旋轉定向法測定鉬合金單晶晶體取向

鄭晗煜,薛建嶸,高選喬，2,任廣鵬,郭林江,殷 濤,胡忠武,李來平,張 文

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016) (2.國防科技工業核材料創新中心，北京 102413)

0 引 言

Mo基合金單晶((111)晶面)材料因其優異的高溫抗蠕變、耐中子輻照、電子逸出功低、塑脆轉變溫度低、熱中子捕獲截面小、核材料相容性好等優異性能，成為一種重要的空間用先進電源系統的核心材料[1]。由于單晶材料性能存在各向異性，其應用對晶向有嚴格的要求，因此對單晶晶體取向的判定意義重大。Mo基合金單晶材料取向判定及單晶晶向偏離角常用的方法有激光定向法、X射線定向儀法、勞厄照相法[2]、四圓衍射儀法和基于金相圖像的跡線分析法[2]等。激光定向法僅用于透明單晶材料的定向分析；勞厄法測試過程復雜、周期長，難以滿足大量單晶取向檢測的需要；四圓衍射儀法作為一種先進快速的單晶取向測定方法，但設備昂貴，檢測費用高；而金相圖跡線分析法的步驟偏多且需要專門的分析程序[3]。綜合以上方法的優勢與缺陷，目前應用最為廣泛的是利用X射線衍射儀通過旋轉定向法來進行單晶取向的測定[2-6]。

1 測定原理

單晶的取向是指單晶材料內部特定的晶向與樣品宏觀表面所成夾角[3]。本實驗以電子束懸浮區熔法制得的Mo合金單晶作為研究對象。首先，對樣品進行θ-2θ掃描，當掃描角度滿足布拉格方程時得到最強峰，依據所測譜線可確定與被測表面平行或近似平行晶面的布拉格角θ。隨后，將X射線管與接收器的夾角固定為2θ并對樣品表面進行ω掃描，當被測晶面與樣品表面存在微小角度差時，晶面法線有可能不在衍射平面內從而無法得到衍射峰，因此在ω掃描的同時，樣品以表面法線為軸快速轉動，而晶面法線則會繞表面法線做圓錐轉動。在X射線管由低角向高角掃描的過程中，當晶面法線旋轉的圓錐表面與衍射平面相交并且X射線管與晶面法線呈θ角時，光路滿足布拉格方程，譜圖中出現明顯的衍射強度。又由于存在兩條圓錐表面與衍射平面的交線，因此通過ω掃描得到的搖擺曲線中存在一對基本對稱的衍射峰，又稱“蝴蝶峰”。根據蝴蝶峰的位置ω1、ω2和公式δ=(ω2-ω1)/2，即可計算得到晶面與樣品表面間的夾角，即晶向偏離角δ。

圖1 Omega掃描模式下的測試原理示意圖

2 測試樣品及設備

本實驗選取的樣品材質為西北有色金屬研究院采用電子束懸浮區域熔煉技術沿(111)晶向定向生長的鉬合金單晶棒材(111)，垂直于棒材軸線方向切取厚度約為2 mm的薄片，并對表面進行拋光和酸洗處理即可得到符合測試條件的單晶片狀樣品。本實驗采用的測試設備為德國布魯克D8 AdvanceX射線衍射儀，銅靶Kα射線波長約0.154 18 nm，掃描速度為5°/min。

3 結果與討論

在采用旋轉定向法進行晶向偏離角分析時，搖擺曲線會呈現多種形態，以(111)晶面的鉬合金單晶為例，下面分析討論各形態曲線的成因。

3.1 單峰狀

圖2為1號樣品的搖擺曲線，插圖為θ-2θ掃描的XRD圖譜，從插圖中可以明確該樣品在2θ 為115.74°時存在一個強度高且銳利的衍射峰。1號樣品的搖擺曲線呈單峰狀，說明僅有一個58°的ω角，1號樣品的晶相偏離角為0°，即該單晶的(111)晶面與樣品宏觀上表面平行，樣品測試原理如圖3所示。

3.2 雙峰狀

圖4為2號樣品的搖擺曲線，插圖為其θ-2θ

圖2 1號樣品的搖擺曲線(插圖為2θ掃描)

圖3 1號樣品Omega掃描過程中測試原理示意圖

掃描的XRD圖譜。從插圖中可以看出該樣品在2θ 為115.64°時有最強衍射峰。隨后，在樣品臺水平旋轉的同時，固定X發射光與接收器呈115.64°的夾角后令X發射光從30°開始掃描，直至接收器與樣品端面共面。從2號樣品的搖擺曲線測試結果可以看出，此時ω掃描得到兩個衍射峰，通過幾何分析可知兩峰相對于θ角對稱分布，中心處約為58°，根據衍射峰位置可確定ω1和ω2，分別為56.08°與60.1°，如圖5所示。經計算得樣品2的晶向偏離角為2.01°。事實上，雙峰狀的搖擺曲線相較于單峰狀更為普遍，因為，晶向偏離角為0°的單晶是較為理想的，而更多單晶樣品的晶面都是與樣品表面呈一定角度的偏差。

圖4 2號樣品的搖擺曲線(插圖為2θ掃描)

3.3 多峰狀

3號樣品的θ-2θ掃描結果與搖擺曲線如圖6所示。2θ掃描的XRD圖譜中，在116.84°與118.29°出現了明顯的衍射峰值，說明有亞晶粒的生成。搖擺曲線中有3個衍射峰，也進一步印證了有取向不同的晶粒與亞晶粒。3處衍射峰的位置分別為58°與關于其對稱的57.16°與58.84°,根據公式計算，可得這兩種晶粒的晶向偏離角分別為0°與0.84°。這一結果表明，3號樣品中出現亞晶，亞晶的晶向偏離角為0.84°。圖7為搖擺曲線測試原理示意圖，3種不同ω的測試過程與其相對應的晶粒取向從圖7可得，測試晶向偏離角為0°的晶粒時得到的兩個ω完全相同，故而在搖擺曲線中表現為3處衍射峰。

圖5 2號樣品ω掃描測試原理示意圖

圖6 3號樣品的搖擺曲線(插圖為2θ掃描)

圖7 3號樣品ω掃描測試原理示意圖

圖8為4號單晶樣品的搖擺曲線。左上方插圖表示樣品經2θ掃描時，在116.82°和118.07°處出現衍射峰，說明有兩種取向的亞晶粒。ω掃描時，在56.86°、57.58°、58.48°、59.2°處分別出現了關于58°對稱的兩對峰，根據公式計算可得，兩種亞晶粒的晶向偏離角分別為0.45°與1.17°。圖9為4號樣品ω掃描時的測試原理示意圖，在測試搖擺曲線過程中樣品以中心為軸旋轉時，由于其內部亞晶粒皆與樣品端面呈一定角度，故而會得到4個不同的Omega角，即出現4處衍射峰。

圖8 4號樣品的搖擺曲線(插圖為2θ掃描)

圖9 4號樣品Omega掃描過程中測試原理示意圖

4 結 論

采用旋轉定向法對通過電子束懸浮區域熔煉技術制得鉬合金單晶樣品進行Omega掃描，得到搖擺曲線后計算其晶向偏離角。1、2號樣品內僅存在1個晶粒，且1號為完美(111)取向的單晶，2號樣品的δ為2.01°，3號樣品內部存在具有一定取向差的亞晶粒，這些亞晶粒的晶向偏離角δ分別為0°和0.84°，而4號樣品內部亞晶粒的晶向偏離角δ分別為0.45°和1.17°。1號單晶樣品的取向最為理想，而實際制備的樣品多呈現出2、3、4號樣品的情況。