Приборы для исследования закономерности испарения металлов и сплавов при нагреве в вакууме » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Приборы для исследования закономерности испарения металлов и сплавов при нагреве в вакууме

18.05.2021

Испарение металлов и сплавов при высокотемпературном нагреве в вакууме — один из важных процессов, изучение которого представляет большой интерес для суждения о свойствах исследуемых материалов. Интенсивность испарения в какой-то мере характеризует силы связи между атомами в кристаллической решетке.

Для изучения кинетики испарения нами предложена методика, сущность которой заключается в наблюдении за изменением электрического сопротивления между контактными участками водоохлаждаемого «конденсатора», помещенного в вакуумную рабочую камеру. Это изменение происходит за счет осаждения проводящего электрический ток конденсата и зависит от температуры, давления в рабочей камере и продолжительности опыта, поддерживаемых неизменными при изучении данной системы или сопоставляемых систем сплавов. Последующим рентгенографическим или электронографическим исследованием осажденного на поверхности конденсатора слоя можно установить состав конденсата и по этим данным судить о влиянии тех или иных легирующих элементов на кинетику и интенсивность протекания процесса испарения.

Указанный метод можно совершенствовать, вводя в состав изучаемых образцов радиоактивные изотопы. Это повысит точность определения интенсивности испарения отдельных компонентов, в частности радиоактивных частиц. Указанное мероприятие позволит развить метод акад. С.А. Векшинского, опубликовавшего первые сведения о нем в 1944 г. С.А. Векшинский предложил испарять в вакуумной камере одновременно два и более чистых металлов. Атомы испаренных металлов при этом осаждаются на полированной поверхности пластины (конденсатора) из металла или кварца. В процессе конденсации происходит переход из парообразного состояния в твердое. При этом образуются двух- и более компонентные сплавы различного состава, определяемого расстоянием между зонами размещения испаряемых элементов и их положением относительно конденсатора. Закономерность распределения количества конденсирующегося материала в зависимости от размещения испарителя по отношению к конденсатору позволяет достаточно точно фиксировать состав сплавов, осаждаемых на конденсаторе при одновременном испарении двух и более элементов. Протекающее сразу же после осаждения атомов образование кристаллической решетки дает возможность получать на одной пластине конденсатора плавную гамму сплавов различных составов и исследовать их строение и свойства (например, электрическое сопротивление, коррозионную стойкость и др.). Это позволяет значительно сокращать затраты и длительность экспериментальных работ по сравнению со старыми методами, основанными на выплавке опытных сплавов определенного состава. Рассмотренный метод исследования сплавов иллюстрирует широкие возможности, которые открывает изучение испарения в вакууме для развития металловедения.

Применение метода С.А. Векшинского совместно с методом меченых атомов даст возможность более точно проследить за кинетикой процесса испарения, а также изучить диффузионные процессы в тонких слоях, полученных на конденсаторах.

Для сравнения интенсивности процесса испарения различных металлов и сплавов нами использован метод взвешивания образцов до и после высокотемпературного нагрева и выдержки в вакууме. Несколько образцов одновременно нагревали в трубчатой вакуумной печи, показанной на рис. 49. Убыль в весе сопоставляемых образцов, подвергнутых испарению в идентичных условиях, позволяет судить о большей или меньшей склонности к испарению того или иного материала.

При увеличенных скоростях нагрева и охлаждения, когда время выдержки при высоких температурах значительно превышает время нагрева и охлаждения, результаты взвешивания образцов после опыта характеризуют процесс испарения при температуре выдержки. Если время высокотемпературной выдержки t сек., поверхность образца S см2, а убыль в весе образца (по данным взвешивания) G' г, то удельная испаряемость может быть вычислена по формуле
Приборы для исследования закономерности испарения металлов и сплавов при нагреве в вакууме

При этом упругость пара металла P мм рт. ст. может быть определена по формуле Лангмюра

где AG' — удельная скорость испарения, г/см2*сек;

M — молекулярный вес;

T — абсолютная температура, °К.

Для изучения интенсивности испарения автор еще в 1948 г. предложил и выполнил прибор, схема которого приведена на рис. 117. Принцип действия этого прибора состоит в следующем.

