小角中子散射原位熱力耦合加載裝置

陳 忠,李天富,王子軍,閆士博,劉榮燈,李眉娟,胡文耀,鄒之全,楊宇辰,劉蘊(yùn)韜,孫 凱,陳東風(fēng)

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

中子散射技術(shù)是一種利用中子與物質(zhì)相互作用探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的技術(shù),它已廣泛應(yīng)用于材料、物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)、能源、軍工、醫(yī)藥等眾多研究領(lǐng)域[1]。與X射線(xiàn)和電子等其他探測(cè)手段相比,中子具有不帶電、具有磁矩、對(duì)輕元素靈敏、能分辨同位素等特性,這些特性使得中子散射技術(shù)不僅在基礎(chǔ)科研領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,在工業(yè)應(yīng)用方面也具有明顯優(yōu)勢(shì)[2]。隨著國(guó)際中子科學(xué)裝置的迅猛發(fā)展以及國(guó)內(nèi)用戶(hù)需求的日漸增多,近年來(lái)我國(guó)也在逐步加大投入發(fā)展中子散射技術(shù)并開(kāi)展相關(guān)研究。

小角中子散射技術(shù)是研究材料微觀組織結(jié)構(gòu)的重要實(shí)驗(yàn)手段,它可無(wú)損地表征測(cè)試材料中的納米結(jié)構(gòu),如缺陷、沉淀、孔洞等,觀測(cè)尺寸通常介于1～100 nm之間。相較于電鏡和原子探針等其他表征技術(shù),小角中子散射具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):中子的強(qiáng)穿透力使得測(cè)量結(jié)果具有宏觀統(tǒng)計(jì)性,且適合于加載復(fù)雜樣品環(huán)境;所需樣品制備相對(duì)簡(jiǎn)單,減少由于實(shí)驗(yàn)樣品制備過(guò)程帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差;對(duì)元素周期表的一些近鄰元素,例如鐵、鉻、錳和鎳等的散射襯度大,可獲得較強(qiáng)的中子散射信號(hào),適合研究金屬合金材料[3]。小角中子散射可定量分析樣品內(nèi)部各種納米尺度不均勻結(jié)構(gòu)的形貌、尺寸、數(shù)密度和體積分?jǐn)?shù)等微觀組織信息,若與電鏡以及原子探針結(jié)合,則可得到更全面準(zhǔn)確的納米結(jié)構(gòu)信息[4-5]。

中國(guó)先進(jìn)研究堆建有國(guó)內(nèi)第一臺(tái)小角中子散射譜儀,其配備了機(jī)械速度選擇器、針孔準(zhǔn)直系統(tǒng)和高分辨率二維位置敏感3He中子探測(cè)器。入射中子波長(zhǎng)、源到樣品的距離、樣品到探測(cè)器的距離以及中子聚焦透鏡可靈活調(diào)整,實(shí)現(xiàn)散射矢量Q值范圍從0.001 ?-1到0.5 ?-1。譜儀樣品位置沿中子束流方向的空間接近1 m,可配備多種中子散射原位樣品環(huán)境裝置[6]。目前世界主要中子科學(xué)中心的小角散射譜儀均配置了原位高溫樣品環(huán)境,如法國(guó)勞厄-朗之萬(wàn)研究所(ILL)的小角中子譜儀配有最高1 250 ℃的高溫爐,英國(guó)ISIS散裂中子源的高溫爐可加載最高2 000 ℃的溫度,美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)也擁有高溫爐,最高工作溫度1 300 ℃,使得EQ-SANS和GP-SANS小角中子譜儀都可開(kāi)展原位高溫實(shí)驗(yàn),另外GP-SANS小角中子譜儀還可進(jìn)行原位力學(xué)加載。

基于小角散射原位高溫加載裝置,各國(guó)科學(xué)家針對(duì)合金材料開(kāi)展多項(xiàng)研究工作。He等在瑞士PSI的SANS-I小角譜儀上開(kāi)展Fe-Cu合金原位時(shí)間分辨的小角中子散射研究,發(fā)現(xiàn)在550 ℃進(jìn)行熱時(shí)效時(shí),預(yù)應(yīng)力可在時(shí)效早期階段加速Cu的析出,使得位錯(cuò)處的Cu析出物數(shù)量顯著增加[7]。Boothby等利用ILL的D11小角中子譜儀開(kāi)展輻照后的RPV鋼原位退火實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在退火過(guò)程中低Ni含量的反應(yīng)堆壓力容器鋼(RPV鋼)溶質(zhì)團(tuán)簇的體積分?jǐn)?shù)明顯降低,而高Ni含量的RPV鋼團(tuán)簇出現(xiàn)粗化[8]。

