CN201269841Y - 强磁场液态金属扩散装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种在强磁场下进行液态金属扩散实验的装置。该装置包括不锈钢密封盖、不锈钢密封圈、石英玻璃管、刚玉盖、刚玉支撑片、电极、铂铑加热丝、刚玉底座、氟橡胶密封圈、氮化硼炉盖、氮化硼均热体、毛细管、扩散偶、双绕线氮化硼加热体、刚玉管、进气口、出气口和热电偶。进行扩散实验时，将扩散偶放置于氮化硼加热体内，密封***，抽真空，然后将试样加热至扩散所需要的温度，完成扩散后，停止加热，通高纯氩气对试样进行冷却，取出试样进行后续分析。本实用新型利用磁场抑制导电流体流动以获得扩散控制下的传质过程，得到精确的液态金属扩散系数。

Description

强磁场液态金属扩散装置

技术领域

本实用新型是一种在强磁场下使用的液态金属扩散装置，属于材料物性参数测量技术领域。

背景技术

液态金属中溶质原子的扩散是一个重要物质传输过程，它影响着凝固组织，晶体生长等材料制备过程中的许多方面，获取液态金属中溶质原子的精确扩散系数对于建立液态金属各种理论模型，理解各种液态金属现象有着非常重要的意义。然而，由于熔体中不可避免的存在温度梯度和浓度梯度，这些因素会引起熔体对流，从而引起附加的溶质原子扩散。由于溶质原子扩散速度很小，对流的存在会造成扩散系数偏差很大，也正是因为没有可靠的实验数据，多年来，液态金属扩散理论的进展十分缓慢。因此，为了尽可能的减少液态金属的对流，得到精确的液态金属扩散系数，很多扩散实验都在太空的微重力环境下进行，但这种方法成本极高，实验受到极大的限制。磁场能够抑制导电流体的运动，这为液态金属扩散系数的测量提供了一种新的方法，即利用强磁场抑制导电流体的运动以降低流体运动对溶质原子扩散的影响，从而获得更精确的液态金属扩散系数。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种在强磁场下进行液态金属扩散实验的装置。

实现本实用新型目的的技术方案如下：

一种强磁场液态金属扩散装置，由不锈钢密封盖(1)、不锈钢密封圈(2)、石英玻璃管(3)、刚玉盖(4)、刚玉支撑片(5)、电极(6)、铂铑加热丝(7)、刚玉底座(8)、进气口(9)、氟橡胶密封圈(10)、氮化硼炉盖(11)、氮化硼均热体(12)、毛细管(13)、扩散偶(14)、双绕线氮化硼加热体(15)、刚玉管(16)、出气口(17)和热电偶(18)组成，其特征在于：氟橡胶密封圈(10)与不锈钢密封盖(1)、不锈钢密封圈(2)以及石英玻璃管(3)三者紧密接触，并共同构成整套装置的密封空间；刚玉盖(4)紧压刚玉支撑片(5)；中心带孔的刚玉支撑片(5)将刚玉管(16)竖直固定，由氮化硼盖(11)、氮化硼均热体(12)、毛细管(13)、氮化硼加热体(15)组成的加热部分和扩散偶(14)置于刚玉管(16)内；氮化硼盖(11)将氮化硼加热体(15)的上端盖住，氮化硼均热体(12)置于毛细管(13)两端；缠绕在氮化硼加热体(15)上的双绕铂铑加热丝(7)与电极(6)相连；电极(6)穿过刚玉底座(8)；热电偶(18)与氮化硼均热体(12)相接触；进气口(9)与高纯氩气相接，出气口(17)与真空泵相接。

进行液态金属扩散实验时，首先将扩散偶(14)固定于氮化硼加热体(12)内，并通过不锈钢密封盖(1)，不锈钢密封圈(2)，石英玻璃管(3)和氟橡胶密封圈(10)将整个***密封，关闭进气口(9)，出气口(17)接到真空泵，抽真空至10^-3Pa。电极(6)接到直流电源上，通过热电偶(18)控制温度。将试样升温至所需要的扩散温度，让扩散偶(14)在设定的温度和时间下进行扩散。扩散时间结束时，打开进气口(9)，出气口(17)，通以高纯氩气对试样进行冷却。最后拿出试样进行成分分析。

本实用新型的特点是：采用长毛细管法进行液态金属扩散实验时，需要在尽可能短的时间内将试样的温度加热到设定的扩散温度，然后保温；并且尽可能使整个试样的温度保持均匀，因此，扩散偶两端采用了导热性良好的氮化硼均热体。氮化硼均热体与氮化硼加热体一起构成了一个恒温腔，有效的降低了试样区间内的纵向温度梯度。同时为了提高升降温速率，加热体尺寸尽可能小，热容小，升温和降温速率就快，所以本装置中氮化硼加热体的内径仅比毛细管外径稍微大一点。

其次，整个实验装置置于强磁体中，磁场的存在能有效的抑制金属熔体由于温度梯度和浓度梯度引起的对流。但是，由于受强磁体工作空间以及磁场均匀性的限制，扩散偶长度仅设计为40mm。通过氮化硼均热体，刚玉支撑片，刚玉盖将扩散偶试样固定于氮化硼加热体内，也防止了试样在熔化过程因体积的变化而干扰扩散处理得到的试样浓度分布。