В вакуумной рабочей камере, образуемой плитой 1 и стеклянным колпаком 2, размещались водоохлаждаемые электроды 3 и 4. Образец 5 прикреплялся к неподвижному электроду 4 и к гибкой медной шине 6, соединяющей его с электродом 3. Выдвижная подставка 7 с кварцевым упором 8 служила для того, чтобы предотвратить провисание образца при пропускании по нему электрического тока. Температуру измеряли при помощи термопары 9.

В медном зажиме 10, изолированном от электрода 4, устанавливали стойку 11. К ней прикрепляли планку 12 и накладку 13 из нержавеющей стали для размещения стеклянной или слюдяной пластинки. Накладку 13 помещали над средней равномерно нагретой зоной образца 5.

В накладке 13 с нижней стороны, обращенной к изучаемому образцу, имелся квадратный вырез размером 10х10 мм2.

Для повышения точности измерений интенсивности испарения и исключения таких факторов, как изменение давления, что неизбежно при разогреве образца вследствие выделения адсорбированных и окклюдированных в нем газов, в описываемом приборе имелся поводок 14 с жестко прикрепленной к нему заслонкой 15. Стальная накладка 16 размером 50х20 мм, находящаяся на конце поводка 14, обращена своей плоскостью к стеклянному колпаку. Зазор между колпаком и накладкой 14, выгнутой по радиусу колпака, составлял около 2 мм. При помощи магнита, располагаемого снаружи стеклянного колпака, поводок 14 перемещался в вакууме в положение, изображенное на рис. 117 пунктиром. При этом заслонка 15 закрывала квадратное отверстие в накладке 13. В таком положении детали должны были находиться до начала опыта. После разогрева образца до заданной температуры и установления постоянной величины остаточного давления в рабочей камере поводок 14 при помощи магнита перемещался, поверхность стеклянного или слюдяного конденсатора оказывалась открытой и на нее начинал осаждаться конденсат испаряющихся с образца частиц. По окончании выдержки, продолжавшейся обычно от 10 мин. до 1 часа, отверстие в накладке вновь закрывалось заслонкой (повторением описанной выше операции), нагрев образца прекращался и после охлаждения пароструйного масляного насоса и открывания вакуумной камеры конденсаторная пластинка извлекалась из накладки 13.

Изменение веса конденсаторной пластинки до и после опыта позволяло судить об интенсивности протекавшего процесса испарения, а рентгенографическое или электронографическое исследование строения осажденной на конденсаторе пленки давало представление о составе испарявшихся с образца материалов.

Для изучения кинетики процесса испарения можно было применить, например, аналитические весы, расположенные в вакууме и соединенные с образцом, подвешенным к одному коромыслу весов на тонкой проволоке; образец, находящийся в вертикальной кварцевой трубе, может при этом нагреваться за счет радиации от расположенной снаружи электрическкой печи. Балансировать весы и измерять вес образца можно при помощи электромагнита, сердечник которого связан со вторым коромыслом весов. Однако такая конструкция прибора для определения скорости испарения, естественно, очень сложна.

Для исследования процесса испарения различных материалов было изготовлено и применено следующее устройство. Внутри вакуумной рабочей камеры располагался стеклянный водоохлаждаемый кольцевой «конденсатор», внешний вид которого показан на рис. 118. Кольца 1 и 2 изготовлены из платиновой проволоки диаметром 0,5 мм и впаяны в корпус конденсатора 3, выполненного из стеклянной трубки наружным диаметром 10 мм и толщиной стенок 1,5 мм.

Конденсатор располагается коаксиально по отношению к исследуемому образцу. При этом осажденный слой вызывает уменьшение электрического сопротивления в кольцевом промежутке между проволочными электродами. Чтобы корпус конденсатора не нагревался под влиянием излучения от образца (что привело бы к возрастанию электрического сопротивления слоя конденсата), внутри него по патрубкам 4 и 5 пропускают воду. Платиновые проволоки 6 и 7, приваренные к кольцевым электродам 1 и 2, соединяются с герметизированными и изолированными выводами из вакуумной камеры.

