用于金属固/液相界面能的测定装置及测定方法与流程

本发明涉及一种测定装置，尤其是涉及一种用于金属固/液相界面能的测定装置，属于冶金试验测定装备设计制造技术领域。本发明还涉及一种用所述测定装置测定金属固/液相界面能的测定方法

背景技术：

在金属材料生产工艺中，熔融金属中往往存在一些非金属元素与金属中的合金元素结合形成微小的颗粒物。其中一些颗粒物能够促进金属凝固以及细化金属凝固组织，被成为形核剂。根据经典形核理论，形核剂与熔体之间的界面能和形核剂与晶核的界面能是影响金属异性形核的关键因素，直接影响金属熔体的凝固过程。金属基复合材料中弥散的增强相与基体的界面能，对于改善材料性能及新材料的制备有重要的指导意义。在高温条件下金属熔体与形核剂的相互作用十分复杂，导致相关的实验研究十分困难。大部分金属熔体与化合物基底在高温下容易发生反应，基底表面变性无法计算界面能的大小。

高温实验中，由于通入气体中含氧，金属样品熔体表面氧化，从而导致接触角与表面张力的测定出现误差。

气氛中氧含量的大小对金属与基底界面处反应层的产生起着至关重要的作用，而反应层的产生会影响界面能的测定。因此在线定量控制气氛中氧含量显得十分重要。据申请人所知：中国专利公告号为CN 1265201C，公开日为2005.03.09，专利号为ZL 03121050.3，发明名称为“一种在线测量高温熔体表面张力、接触角和密度的装置”；中国专利公告号为CN 101308077B，公开日为2011.04.20，发明名为“一种测量中低温熔体表面张力、密度和润湿性的装置与方法”，都设计与本发明类似的装置，但均无法准确地在线控制气氛中氧含量的变化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能准确的在线控制环境中的氧含量变化的用于金属固/液相界面能的测定装置；本发是还提供了一种用所述测定装置测定金属固/液相界面能的测定方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于固/液相界面能的测定装置，所述的测定装置包括环境模拟系统、加热系统和金属熔体变化过程记录记录系统，所述的环境模拟系统至少包含有一套低氧环境形成模拟器；通过基底布置在所述环境模拟系统中的金属样品通过所述的加热系统，在该环境模拟系统中加热至熔化；熔化过程中的所述金属样品的轮廓动态变化通过所述的金属熔体变化过程记录记录系统记录。

本发明的有益效果是：本申请通过设置一套包括环境模拟系统、加热系统和金属熔体变化过程记录系统的测定装置，并使通过基底布置在所述环境模拟系统中的金属样品通过所述的加热系统，在该环境模拟系统中加热至熔化，然后使在熔化过程中的所述金属样品的轮廓动态变化通过所述的金属熔体变化过程记录系统记录。这样，由于所述的金属样品从加热至熔化的全过程中均在所述的环境模拟系统中进行，从而可以通过环境模拟系统来保证高温实验中通入气体的氧的含量，尽量避免金属样品熔体表面的氧化，进而保证金属样品熔体表面的接触角与表面张力测定的准确性。

进一步的是，所述的环境模拟系统还包括设置有出气阀的密封炉体模拟器，所述的低氧环境形成模拟器与所述的密封炉体模拟器连通；所述的基底和所述的加热系统均布置所述的密封炉体模拟器中，所述的金属熔体变化过程记录系统的观测头对准密封炉体模拟器内的所述金属样品。

上述方案的优选方式是，所述的低氧环境形成模拟器包括一台除氧净化机，在所述除氧净化机的输气管上设置有氧探头。

进一步的是，所述的低氧环境形成模拟器还包括氧含量显示屏，所述氧含量显示屏的一端与除氧净化机的所述输气管连接，所述氧含量显示屏的另一端与所述出气阀内侧的输气管连接。

