短波長X射線體應(yīng)力無損分析儀

竇作勇 馬策 談笑 陳力 李云 張鵬程 馬培培

摘 要：四川藝精科技集團有限公司攻克小焦斑X射線管、X射線單色化等核心技術(shù)，自研高精度測角儀及測控系統(tǒng)等關(guān)鍵部組件，通過系統(tǒng)集成，成功研制出短波長X射線體應(yīng)力無損分析儀。

關(guān)鍵詞：X射線；應(yīng)力分析儀；無損分析

在航空航天、機械制造等國民經(jīng)濟等各領(lǐng)域，由于材料、工件內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致失效的案例比比皆是，給國家和人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。材料、工件應(yīng)力狀態(tài)與分布特征是影響其服役性能的重要因素，也是基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用研究的重要研究領(lǐng)域。但是，常規(guī)的X射線應(yīng)力測量技術(shù)只能夠獲得材料表層約10微米深度的應(yīng)力結(jié)果，無法開展材料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的無損測量與研究。為了解決這一難題，西方發(fā)達(dá)國家利用中子源產(chǎn)生的中子和高能同步輻射裝置產(chǎn)生的短波長X射線，建立無損測定材料、工件內(nèi)部應(yīng)力的衍射技術(shù)，并將該技術(shù)用于相關(guān)基礎(chǔ)研究和工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)。由于這兩種技術(shù)分別需要核反應(yīng)堆和高能同步輻射裝置作為光源，其推廣應(yīng)用受到一定的限制。因此，無損測定材料、工件內(nèi)部應(yīng)力問題仍未得到有效解決，迫切需要可以廣泛使用的無損檢測手段。

四川藝精科技集團有限公司聯(lián)合多家參研單位，攻克小焦斑X射線管、X射線單色化等核心技術(shù)，自研高精度測角儀及測控系統(tǒng)等關(guān)鍵部組件，通過系統(tǒng)集成，成功研制出短波長X射線體應(yīng)力無損分析儀。該儀器采用重金屬靶X射線管發(fā)出的短波長X射線作為光源，特征X射線的波長短，可無損測定厚度達(dá)40mm鋁當(dāng)量厚度材料或工件內(nèi)部不同深度、不同部位的物相、織構(gòu)和應(yīng)力等，滿足X射線應(yīng)力測量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7704-2008中的相關(guān)要求。短波長X射線應(yīng)力無損分析儀規(guī)范 （ZWB 449-2015）和短波長X射線應(yīng)力測量方法標(biāo)準(zhǔn)（ZWB 448-2015） 已獲中國工程物理研究院批準(zhǔn)并頒布實施，并在應(yīng)力分析領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。儀器相關(guān)技術(shù)獲得了中國、美國和歐洲的發(fā)明專利授權(quán)及中國第十三屆專利優(yōu)秀獎和第七屆國際發(fā)明博覽會金獎。儀器產(chǎn)品獲得2016中國科學(xué)儀器行業(yè)協(xié)會頒發(fā)的第十屆“科學(xué)儀器優(yōu)秀新品”獎。

2012年，儀器項目獲得了“國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項（項目編號：2012YQ130234）”的支持。在該項目的支持下，儀器研發(fā)團隊在關(guān)鍵部組件研發(fā)、應(yīng)力分析軟件優(yōu)化、儀器的應(yīng)用開發(fā)及市場推廣等方面開展了大量的工作。截至目前，已實現(xiàn)儀器銷售4臺。2015年10月，四川省科技廳、四川省經(jīng)濟和信息化委員會組織專家分別對“短波長X射線體應(yīng)力無損分析儀”和“短波長X射線衍射分析技術(shù)”進(jìn)行了鑒定，鑒定結(jié)論為：短波長X射線體應(yīng)力無損分析儀屬國際首創(chuàng)，設(shè)計先進(jìn)、制造精密、穩(wěn)定可靠，專家組同意通過鑒定，建議加快推廣應(yīng)用。2015年10月18日，科技日報于頭版頭條對儀器的成功研制進(jìn)行了報道；同年12月19日，中央電視臺新聞聯(lián)播對儀器產(chǎn)品進(jìn)行了報道。

儀器的主要參數(shù)：

1）可穿透40mm鋁當(dāng)量厚度樣品；

2）無應(yīng)力鐵粉標(biāo)樣應(yīng)力測量誤差±20MPa；

3）綜合穩(wěn)定度優(yōu)于1%；

4）最小空間分辨率為0.1mm×0.2mm×2mm（寬×高×厚、可調(diào)）；

5）外形尺寸：1300mm×1550mm×2000mm；

6）樣品臺最大承重：50kg。

近年來，利用該儀器開展了大量的應(yīng)用研究工作，如材料內(nèi)部物相分析、高壓相變和工件內(nèi)部應(yīng)力測定等。在材料內(nèi)部物相分析方面：主要對鈀基非晶、某鈾基合金、玉石、航空發(fā)動機葉片內(nèi)部型芯殘留物等進(jìn)行了內(nèi)部物相分析，解決了常規(guī)X射線衍射儀無法分析材料內(nèi)部物相的難題，為實際工程問題提供了解決方法；已通過實驗證明，該儀器可用于靜高壓相變研究，進(jìn)一步拓展了儀器的應(yīng)用領(lǐng)域，對儀器相關(guān)組件進(jìn)行優(yōu)化后，可解決目前高壓相變研究主要依賴國內(nèi)外先進(jìn)同步輻射光源的現(xiàn)象。在應(yīng)力測試方面：為高鐵用焊接鋁板、航空發(fā)動機葉片、核工業(yè)用鈹材、管狀樣品等進(jìn)行了應(yīng)力分析，為工件的工藝優(yōu)化提供了重要參考。