На рис. 119 приведена принципиальная электрическая схема прибора для изучения процесса испарения металлов и сплавов по изменению электрического сопротивления между платиновыми кольцевыми электродами специального конденсатора. Кольцевые электроды 1 и 2 стеклянного или кварцевого конденсатора 3 имеют форму, аналогичную конфигурации колец, приведенных на рис. 118. По внутренней полости конденсатора во время опытов пропускают проточную воду, подаваемую через герметизированные вводы, соединенные с патрубками конденсатора при помощи отрезков вакуумных резиновых шлангов (с внутренним диаметром 3 мм). Вакуумная камера образована стальным корпусом 4 и стеклянным колпаком 5.

Образец 6 прикреплен к электроду 7 и накладке 10, которая соединена с электродом 8 гибкой медной перемычкой 11. Токоподводящие электроды 7 и 8 изолированы от стального корпуса вакуумной камеры 4 и присоединены к питающему низковольтному трансформатору 9.

Температуру образца контролируют по показаниям гальванометра 12, присоединенного к выводам термопары 13, спай которой приварен к образцу.

Для измерения электрического сопротивления осаждаемого слоя на поверхности конденсатора 3 в участке между кольцевыми электродами применен измерительный мост 14, соединенный с кольцевыми электродами 1 и 2 при помощи проводников 15 и 16.

Баланс моста устанавливается по гальванометру 17. По величине сопротивления на участке между электродами 1 и 2, изменяющегося в процессе опыта вследствие осаждения испаряющихся с образца металлических частиц, судят об интенсивности процесса испарения.

В дальнейшем оба описанных выше устройства, одно из которых позволяет получать данные о процессе испарения по осажденной пленке на стеклянной или слюдяной пластинке, а второе служит для регистрации скорости испарения путем измерения электрического сопротивления водоохлаждаемого конденсатора, были объединены в один прибор, схема которого показана на рис. 120, а. К торцу металлического корпуса 1 вакуумной камеры притерта кромка стеклянного колпака 2. К электродам 3 и 4 подводится питающее напряжение. Изучаемый образец 5, выполненный в виде стержня диаметром 4—5 мм, прикреплен к электроду 3, а также к медной накладке 6, соединенной с электродом 4 гибкими медными проводниками 7.

Температуру нагрева образца контролируют по показаниям гальванометра 8, присоединенного к выводам термопары, спай которой 9 при помощи точечной электросварки прикреплен к образцу в зоне размещения описанного выше водоохлаждаемого конденсатора 10. По вакуумным шлангам 11 и 12 через корпус конденсатора пропускают проточную воду.

Выводы 13 и 14 (от платиновых проволочных кольцевых накладок, приваренных к стеклянному конденсатору) приходят через вакуумное уплотнение в корпусе 1 и присоединяются к электрической мостовой схеме 15.

В обойме 16, расположенной рядом с конденсатором 10, имеются шесть квадратных прорезей размером 18х18 мм2, снабженных пазами, в которые перед началом опыта вставляют стеклянные или слюдяные пластинки 17 (размером 20х20 мм2, толщиной 0,1—1 мм). На эти пластинки осаждаются испаряющиеся вещества; после окончания опыта вкладыши вынимают из вакуумной камеры и подвергают рентгенографическому, электронографическому или другим методам исследования.

Выше было указано, что сразу же после начала нагрева образца остаточное давление в вакуумной рабочей камере несколько возрастает, так как выделяются содержащиеся в образце газы, а затем, через несколько минут или даже долей минуты, это давление стабилизируется. Поскольку скорость испарения зависит от остаточного давления, образовавшийся в начале опыта слой осажденного вещества не принимают в расчет. Для того чтобы вещество, испаряющееся в начале опыта, не осаждалось на стеклянные пластинки, в описываемом приборе применен цилиндрический экран 18, перемещаемый в вакуумной камере по направляющей планке 19 при помощи рычага 20, укрепленного на оси поворотного конуса 21. Этот конус тщательно притерт к зоне сопряжения с корпусом 1 и обеспечивает перемещение экрана 18 из исходного положения (когда экран защищает поверхность конденсатора 10 и обоймы 16 от испаряющихся с образца частиц) в рабочее (когда конденсатор и обоймы открыты), показанное на схеме.

Схема вакуумной системы приборов для изучения испарения была выполнена аналогично показанной на рис. 39, а.

Электрическая схема регулирования температуры нагрева образца при исследовании закономерности испарения, а также соединения элементов аппаратуры вакуумной системы (насосов и вакуумметров) не отличалась от приведенной на рис. 120 принципиальной схемы.