再次，整个装置位于磁场中，通过电流的铂铑加热丝会受到磁场的作用力，并且加热丝电流的变化又会产生感生电流，影响液态金属中原子的传输，那么就必须消除感生电流的影响，所以，氮化硼加热体采用双绕线设计，双绕线能消除感生电流对试样的影响。此外，将缠绕铂铑加热丝的氮化硼加热体放入刚玉管中，可以约束加热丝的移动，同时也降低了热量的散失，提高了加热效率。

本装置加热速度快，能在几分钟之内将试样加热到800～900℃，同时，降温速度快，这对于液态金属扩散实验因熔化和凝固过程带来的误差得到了有效的改善，其次，实验装置拆卸方便，操作简单，有利于实验的重复。

附图说明

图1是本实用新型强磁场液态金属扩散装置

图1中各数字代号表示如下：

1.不锈钢密封盖  2.不锈钢密封圈  3.石英玻璃管  4.刚玉盖  5.刚玉支撑片  6.电极  7.铂铑加热丝  8.刚玉底座  9.进气口  10.氟橡胶密封圈  11.氮化硼炉盖  12.氮化硼均热体  13.毛细管  14.扩散偶  15.双绕线氮化硼加热体  16.刚玉管  17.出气口  18.热电偶

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述。

参见图1，本实施例中的液态金属扩散装置：由不锈钢密封盖(1)、不锈钢密封圈(2)、石英玻璃管(3)、刚玉盖(4)、刚玉支撑片(5)、电极(6)、铂铑加热丝(7)、刚玉底座(8)、进气口(9)、氟橡胶密封圈(10)、氮化硼炉盖(11)、氮化硼均热体(12)、毛细管(13)、扩散偶(14)、双绕线氮化硼加热体(15)、刚玉管(16)、出气口(17)和热电偶(18)组成；氟橡胶密封圈(10)与不锈钢密封盖(1)、不锈钢密封圈(2)以及石英玻璃管(3)三者紧密接触，并共同构成整套装置的密封空间；刚玉盖(4)紧压刚玉支撑片(5)；中心带孔的刚玉支撑片(5)将刚玉管(16)竖直固定，由氮化硼盖(11)、氮化硼均热体(12)、毛细管(13)、氮化硼加热体(15)组成的加热部分和扩散偶(14)置于刚玉管(16)内；氮化硼盖(11)将氮化硼加热体(15)的上端盖住，氮化硼均热体(12)置于毛细管(13)两端；缠绕在氮化硼加热体(15)上的双绕铂铑加热丝(7)与电极(6)相连；电极(6)穿过刚玉底座(8)；热电偶(18)与氮化硼均热体(12)相接触；进气口(9)与高纯氩气相接，出气口(17)与真空泵相接。

进行液态金属扩散实验时，先将装有扩散偶(14)的毛细管(13)放入氮化硼加热体(15)中，毛细管两端放置氮化硼均热体(12)，盖上氮化硼盖(11)及刚玉盖(4)。用不锈钢密封盖(1)，不锈钢密封圈(2)，氟橡胶密封圈(10)和石英玻璃管(3)将整个***密封。氮化硼加热体加热之前，先关闭进气口(9)，出气口(17)接至真空泵，对整个***抽真空至10^-3Pa。电极(6)接上直流电源及热电偶(15)连接到程序控温仪，迅速升温至所需要的温度，然后在设定的温度保温，在设定的温度完成扩散处理后，切断电源，打开进气口(9)和出气口(17)，通氩气将扩散偶(14)快速冷却，最后将试样取出进行成分分析。

本实施例中，操作过程简述如下：

利用本装置进行扩散实验时，首先将装有扩散偶试样的毛细管放入氮化硼加热体中，密封***，然后抽真空，通直流电加热至所需要的温度，然后在设定的温度保温所需要的时间，关闭电源，通气冷却。得到一定浓度分布的扩散偶试样。本装置可以用于中低温范围内液态金属的扩散实验。

Claims (1)

1、一种强磁场液态金属扩散装置，由不锈钢密封盖(1)、不锈钢密封圈(2)、石英玻璃管(3)、刚玉盖(4)、刚玉支撑片(5)、电极(6)、铂铑加热丝(7)、刚玉底座(8)、进气口(9)、氟橡胶密封圈(10)、氮化硼炉盖(11)、氮化硼均热体(12)、毛细管(13)、扩散偶(14)、双绕线氮化硼加热体(15)、刚玉管(16)、出气口(17)和热电偶(18)组成，其特征在于：氟橡胶密封圈(10)与不锈钢密封盖(1)、不锈钢密封圈(2)以及石英玻璃管(3)三者紧密接触，并共同构成整套装置的密封空间；刚玉盖(4)紧压刚玉支撑片(5)；中心带孔的刚玉支撑片(5)将刚玉管(16)竖直固定，由氮化硼盖(11)、氮化硼均热体(12)、毛细管(13)、氮化硼加热体(15)组成的加热部分和扩散偶(14)置于刚玉管(16)内；氮化硼盖(11)将氮化硼加热体(15)的上端盖住，氮化硼均热体(12)置于毛细管(13)两端；缠绕在氮化硼加热体(15)上的双绕铂铑加热丝(7)与电极(6)相连；电极(6)穿过刚玉底座(8)；热电偶(18)与氮化硼均热体(12)相接触；进气口(9)与高纯氩气相接，出气口(17)与真空泵相接。