磁约束金属熔体原子扩散行为研究

Diffusion, namely mass transport，is a key process that restricts the solidification and glass formation for metals. The transformation of the metal solidification processes by means of the magnetic field is a new way to improve the material properties. By using a magnetic confinement viscometer and a diffusion analyzer self-developed for metal melts, we study the self diffusion coefficient and the interdiffusion coefficient for the metal melts under the condition of the magnetic confinement, comparing by the experiment the different diffusion rules between the magnetic confinement condition and the free magnetic confinement. We study the temperature gradient and the component concentration dependence of the metal melt atomic diffusion, exploring the interdependent relationship between the temperature and the diffusion for the non-Newtonian fluid for the metal melts. By using an X-ray diffractometer and the magnetic confinement diffusion analyzer, we research the relationship between the atomic diffusion and the atomic cluster structure and their effects on the solidification, to develop a physical model to describe the atomic diffusion of metal melts under the condition of the magnetic confinement, to find out the physical mechanism of the magnetic confinement solidification and metallic glass formation. This researching work will provide the experimental and the theoretical basis for uncovering the effect of the atomic diffusion on the microstructure transformation and the control of the microsegregation.

扩散，即质量传输，是制约金属凝固和非晶形成的关键过程。利用磁场改变金属的凝固过程是材料改性的新途径。本课题利用自行研制的磁约束金属熔体粘度仪及原子扩散分析仪，研究磁场条件下金属熔体的自扩散系数和合金熔体的互扩散系数，试验比较磁约束与非约束条件下的扩散规律差异。研究金属熔体原子扩散在磁约束条件下对温度梯度和成分浓度的依赖关系，探索磁约束非牛顿流体的温度-扩散系数之间的联系。利用高温熔体X射线衍射仪和扩散分析仪，研究在磁场条件下，原子扩散与原子团簇结构之间的联系及其对凝固过程的影响，建立磁约束金属和合金熔体原子扩散物理模型，找出磁制约凝固过程和非晶形成的物理机制，这将从原子尺度研究金属熔体的热运动，为揭示原子扩散对微观组织形成的影响及微观偏析控制提供新的试验证据和理论研究依据。

扩散，即质量传输，是制约金属凝固和非晶形成的关键过程。利用磁场改变金属的凝固过程是材料改性的新途径。本课题利用自行研制的磁约束金属熔体粘度仪及原子扩散分析仪，对磁场条件下金属熔体的扩散性质进行了研究，主要创新成果如下：.1. 发现了外加磁场下CdGa、BiGa不混溶合金节点温度的变化，揭示了该温度变化的控制因素——凝固过程的能垒。提出了用于定量计算不混溶合金液相分离过程中的激活能的能垒方程，并且建立了能垒和磁场强度之间的关系。加入磁场后，不混溶合金熔体粘度增加；磁场强度增大，节点温度向高温方向转移；随着温度的降低，合金粘度减小。.2. 在不同磁场条件下，Al、In、Sn、Bi熔体的粘度仍然遵循Arrhenius方程，并且其粘度都随着磁场强度的增加而增大，其中，Al、In熔体粘度变化速率比Sn、Bi熔体大。.3. 采用Al-Si，Al-Ge合金作为热浸熔体,发现了热浸熔体环境对扩散层的形成和增长的关键作用。在两种热浸环境下，扩散层的厚度主要由η-Al5Fe2相的增长所控制。研究发现Ge原子的加入可以抑制Al原子的扩散，从而有效的抑制扩散层的增长，并且Ge原子在η-Al5Fe2相中的分布呈现反常的浓度梯度分布。