Внешний вид описанного выше прибора помещен на рис. 120,б.

При изучении кинетики испарения и упругости паров металлических порошков И.М. Федорченко и Ю.Б. Ермолович применили метод измерения электропроводности пленки конденсата, образующейся на охлаждаемой стеклянной пластинке в процессе осаждения на нее частиц испаряемых в высоком вакууме металлов и сплавов.

На рис. 121 показана принципиальная схема размещения в вакуумной камере отдельных Элементов устройства, позволяющего производить такие измерения. Тонкий слой порошка исследуемого металла 1 нанесен на площади размером 2х2 см2 на поверхности плоского нагревателя 2, выполненного в виде ленты из вольфрама или молибдена.

Электрический ток подводится к этой ленте для ее нагрева через водоохлаждаемые электроды 3.

Пружина 4 обеспечивает компенсацию теплового расширения нагревателя 2 и сохранение его во время опыта в горизонтальном положении. Питание цепи нагревателя осуществлялось от стабилизатора напряжения «Тесла», что позволяло поддерживать постоянную температуру; контролируется температура при помощи термопары или оптическим пирометром.

Пары металлов конденсируются на стеклянной пластинке 5 с медными электродами 6. Материалом для них служила медь, осажденная на этой же установке при испарении при 1000°С.

Для этого перед стеклянной пластинкой 5 помещали специальную диафрагму с прорезами, конфигурация которых соответствовала требуемой форме электродов 6. Электрическое сопротивление электродов должно быть значительно меньшим, чем исследуемого слоя конденсата.

Размеры показанного штриховкой участка 7, на котором осаждается конденсат, также 2х2 см2. Стеклянная пластинка 5 плотно прижимается к отшлифованной поверхности медного блока 8, охлаждаемого изнутри проточной водой.

Остаточное давление в вакуумной камере установки составляет около 2*10в-6 мм рт. ст. и обеспечивается пароструйным насосом ЦВЛ-100 и ротационным вакуумным насосом РВН-20. Вакуумная система установки выполнена по схеме, приведенной на рис. 39, б, что позволяет при исследовании закономерности испарения сократить до 20—30 мин. время между отдельными опытами.

Данный метод рекомендуется для исследования кинетики испарения металлических порошков любых металлов, обладающих при температуре опыта упругостью паров не ниже 5*10в-8 мм рт. ст. Расстояние между нагревателем и стеклянной пластинкой в описанных авторами экспериментах составляло 50 мм.

М.П. Матвеевой и Л.И. Ивановым создана установка, схема устройства вакуумной камеры которой приведена на рис. 122.

В рабочее пространство высокотемпературной вакуумной печи, образуемое трубчатым молибденовым нагревателем, помещают одновременно десять пар образцов (различных или одинаковых составов). Образцы имеют форму дисков диаметром 14 и 4 мм, толщиной 1 мм, причем образец меньшего диаметра содержит изотоп одного из компонентов изучаемого сплава. Радиоактивный изотоп вводят в малый образец либо во время выплавки сплава, либо путем облучения готового образца тепловыми нейтронами.

Воздух и газы откачивают из камеры вакуумными насосами ЦВЛ-100 и РВН-20, а также адсорбционным угольным насосом упрощенной конструкции до остаточного давления в камере 1*10в-6 мм рт. ст. Температуру контролируют тремя платинородий-платиновыми термопарами; регулируют ее с точностью ±1,5 °С.

Продолжительность выдержки образцов при заданной температуре зависит от режима нагрева и состава сплава. По окончании выдержки образцы охлаждают в вакууме, а затем измеряют радиоактивность мишени. Увеличивая продолжительность выдержки при повторных опытах, проводимых при неизменном значении температуры, и измеряя после каждого опыта радиоактивность неактивного в начале опыта образца, получают экспериментальные данные для построения графика, характеризующего кинетику изотопного обмена в координатах время выдержки при нагреве — количество радиоактивного компонента. Эти данные позволяют вычислять скорость испарения, теплоту сублимации, а также коэффициенты диффузии, свободной энергии и энтропии.

Следует отметить, что изучению скоростей испарения и упругости пара металлов в последние годы уделяют все большее внимание. Это свидетельствует о несомненном развитии этих методов экспериментирования в нашей стране.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: