РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Исследование фазовых превращений в сплавах методом дифференциального термического анализа
Метод дифференциального термического анализа (ДТА) основан на сравнении термических свойств образца исследуемого вещества и вещества эталонного, являющегося термически инертным в интересующем интервале температур ?97?. Регистрируемым параметром при этом служит разность температур исследуемого и эталонного образцов, измеряемая при их нагревании или охлаждении с постоянной скоростью. Отличительной особенностью метода ДТА является то, что регистрирующие термопары эталонного и исследуемого образцов соединены навстречу друг другу (рис. 2.1).
При таком соединении даже незначительная разница в температурах образцов приводит к появлению разности потенциалов, которая при соответствующем усилении сигнала может быть определена.
Исследования выполняли методом дифференциально-термического анализа на установке, основным элементом которой является термоанализатор ГДТД-24 АВ фирмы "SETARAM" (Франция). Установка позволяет в автоматическом режиме с заданной скоростью нагрева фиксировать пороговые температуры тепловых эффектов. Она снабжена системой автоматического съема и обработки данных на базе персонального компьютера типа IBM PC.
Нагрев ведется в контролируемой газовой среде, в том числе инертной или в вакууме. Интервалы исследуемых температур ? от 300 до 1550 ?С. Диапазон регулируемых скоростей нагрева ? от 1 до 80 град/мин.
Для машинной обработки результатов измерений разработан пакет программ, позволяющих рассчитывать площади пиков ДТА и энтальпию процесса, а также вести статистическую обработку, представлять результаты в виде графиков и таблиц.
Перед выполнением каждой серии дифференциально-термических исследований термоанализатор калибровали высокочистыми металлами, являющимися эталонами согласно МПТШ 68. Термодинамические характеристики используемых эталонов приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Термодинамические характеристики металлов чистоты о.с.ч.
согласно МПТШ 68
Термодинамические параметрыЗначения для различных металловInSnZnAlAuPdТпл., ?С156,6231,3419,6660,41064,41554,0?Н пл., Дж/г28,460,6108,6385,163,7159,8
По результатам калибровки рассчитывали поправочные коэффициенты и вводили их в соответствующие программы для обработки экспериментальных данных. Это обеспечило точность определения температур по ДТА не хуже, чем ? 1 ?С. Характер термограммы определяется свойствами исследуемого вещества - его составом, структурой, дисперсностью, а также теплоемкостью и теплопроводностью. Кроме того, на геометрическую форму термограммы оказывают существенное влияние условия эксперимента - скорость нагрева или охлаждения, величина образцов, чувствительность измерительной ячейки, форма и материал тигля, атмосфера печи и др. Поэтому для получения хорошо воспроизводимых результатов условия эксперимента стабилизировались.
2.2. Установка и методика измерения поверхностных свойств высокотемпературных расплавов методом лежащей капли
Метод лежащей капли широко известен и методически достаточно обоснован ?98-102?. В настоящей работе объектом исследования являлись следующие характеристики расплавов: краевой угол смачивания графитовой подложки (?), поверхностное натяжение (?жг) и энергия адгезии (W?). Краевой угол смачивания определялся путем измерения угла между плоскостью подложки и касательной, проведенной к капле исследуемого расплава в точке ее контакта с подложкой. При этом ошибка измерений ? составляла ? 5 град. Поверхностное натяжение расплава рассчитывалось по известному уравнению:
?жг = a2g??(2.1)
где a - капиллярная постоянная;
g - ускорение свободного падения;
?? - разность плотностей между жидкой и газообразной фазами.
Капиллярная постоянная рассчитывалась по формуле ?100?:
a2/r2 = h2/r2 - 0,66 h3/r3 (1 - 4,05 h2/r2)(2.2)
где r - экваториальный радиус жидкой капли;
h - расстояние от вершины капли до экваториальной плоскости.
Энергия адгезии определялась как функция поверхностного натяжения и краевого угла смачивания по формуле ?100?:
W? = ?жг (1 + cos ?)(2.3)
Необходимые для расчетов величины определяли следующим образом: капиллярная постоянная рассчитывалась по уравнению, предложенному в работе ?100?, плотность расплава вычислялась как отношение массы капли к ее объему, при этом масса определялась как среднее значение взвешиваний образца до и после эксперимента, а объем - по формуле, приведенной Хантадзе в работе ?103?.
Поверхностные свойства высокотемпературных расплавов исследовали на установке, принципиальная схема которой изображена на рис. 2.2. Установка содержит камеру нагрева 1, выполненную в цельнометаллическом водоохлаждаемом корпусе, смотровые окна 2 и 3 соответственно для подсветки и фотографирования, фланец 4 с патрубком 5 для подсоединения камеры к вакуумному посту 6, состоящему из вакуумного агрегата и форвакуумного насоса. Горизонтальная установка камеры осуществляется с помощью столика 7.
Продольный разрез камеры нагрева со столиком и каплей расплава на подложке представлен на рис. 2.3. Внутри камеры нагрева установлена печь, в состав которой входит нагреватель 1, изготовленный из вольфрама и окруженный набором из вольфрамовых экранов 2. На столике 3, выполненном из ниобия, устанавливается подложка из исследуемого материала 4. На подложке помещается капля из исследуемого расплава 5. Для защиты зеркальной поверхности капли от отражения в ней окружающих деталей установлен вспомогательный экран 6 с противоположно расположенными окнами. Подсветка осуществляется с помощью источника света 7, а съемка ? видеокамерой 8. Дальнейшая обработка изображения проводилась на компьютере с помощью специальной программы.
Установка позволяет проводить исследования в вакууме при температуре до 2000?С и в среде инертного газа ? до 1800?С. Измерения проводились в инертной среде в интервале температур 1200-1500 (C. Для создан