛玉蓋(4)、剛玉支撐片(5)、電極(6)、鉑銠加熱絲(7)、剛玉底座 (8)、進氣口 (9)、氟橡膠密封圈(10)、氮化硼爐蓋(11)、氮化硼均熱體(12)、 毛細管(13)、擴散偶(14)、雙繞線氮化硼加熱體(15)、剛玉管(16)、出氣口 (17) 和熱電偶(18)組成，其特征在于氟橡膠密封圈(10)與不銹鋼密封蓋(1)、不銹 鋼密封圈(2)以及石英玻璃管(3)三者緊密接觸，并共同構(gòu)成整套裝置的密封空間； 剛玉蓋(4)緊壓剛玉支撐片(5);中心帶孔的剛玉支撐片(5)將剛玉管(16)豎直 固定，由氮化硼蓋(11)、氮化硼均熱體(12)、毛細管(13)、氮化硼加熱體(15) 組成的加熱部分和擴散偶(14)置于剛玉管(16)內(nèi)；氮化硼蓋(11)將氮化硼加熱
3體(15)的上端蓋住，氮化硼均熱體(12)置于毛細管(13)兩端；纏繞在氮化硼加 熱體(15)上的雙繞鉑銠加熱絲(7)與電極(6)相連；電極(6)穿過剛玉底座(8);
熱電偶(18)與氮化硼均熱體(12)相接觸；進氣口 (9)與高純氬氣相接，出氣口 (17)與真空泵相接。
進行液態(tài)金屬擴散實驗時，首先將擴散偶(14)固定于氮化硼加熱體(12)內(nèi)， 并通過不銹鋼密封蓋(1)，不銹鋼密封圈(2)，石英玻璃管(3)和氟橡膠密封圈(10) 將整個系統(tǒng)密封，關(guān)閉進氣口 (9)，出氣口 (17)接到真空泵，抽真空至10^Pa。電 極(6)接到直流電源上，通過熱電偶(18)控制溫度。將試樣升溫至所需要的擴散 溫度，讓擴散偶(14)在設(shè)定的溫度和時間下進行擴散。擴散時間結(jié)束時，打開進氣 口(9)，出氣口(17)，通以高純氬氣對試樣進行冷卻。最后拿出試樣進行成分分析。
本實用新型的特點是采用長毛細管法進行液態(tài)金屬擴散實驗時，需要在盡可能 短的時間內(nèi)將試樣的溫度加熱到設(shè)定的擴散溫度，然后保溫；并且盡可能使整個試樣 的溫度保持均勻，因此，擴散偶兩端采用了導(dǎo)熱性良好的氮化硼均熱體。氮化硼均熱 體與氮化硼加熱體一起構(gòu)成了一個恒溫腔，有效的降低了試樣區(qū)間內(nèi)的縱向溫度梯 度。同時為了提高升降溫速率，加熱體尺寸盡可能小，熱容小，升溫和降溫速率就快， 所以本裝置中氮化硼加熱體的內(nèi)徑僅比毛細管外徑稍微大一點。
其次，整個實驗裝置置于強磁體中，磁場的存在能有效的抑制金屬熔體由于溫度 梯度和濃度梯度引起的對流。但是，由于受強磁體工作空間以及磁場均勻性的限制， 擴散偶長度僅設(shè)計為40mm。通過氮化硼均熱體，剛玉支撐片，剛玉蓋將擴散偶試樣 固定于氮化硼加熱體內(nèi)，也防止了試樣在熔化過程因體積的變化而干擾擴散處理得到 的試樣濃度分布。
再次，整個裝置位于磁場中，通過電流的鉑銠加熱絲會受到磁場的作用力，并且 加熱絲電流的變化又會產(chǎn)生感生電流，影響液態(tài)金屬中原子的傳輸，那么就必須消除 感生電流的影響，所以，氮化硼加熱體采用雙繞線設(shè)計，雙繞線能消除感生電流對試 樣的影響。此外，將纏繞鉑銠加熱絲的氮化硼加熱體放入剛玉管中，可以約束加熱絲 的移動，同時也降低了熱量的散失，提高了加熱效率。
本裝置加熱速度快，能在幾分鐘之內(nèi)將試樣加熱到800 卯0'C，同時，降溫速 度快，這對于液態(tài)金屬擴散實驗因熔化和凝固過程帶來的誤差得到了有效的改善，其 次，實驗裝置拆卸方便，操作簡單，有利于實驗的重復(fù)。

圖1是本實用新型強磁場液態(tài)金屬擴散裝置
圖1中各數(shù)字代號表示如下 l.不銹鋼密封蓋2.不銹鋼密封圈3.石英玻璃管4.剛玉蓋5.剛玉支撐片6.電極7. 鉑銠加熱絲8.剛玉底座9.進氣口 IO.氟橡膠密封圈11.氮化硼爐蓋12.氮化硼均熱 體13.毛細管14.擴散偶15.雙繞線氮化硼加熱體16.剛玉管17.出氣口 18.熱電偶具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細描述。
參見圖l，本實施例中的液態(tài)金屬擴散裝置由不銹鋼密封蓋(1)、不銹鋼密封
圈(2)、石英玻璃管(3)、剛玉蓋(4)、剛玉支撐片(5)、電極(6)、鉑銠加熱絲(7)、 剛玉底座(8)、進氣口 (9)、氟橡膠密封圈(10)、氮化硼爐蓋(11)、氮化硼均熱體