上述方案的优选方式是，所述的密封炉体模拟器包括不锈钢腔体和布置在该不锈钢腔体内的炉管，所述的基底布置在所述的炉管内，所述的加热系统布置在所述的不锈钢腔体内，所述金属熔体变化过程记录系统的观测头从所述不锈钢腔体的一个端部对准布置在所述炉管内的金属样品。

进一步的是，在所述不锈钢腔体的两端还分别设置有包括透明的冷却密封结构，所述观测头从所述不锈钢腔体一端的冷却密封结构处对准布置在所述炉管内的金属样品。

上述方案的优选方式是，所述的冷却密封结构包括不锈钢冷水套、不锈钢卡套和石英玻璃，所述的不锈钢卡套通过所述的不锈钢冷水套布置在所述不锈钢腔体的端部，所述的石英玻璃通过所述的不锈钢卡套固定在所述不锈钢腔体最外侧的端部，所述观测头从所述不锈钢腔体一端的冷却密封结构处透过所述的石英玻璃对准布置在所述炉管内的金属样品。

进一步的是，所述的金属熔体变化过程记录系统包括由一台带有显示器的计算机构成的数据分析装置和带有滤波片的高速摄像机，所述的观测头由所述的高速摄像机构成，所述的滤波片布置在所述的石英玻璃与所述的高速摄像机之间，所述高速摄像机的数据输出端与所述的计算机连接。

进一步的是，所述的加热系统包括热电偶、加热体和温度控制器，所述热电偶和所述加热体的控制线均与所述的温度控制器连接，所述加热系统的热电偶和加热体均布置在炉管外的不锈钢腔体内。

一种采用所述测定装置测定金属固/液相界面能的测定方法，所述的测定方法包括以下步骤，

a、开启观察窗与冷却水套之间的紧固螺栓，将0.2g纯铁样品放置到单晶氧化铝基底上后一并置于T型台上表面上，利用玻璃水准仪旋转T型台将基底调节至水平状态；

b、合上观察窗，关闭气体进气阀门，打开出气阀门，外接真空泵进行抽真空，使炉内真空度在室温下达到8×10^-2Pa并稳定；

c、调节数码高速摄像机的位置，使观测头和金属样品中心处于同一水平线上，并调整好高速摄像机的焦距；

d、关闭外接真空泵，关闭出气阀门，打开除氧净化系统，打开进气阀门通入高纯氩气和高纯氢气组成的混合气体，气体流量为240～260毫升每分钟，待炉内压力恢复后打开出气阀门；

e、打开循环水冷系统和氧分压监控装置，当氧分压低于10^-10Pa时，打开炉体的加热电源，启动加热程序进行加热，升温速率为3℃/min，温度由热电偶进行测量，并通过温度控制器控制；

f、当温度达到保温温度1600℃，金属样品熔化，在基底上呈半球状，利用高速摄像机录像以记录金属熔体的形状变化；将获得的图像通过USB数据线输入计算机，在计算机上安装Image-J软件，获得每个时刻的接触角和表面张力数据；

g、通过调节净化系统的加热温度以及两种气体的比例，控制进入炉内气体的氧含量，使不同的样品获得不一样的界面状态；

h、保温时间结束后，断电后将样品冷却至室温后，利用金刚石切割机将样品沿固/液界面中心垂直于界面切开，对切开后的样品纵切面进行研磨抛光处理制成金相制样，利用扫描电子显微镜对金相试样的界面处进行观察，选出界面处未生成反应层的样品为含氧量即氧分压为10^-25atm的样品；

i、测得1600℃时氧分压为10^-25atm下，纯铁在单晶氧化铝基底上的接触角θ，铁液的表面张力γ_gl，再根据已知的单晶氧化铝的表面张力γ_gs，通过界面能平衡公式γ_gs＝γ_gl·cosθ+γ_sl计算铁液与氧化铝之间的界面能γ_sl，完成金属固/液相界面能的测定。

