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,劉蘊韜,孫 凱,陳東風

(中國原子能科學研究院,北京 102413)

中子散射技術是一種利用中子與物質相互作用探測物質結構和性質的技術,它已廣泛應用于材料、物理、化學、生物、地質、能源、軍工、醫藥等眾多研究領域[1]。與X射線和電子等其他探測手段相比,中子具有不帶電、具有磁矩、對輕元素靈敏、能分辨同位素等特性,這些特性使得中子散射技術不僅在基礎科研領域發揮著重要作用,在工業應用方面也具有明顯優勢[2]。隨著國際中子科學裝置的迅猛發展以及國內用戶需求的日漸增多,近年來我國也在逐步加大投入發展中子散射技術并開展相關研究。

小角中子散射技術是研究材料微觀組織結構的重要實驗手段,它可無損地表征測試材料中的納米結構,如缺陷、沉淀、孔洞等,觀測尺寸通常介于1～100 nm之間。相較于電鏡和原子探針等其他表征技術,小角中子散射具有其獨特的優勢:中子的強穿透力使得測量結果具有宏觀統計性,且適合于加載復雜樣品環境;所需樣品制備相對簡單,減少由于實驗樣品制備過程帶來的實驗誤差;對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,可獲得較強的中子散射信號,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部各種納米尺度不均勻結構的形貌、尺寸、數密度和體積分數等微觀組織信息,若與電鏡以及原子探針結合,則可得到更全面準確的納米結構信息[4-5]。

中國先進研究堆建有國內第一臺小角中子散射譜儀,其配備了機械速度選擇器、針孔準直系統和高分辨率二維位置敏感3He中子探測器。入射中子波長、源到樣品的距離、樣品到探測器的距離以及中子聚焦透鏡可靈活調整,實現散射矢量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境裝置[6]。目前世界主要中子科學中心的小角散射譜儀均配置了原位高溫樣品環境,如法國勞厄-朗之萬研究所(ILL)的小角中子譜儀配有最高1 250 ℃的高溫爐,英國ISIS散裂中子源的高溫爐可加載最高2 000 ℃的溫度,美國橡樹嶺國家實驗室(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展原位高溫實驗,另外GP-SANS小角中子譜儀還可進行原位力學加載。

基于小角散射原位高溫加載裝置,各國科學家針對合金材料開展多項研究工作。He等在瑞士PSI的SANS-I小角譜儀上開展Fe-Cu合金原位時間分辨的小角中子散射研究,發現在550 ℃進行熱時效時,預應力可在時效早期階段加速Cu的析出,使得位錯處的Cu析出物數量顯著增加[7]。Boothby等利用ILL的D11小角中子譜儀開展輻照后的RPV鋼原位退火實驗研究,結果表明,在退火過程中低Ni含量的反應堆壓力容器鋼(RPV鋼)溶質團簇的體積分數明顯降低,而高Ni含量的RPV鋼團簇出現粗化[8]。

本文基于中國先進研究堆小角中子散射譜儀,針對中、高溫結構材料近工況微觀組織實時動態表征需求,設計開發一套小角中子散射專用原位熱力耦合加載裝置,建立原位中子小角散射實驗測試方法,開展鎳基單晶高溫合金原位小角中子散射實驗研究。

1 熱力耦合系統設計

1.1 基本原理

原位熱力耦合加載小角中子散射實驗裝置主要由3個部分組成:前端導管準直系統、樣品環境及后端探測器系統,如圖1所示。中子束從前端導管準直系統出射后,到達樣品處發生散射,散射后的中子束由后端探測器系統接收并采集數據。熱力耦合加載的樣品環境的設計要求為在不影響中子束質量和強度的情況下,給樣品同時施加力學和溫度載荷。

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

1.2 總體設計

原位熱力耦合加載裝置是一種能在中子光路上對材料樣品同時施加力學載荷和溫度載荷的設備,主要由3個部分構成:蠕變試驗機、中子透明真空爐和xyz三維可調移動底座。其中,蠕變試驗機對樣品進行力學加載,性能指標需達到所要求的試驗力值、速度、行程等。真空加熱爐通過機械固定裝置安裝在試驗機立柱上,使得樣品位于爐體中心,并與中子束流高度對齊。真空爐與試驗機之間的接口采用波紋管進行動態密封,既保證了拉伸過程中的真空度,又避免了對試驗力值精度的影響。可調底座用于控制試驗機及真空爐的三維位置和方向,使得中子束能夠通過高溫爐窗口并與樣品軸心線重合。此外,還配備了真空系統、水冷系統、控制電源系統等輔助設備,以保證裝置的正常運行和安全性。其主要設計指標參數列于表1,主體結構如圖2所示。