(12)、毛細管(13)、擴散偶(14)、雙繞線氮化硼加熱體(15)、剛玉管(16)、出 氣口 (17)和熱電偶(18)組成；氟橡膠密封圈(10)與不銹鋼密封蓋(1)、不銹鋼 密封圈(2)以及石英玻璃管(3)三者緊密接觸，并共同構(gòu)成整套裝置的密封空間； 剛玉蓋(4)緊壓剛玉支撐片(5);中心帶孔的剛玉支撐片(5)將剛玉管(16)豎直 固定，由氮化硼蓋(11)、氮化硼均熱體(12)、毛細管(13)、氮化硼加熱體(15) 組成的加熱部分和擴散偶(14)置于剛玉管(16)內(nèi)；氮化硼蓋(11)將氮化硼加熱 體(15)的上端蓋住，氮化硼均熱體(12)置于毛細管(13)兩端；纏繞在氮化硼加 熱體(15)上的雙繞鉑銠加熱絲(7)與電極(6)相連；電極(6)穿過剛玉底座(8); 熱電偶(18)與氮化硼均熱體(12)相接觸；進氣口 (9)與高純氬氣相接，出氣口
(17)與真空泵相接。
進行液態(tài)金屬擴散實驗時，先將裝有擴散偶(14)的毛細管(13)放入氮化硼加 熱體(15)中，毛細管兩端放置氮化硼均熱體(12)，蓋上氮化硼蓋(11)及剛玉蓋
(4)。用不銹鋼密封蓋(1)，不銹鋼密封圈(2)，氟橡膠密封圈(10)和石英玻璃管
(3)將整個系統(tǒng)密封。氮化硼加熱體加熱之前，先關(guān)閉進氣口 (9)，出氣口 (17) 接至真空泵，對整個系統(tǒng)抽真空至l(T3Pa。電極(6)接上直流電源及熱電偶(15) 連接到程序控溫儀，迅速升溫至所需要的溫度，然后在設(shè)定的溫度保溫，在設(shè)定的溫 度完成擴散處理后，切斷電源，打開進氣口 (9)和出氣口 (17)，通氬氣將擴散偶U4) 快速冷卻，最后將試樣取出進行成分分析。本實施例中，操作過程簡述如下
利用本裝置進行擴散實驗時，首先將裝有擴散偶試樣的毛細管放入氮化硼加熱體 中，密封系統(tǒng)，然后抽真空，通直流電加熱至所需要的溫度，然后在設(shè)定的溫度保溫 所需要的時間，關(guān)閉電源，通氣冷卻。得到一定濃度分布的擴散偶試樣。本裝置可以 用于中低溫范圍內(nèi)液態(tài)金屬的擴散實驗。
權(quán)利要求1、一種強磁場液態(tài)金屬擴散裝置，由不銹鋼密封蓋(1)、不銹鋼密封圈(2)、石英玻璃管(3)、剛玉蓋(4)、剛玉支撐片(5)、電極(6)、鉑銠加熱絲(7)、剛玉底座(8)、進氣口(9)、氟橡膠密封圈(10)、氮化硼爐蓋(11)、氮化硼均熱體(12)、毛細管(13)、擴散偶(14)、雙繞線氮化硼加熱體(15)、剛玉管(16)、出氣口(17)和熱電偶(18)組成，其特征在于氟橡膠密封圈(10)與不銹鋼密封蓋(1)、不銹鋼密封圈(2)以及石英玻璃管(3)三者緊密接觸，并共同構(gòu)成整套裝置的密封空間；剛玉蓋(4)緊壓剛玉支撐片(5)；中心帶孔的剛玉支撐片(5)將剛玉管(16)豎直固定，由氮化硼蓋(11)、氮化硼均熱體(12)、毛細管(13)、氮化硼加熱體(15)組成的加熱部分和擴散偶(14)置于剛玉管(16)內(nèi)；氮化硼蓋(11)將氮化硼加熱體(15)的上端蓋住，氮化硼均熱體(12)置于毛細管(13)兩端；纏繞在氮化硼加熱體(15)上的雙繞鉑銠加熱絲(7)與電極(6)相連；電極(6)穿過剛玉底座(8)；熱電偶(18)與氮化硼均熱體(12)相接觸；進氣口(9)與高純氬氣相接，出氣口(17)與真空泵相接。
專利摘要本實用新型涉及一種在強磁場下進行液態(tài)金屬擴散實驗的裝置。該裝置包括不銹鋼密封蓋、不銹鋼密封圈、石英玻璃管、剛玉蓋、剛玉支撐片、電極、鉑銠加熱絲、剛玉底座、氟橡膠密封圈、氮化硼爐蓋、氮化硼均熱體、毛細管、擴散偶、雙繞線氮化硼加熱體、剛玉管、進氣口、出氣口和熱電偶。進行擴散實驗時，將擴散偶放置于氮化硼加熱體內(nèi)，密封系統(tǒng)，抽真空，然后將試樣加熱至擴散所需要的溫度，完成擴散后，停止加熱，通高純氬氣對試樣進行冷卻，取出試樣進行后續(xù)分析。本實用新型利用磁場抑制導(dǎo)電流體流動以獲得擴散控制下的傳質(zhì)過程，得到精確的液態(tài)金屬擴散系數(shù)。
文檔編號G01N1/38GK201269841SQ20082015464
公開日2009年7月8日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者任忠鳴, 任維麗, 李傳軍 申請人:上海大學(xué)