附图说明

图1为本发明用于金属固/液相界面能的测定装置的简化结构示意图；

图2a为氧含量为10^-25atm气氛下纯铁与单晶氧化铝基底之间界面形貌的扫描电子显微镜图；

图2b为氧含量为10^-23atm气氛下纯铁与单晶氧化铝基底之间界面形貌的扫描电子显微镜图；

图2c为氧含量为10^-20atm气氛下纯铁与单晶氧化铝基底之间界面形貌的扫描电子显微镜图；

图3为金属熔体与基底的界面张力平衡示意图。

图中标记为：环境模拟系统1、加热系统2、金属熔体变化过程记录系统3、基底4、金属样品5、低氧环境形成模拟器6、出气阀7、密封炉体8、观测头9、氧探头10、氧含量显示屏11、不锈钢腔体12、炉管13、冷却密封结构14、不锈钢冷水套15、不锈钢卡套16、石英玻璃17、数据分析装置18、滤波片19、计算机20、热电偶21、加热体22、温度控制器23。

具体实施方式

如图1所示是本发明提供的一种能有效的对金属样品熔体表面的接触角与表面张力进行测定的用于金属固/液相界面能的测定装置。所述的测定装置包括环境模拟系统1、加热系统2和金属熔体变化过程记录系统3；通过基底4布置在所述环境模拟系统1中的金属样品5通过所述的加热系统2，在该环境模拟系统1中加热至熔化；熔化过程中的所述金属样品5的轮廓动态变化通过所述的金属熔体变化过程记录系统3记录。本申请通过设置一套包括环境模拟系统1、加热系统和2金属熔体变化过程记录系统3的测定装置，并使通过基底4布置在所述环境模拟系统1中的金属样品5通过所述的加热系统2，在该环境模拟系统1中加热至熔化，然后使在熔化过程中的所述金属样品2的轮廓动态变化通过所述的金属熔体变化过程记录系统3记录。这样，由于所述的金属样品5从加热至熔化的全过程中均在所述的环境模拟系统1中进行，从而可以通过环境模拟系统1来保证高温实验中通入气体的氧的含量，尽量避免金属样品5熔体表面的氧化，进而保证金属样品熔体表面的接触角与表面张力测定的准确性。

上述实施方式中，为了既简化本申请所述的环境模拟系统1结构，又能很好的控制输入该环境模拟系统1中的气体的氧含量，本申请所述的环境模拟系统1包括低氧环境形成模拟器6和设置有出气阀7的密封炉体模拟器8，所述的低氧环境形成模拟器6与所述的密封炉体模拟器8连通；所述的基底4和所述的加热系统1均布置所述的密封炉体模拟器8中，所述的金属熔体变化过程记录系统3的观测头9对准密封炉体模拟器8内的所述金属样品5。此时，本申请将所述的低氧环境形成模拟器6选择为一台除氧净化机，并在所述除氧净化机的输气管上设置有氧探头10；而且为了能直观的显示环境模拟系统1的气体的氧含量，本申请所述的低氧环境形成模拟器6还包括氧含量显示屏11，所述氧含量显示屏11的一端与除氧净化机的所述输气管连接，所述氧含量显示屏11的另一端与所述出气阀7内侧的输气管连接。与此同时，本申请将所述的密封炉体模拟器8设置为包括不锈钢腔体12和布置在该不锈钢腔体12内的炉管13的结构，并将所述的基底4布置在所述的炉管13内，将所述的加热系统2布置在所述的不锈钢腔体12内，所述金属熔体变化过程记录系统3的观测头9从所述不锈钢腔体12的一个端部对准布置在所述炉管13内的金属样品5；在所述不锈钢腔体12的两端还分别设置有包含透视件的冷却密封结构14，所述观测头9从所述不锈钢腔体12一端的冷却密封结构14处对准布置在所述炉管13内的金属样品5。此时，所述的冷却密封结构14的优选方式为包括不锈钢冷水套15、不锈钢卡套16和构成所述透视件的石英玻璃17，所述的不锈钢卡套16通过所述的不锈钢冷水套15布置在所述不锈钢腔体12的端部，所述的石英玻璃17通过所述的不锈钢卡套15固定在所述不锈钢腔体12最外侧的端部，所述观测头9从所述不锈钢腔体12一端的冷却密封结构14处透过所述的石英玻璃17对准布置在所述炉管13内的金属样品5。通过采用上述结构的环境模拟系统1，便可以既简化本申请所述的环境模拟系统1结构，又能很好的控制输入该环境模拟系统1中的气体的氧含量。

进一步的，为了提高和保证对熔化过程中的所述金属样品5的轮廓动态变化的记录的准确性，本申请提供如下结构的金属熔体变化过程记录系统3，即所述的金属熔体变化过程记录系统3包括数据分析装置18和带有滤波片19的高速摄像机，所述的观测头9由所述的高速摄像机构成，所述的滤波片19布置在所述的石英玻璃17与所述的高速摄像机之间，所述高速摄像机的数据输出端与所述的数据分析装置18连接，此时，所述的数据分析装置18优选为一台带有显示器的计算机20。

同时，为了减小研发难度，降低专利件的制造率，本申请所述的加热系统2采用热电偶21、加热体22和温度控制器23的与现有结构类似的结构，然后将所述热电偶21和所述加热体22的控制线均与所述的温度控制器23连接，并将所述加热系统2的热电偶21和加热体22均布置在炉管13外的不锈钢腔体12内即可。

综上所述，采用本申请提供的测定装置具有如下的有益效果：

1、能够有效地在线控制气氛中的氧含量，避免金属表面氧化以及金属与基底之间形成反应层；

2、可以方便调节基板的水平，密闭性好；设备造价低，操作方便。

3、可以有效地测量金属熔体与基底之间的固/液界面能。

实施例1

测定纯铁与单晶氧化铝基底之间的界面能

1、开启观察窗与冷却水套之间的紧固螺栓，将0.2g纯铁样品放置与单晶氧化铝基底上后一并置于T型台上表面，利用玻璃水准仪旋转T型台将基底调节至水平状态；

2、合上观察窗，关闭气体进气阀门，打开出气阀门，外接真空泵进行抽真空，使炉内真空度在室温下达到8×10^-2Pa并稳定；

3、调节数码高速摄像机的位置，使镜头和金属样品中心处于同一水平线上，并调整好高速摄像机的焦距；

4、关闭外接真空泵，关闭出气阀门，打开除氧净化系统，打开进气阀门通入高纯氩气和高纯氢气组成的混合气体，气体流量为250毫升每分钟，待炉内压力恢复后打开出气阀门；

5、打开循环水冷系统和氧分压监控装置，当氧分压低于10^-10Pa时，打开炉体的加热电源，启动加热程序进行加热，升温速率为3℃/min，温度由热电偶进行测量，并通过温度控制器控制；

6、当温度达到保温温度1600℃，金属样品熔化，在基底上呈半球状，利用JVC GC-PX100高速摄像机录像以记录金属熔体的形状变化；将获得的图像通过USB数据线输入计算机，在计算机上安装Image-J软件，获得每个时刻的接触角和表面张力数据；

7、通过调节净化系统的加热温度以及两种气体的比例，控制进入炉内气体的氧含量，使不同的样品获得不一样的界面状态；

8、保温时间结束后，断电后将样品冷却至室温后，利用金刚石切割机将样品沿固/液界面中心垂直于界面切开，对切开后的样品纵切面进行研磨抛光处理制成金相制样，利用扫描电子显微镜对金相试样的界面处进行观察，如图2a～图2c所示。选出界面处未生成反应层的样品为含氧量即氧分压为10^-25atm的样品；

9、测得1600℃时氧分压为10^-25atm下，纯铁在单晶氧化铝基底上的接触角θ为111°，铁液的表面张力γ_gl为1891mN/m。已知单晶氧化铝的表面张力γ_gs为650mN/m，通过界面能平衡公式γ_gs＝γ_gl·cosθ+γ_sl计算铁液与氧化铝之间的界面能γ_sl，如附图3所示。