本文基于中國(guó)先進(jìn)研究堆小角中子散射譜儀,針對(duì)中、高溫結(jié)構(gòu)材料近工況微觀組織實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)表征需求,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套小角中子散射專(zhuān)用原位熱力耦合加載裝置,建立原位中子小角散射實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法,開(kāi)展鎳基單晶高溫合金原位小角中子散射實(shí)驗(yàn)研究。

1 熱力耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

原位熱力耦合加載小角中子散射實(shí)驗(yàn)裝置主要由3個(gè)部分組成:前端導(dǎo)管準(zhǔn)直系統(tǒng)、樣品環(huán)境及后端探測(cè)器系統(tǒng),如圖1所示。中子束從前端導(dǎo)管準(zhǔn)直系統(tǒng)出射后,到達(dá)樣品處發(fā)生散射,散射后的中子束由后端探測(cè)器系統(tǒng)接收并采集數(shù)據(jù)。熱力耦合加載的樣品環(huán)境的設(shè)計(jì)要求為在不影響中子束質(zhì)量和強(qiáng)度的情況下,給樣品同時(shí)施加力學(xué)和溫度載荷。

圖1 熱力耦合小角中子散射原位測(cè)試示意圖Fig.1 Sketch map of in-situ thermodynamic coupling SANS analysis

1.2 總體設(shè)計(jì)

原位熱力耦合加載裝置是一種能在中子光路上對(duì)材料樣品同時(shí)施加力學(xué)載荷和溫度載荷的設(shè)備,主要由3個(gè)部分構(gòu)成:蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)、中子透明真空爐和xyz三維可調(diào)移動(dòng)底座。其中,蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行力學(xué)加載,性能指標(biāo)需達(dá)到所要求的試驗(yàn)力值、速度、行程等。真空加熱爐通過(guò)機(jī)械固定裝置安裝在試驗(yàn)機(jī)立柱上,使得樣品位于爐體中心,并與中子束流高度對(duì)齊。真空爐與試驗(yàn)機(jī)之間的接口采用波紋管進(jìn)行動(dòng)態(tài)密封,既保證了拉伸過(guò)程中的真空度,又避免了對(duì)試驗(yàn)力值精度的影響。可調(diào)底座用于控制試驗(yàn)機(jī)及真空爐的三維位置和方向,使得中子束能夠通過(guò)高溫爐窗口并與樣品軸心線(xiàn)重合。此外,還配備了真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、控制電源系統(tǒng)等輔助設(shè)備,以保證裝置的正常運(yùn)行和安全性。其主要設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)列于表1,主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 熱力耦合原位小角中子實(shí)驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Specifications of in-situ thermodynamic coupling SANS device

圖2 熱力耦合小角散射原位分析裝置示意圖Fig.2 Sketch map of in-situ thermodynamic coupling SANS device

1.3 真空爐設(shè)計(jì)

真空加熱爐的主要組成部分如圖3所示,包括不銹鋼外殼、應(yīng)力負(fù)荷接口、鈮網(wǎng)加熱元件、絕緣石墨氈、藍(lán)寶石中子窗口、水冷通道、加熱電極、真空閥、真空硅管和熱電偶等。通過(guò)分子泵和機(jī)械泵的組合抽真空,真空泵處的真空度可達(dá)1×10-4Pa,加熱爐頂部的真空度可達(dá)2×10-2Pa。

圖3 真空加熱爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Sketch map of in-situ heating furnace

中子窗口是真空加熱爐的重要組件之一,它位于加熱爐的兩側(cè),一側(cè)是直徑為35 mm的入射窗口,另一側(cè)是直徑為90 mm的出射窗口。窗口材料是厚度為2 mm的藍(lán)寶石圓盤(pán),兩個(gè)窗口的中心在同一軸線(xiàn)上。藍(lán)寶石材料具有耐高溫、中子衰減小的特點(diǎn),同時(shí)由于其光學(xué)透明度,可直接觀察加熱爐內(nèi)部情況。

加熱元件是真空加熱爐的核心部件,它采用阻性加熱,兩個(gè)鈮網(wǎng)狀加熱元件沿中子路徑對(duì)稱(chēng)布置,不會(huì)阻擋中子束。加熱元件采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可防止重復(fù)加熱后變形。樣品和夾具沿著兩個(gè)加熱元件的中間垂直方向排列,這種對(duì)稱(chēng)布局使得樣品位置具有均勻的溫度分布,并且方便對(duì)樣品施加拉伸力。

溫度控制器是真空加熱爐的控制部件,它帶有微型計(jì)算機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)儀,可以數(shù)字顯示測(cè)試溫度和加熱參數(shù)。溫度控制器通過(guò)加熱電極向加熱元件提供電流。溫度控制器還可以根據(jù)設(shè)定的溫度曲線(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)電流大小,以實(shí)現(xiàn)恒定溫度或動(dòng)態(tài)溫度變化。

溫度檢測(cè)器是真空加熱爐的測(cè)量部件,它由多個(gè)不同位置的熱電偶組成。每個(gè)樣品都被一根細(xì)小K型熱電偶緊密地纏繞,而冷端則引出到絕緣硅管內(nèi),并通過(guò)硅管引出到外部連接到溫度控制器上。這樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品表面溫度,并與設(shè)定溫度進(jìn)行比較。

2 系統(tǒng)性能測(cè)試

2.1 控制系統(tǒng)

原位裝置的控制系統(tǒng)主要由高溫電子蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)和蠕變計(jì)算機(jī)程序組成。高溫電子蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)能夠?qū)Σ牧蠘悠肥┘雍愣ɑ蜃兓牧W(xué)載荷,并測(cè)量樣品的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)。該試驗(yàn)機(jī)采用鑄造形式的重載荷架,保證了測(cè)試的精度和穩(wěn)定性。

用于控制和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)的程序采用雙ARM架構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了測(cè)控和數(shù)據(jù)處理的分離,能夠同時(shí)處理大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該程序還采用了先進(jìn)的自適應(yīng)PID控制算法,使得不同材料的試樣無(wú)需修改試驗(yàn)機(jī)的PID參數(shù),就能達(dá)到超高的控制精度。該程序還提供了觸摸屏操作界面,可方便地在本地設(shè)定試驗(yàn)過(guò)程的參數(shù)。此外,為提高設(shè)備的安全可靠性,試驗(yàn)機(jī)還采用了雙限位保護(hù)機(jī)構(gòu),防止超出設(shè)定范圍。

2.2 參數(shù)檢驗(yàn)

為驗(yàn)證裝置的性能,對(duì)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)與檢驗(yàn),主要檢測(cè)爐溫和力加載兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。使用標(biāo)準(zhǔn)儀表對(duì)原位裝置的測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn),在200～800 ℃的范圍內(nèi),每隔100 ℃校準(zhǔn)一次,比較了標(biāo)準(zhǔn)儀表和原位裝置儀表的讀數(shù)。校準(zhǔn)后,兩者的讀數(shù)完全一致,校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度為0.5 ℃。然后開(kāi)啟真空加熱爐,設(shè)置一系列的目標(biāo)加熱溫度。這些溫度為400～800 ℃不等,每個(gè)溫度升溫30 min,保溫40 min。待控溫系統(tǒng)穩(wěn)定后,記錄了控溫?zé)犭娕紲y(cè)量的溫度。結(jié)果顯示,測(cè)量值與設(shè)定值完全一致。由于顯示值有效位數(shù)在個(gè)位數(shù),所以整個(gè)加熱過(guò)程中測(cè)量溫度相對(duì)目標(biāo)溫度的波動(dòng)范圍應(yīng)在1 ℃以?xún)?nèi)。因此原位裝置真空爐的溫控精度優(yōu)于±1 ℃。

最后,在2.00～20.00 kN之間設(shè)置不同的拉力,通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)機(jī)和負(fù)荷測(cè)量?jī)x的讀數(shù)檢測(cè)試驗(yàn)機(jī)的力加載精度。每個(gè)拉力重復(fù)3次測(cè)量,計(jì)算負(fù)荷測(cè)量?jī)x3次讀數(shù)的平均值,并與設(shè)定值進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示,平均值與設(shè)定值非常接近,分別在1.996～20.06 kN之間。這說(shuō)明拉伸試驗(yàn)機(jī)的最大加載拉力為20 kN,校準(zhǔn)后對(duì)應(yīng)10 kN的拉力精度優(yōu)于0.3%,溫度和力值響應(yīng)如圖4所示。

圖4 溫度和力值測(cè)試結(jié)果Fig.4 Results of temperature and force test

3 原位高溫蠕變小角中子散射實(shí)驗(yàn)

3.1 鎳基高溫合金原位高溫蠕變小角散射實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證裝置的性能和實(shí)驗(yàn)的方法,選擇鎳基單晶高溫合金作為研究對(duì)象,開(kāi)展了原位小角中子散射實(shí)驗(yàn)。鎳基單晶合金是一種在高溫下具有良好機(jī)械性能的合金,廣泛應(yīng)用于航空航天和核能等領(lǐng)域[9]。通過(guò)中子原位實(shí)驗(yàn),可研究鎳基單晶合金在熱力耦合條件下的微觀組織結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律,從而揭示其高溫蠕變機(jī)制,為提高材料的服役性能提供依據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)所用的樣品是一塊板狀的鎳基單晶合金,其沿中子束流方向的厚度為1.5 mm(圖5)。

圖5 樣品形狀及尺寸Fig.5 Sample shape and size

為研究鎳基單晶高溫合金在不同溫度和力值加載條件下的納米結(jié)構(gòu)演化,在裝置中進(jìn)行了(800 ℃,3 kN)和(800 ℃,5 kN)的加載實(shí)驗(yàn)。在開(kāi)展原位實(shí)驗(yàn)前,先對(duì)該樣品進(jìn)行了非加載小角中子散射測(cè)試,以對(duì)比不加載溫度和力時(shí),裝置本身對(duì)散射信號(hào)的影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

對(duì)該樣品進(jìn)行了非加載小角實(shí)驗(yàn)測(cè)試,觀測(cè)到了與單晶材料特征相符的各向異性散射信號(hào)。當(dāng)探測(cè)器距樣品4.6 m時(shí),非加載散射數(shù)據(jù)如圖6a所示;當(dāng)探測(cè)器距離樣品1.8 m時(shí),非加載散射數(shù)據(jù)如圖6b所示。隨后將鎳基合金拉伸試樣裝入原位加載裝置的樣品位置,并不加載高溫和拉力。當(dāng)探測(cè)器與樣品距離4.6 m時(shí),得到了小角散射數(shù)據(jù)如圖6c所示。發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖6a基本一致,這說(shuō)明原位裝置的使用對(duì)樣品小角散射信號(hào)無(wú)明顯干擾。也說(shuō)明樣品位置定位是準(zhǔn)確的。圖6c相對(duì)6a的圖譜有兩處較小差異,一是在探測(cè)器平面圖譜有旋轉(zhuǎn),二是圖譜強(qiáng)度分布有展寬。這兩個(gè)變化的原因分別是:單晶樣品的小角散射信號(hào)具有方向性,而原位實(shí)驗(yàn)和非原位實(shí)驗(yàn)時(shí)樣品的方向不同;原位裝置的使用導(dǎo)致了小角散射信號(hào)的背景增加。

圖6 鎳基單晶高溫合金二維小角中子譜Fig.6 Two-dimensional small-angle neutron scattering spectrum of nickel-based single crystal superalloy

升高溫度到800 ℃,加載拉力3 kN,小角數(shù)據(jù)如圖7a所示,可發(fā)現(xiàn)各向異性散射信號(hào)增強(qiáng)。保持800 ℃,試驗(yàn)力升高至5 kN,測(cè)試結(jié)果如圖7b,試驗(yàn)力增大后散射數(shù)據(jù)并無(wú)明顯變化。熱力耦合同時(shí)作用,鎳基單晶高溫合金的原位小角中子散射數(shù)據(jù)與圖6對(duì)比出現(xiàn)明顯差異,說(shuō)明此過(guò)程中樣品微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,這一散射特點(diǎn)可能源自γ基體中析出的立方狀γ'相[10]。上述測(cè)試結(jié)果表明該原位裝置可實(shí)現(xiàn)高溫和力學(xué)同時(shí)加載下的小角中子散射測(cè)量。

圖7 鎳基單晶高溫合金小角中子散射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.7 In-situ SANS data of nickel-based single crystal superalloy

原位小角分析裝置能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鎳基單晶高溫合金在熱力耦合條件下微觀組織結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化,為探索γ/γ′兩相組織的演變機(jī)制提供了新的實(shí)驗(yàn)手段。該裝置還可用于研究不同高溫蠕變工藝參數(shù)對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)的影響,為高溫結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和評(píng)估提供依據(jù)。

4 結(jié)論

1) 依托中國(guó)先進(jìn)研究堆小角中子散射譜儀設(shè)計(jì)研制一套原位熱力耦合加載樣品環(huán)境裝置,可以用于在高溫和拉力同時(shí)加載的條件下開(kāi)展小角中子散射實(shí)驗(yàn)測(cè)量,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)最高溫度800 ℃和最大拉力加載20 kN。

2) 基于研發(fā)的熱力耦合加載樣品環(huán)境裝置和小角中子散射譜儀,以鎳基單晶高溫合金為樣品,開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究,觀測(cè)到試樣γ'納米析出相結(jié)構(gòu)在高溫拉力加載過(guò)程中的變化。

配備了原位熱力耦合加載樣品環(huán)境裝置的小角中子散射譜儀,可開(kāi)展材料在近工況條件下的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的實(shí)時(shí)演變過(guò)程研究,有助于解決工程材料及部件在加工和服役中所面臨的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。

感謝中國(guó)科學(xué)院金屬研究所劉實(shí)研究員在裝置設(shè)計(jì)方面提供了有益討論和支持,沈陽(yáng)理工大學(xué)杜曉明教授在高溫拉伸試樣制備方面提供了支持,中國(guó)先進(jìn)研究堆提供中子束流開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。