表1 熱力耦合原位小角中子實驗裝置主要技術參數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 真空爐設計

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

圖3 真空加熱爐結構簡圖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,一側是直徑為35 mm的入射窗口,另一側是直徑為90 mm的出射窗口。窗口材料是厚度為2 mm的藍寶石圓盤,兩個窗口的中心在同一軸線上。藍寶石材料具有耐高溫、中子衰減小的特點,同時由于其光學透明度,可直接觀察加熱爐內部情況。

加熱元件是真空加熱爐的核心部件,它采用阻性加熱,兩個鈮網狀加熱元件沿中子路徑對稱布置,不會阻擋中子束。加熱元件采用加強結構設計,可防止重復加熱后變形。樣品和夾具沿著兩個加熱元件的中間垂直方向排列,這種對稱布局使得樣品位置具有均勻的溫度分布,并且方便對樣品施加拉伸力。

溫度控制器是真空加熱爐的控制部件,它帶有微型計算機數字調節儀,可以數字顯示測試溫度和加熱參數。溫度控制器通過加熱電極向加熱元件提供電流。溫度控制器還可以根據設定的溫度曲線自動調節電流大小,以實現恒定溫度或動態溫度變化。

溫度檢測器是真空加熱爐的測量部件,它由多個不同位置的熱電偶組成。每個樣品都被一根細小K型熱電偶緊密地纏繞,而冷端則引出到絕緣硅管內,并通過硅管引出到外部連接到溫度控制器上。這樣可以實時監測樣品表面溫度,并與設定溫度進行比較。

2 系統性能測試

2.1 控制系統

原位裝置的控制系統主要由高溫電子蠕變試驗機和蠕變計算機程序組成。高溫電子蠕變試驗機能夠對材料樣品施加恒定或變化的力學載荷,并測量樣品的位移、應力、應變等參數。該試驗機采用鑄造形式的重載荷架,保證了測試的精度和穩定性。

用于控制和處理試驗數據的程序采用雙ARM架構設計,實現了測控和數據處理的分離,能夠同時處理大量試驗數據。該程序還采用了先進的自適應PID控制算法,使得不同材料的試樣無需修改試驗機的PID參數,就能達到超高的控制精度。該程序還提供了觸摸屏操作界面,可方便地在本地設定試驗過程的參數。此外,為提高設備的安全可靠性,試驗機還采用了雙限位保護機構,防止超出設定范圍。

2.2 參數檢驗

為驗證裝置的性能,對裝置進行校準與檢驗,主要檢測爐溫和力加載兩項技術指標。使用標準儀表對原位裝置的測溫系統進行了校準,在200～800 ℃的范圍內,每隔100 ℃校準一次,比較了標準儀表和原位裝置儀表的讀數。校準后,兩者的讀數完全一致,校準結果的不確定度為0.5 ℃。然后開啟真空加熱爐,設置一系列的目標加熱溫度。這些溫度為400～800 ℃不等,每個溫度升溫30 min,保溫40 min。待控溫系統穩定后,記錄了控溫熱電偶測量的溫度。結果顯示,測量值與設定值完全一致。由于顯示值有效位數在個位數,所以整個加熱過程中測量溫度相對目標溫度的波動范圍應在1 ℃以內。因此原位裝置真空爐的溫控精度優于±1 ℃。

最后,在2.00～20.00 kN之間設置不同的拉力,通過對比試驗機和負荷測量儀的讀數檢測試驗機的力加載精度。每個拉力重復3次測量,計算負荷測量儀3次讀數的平均值,并與設定值進行了比較。結果顯示,平均值與設定值非常接近,分別在1.996～20.06 kN之間。這說明拉伸試驗機的最大加載拉力為20 kN,校準后對應10 kN的拉力精度優于0.3%,溫度和力值響應如圖4所示。

圖4 溫度和力值測試結果Fig.4 Results of temperature and force test

3 原位高溫蠕變小角中子散射實驗

3.1 鎳基高溫合金原位高溫蠕變小角散射實驗

為驗證裝置的性能和實驗的方法,選擇鎳基單晶高溫合金作為研究對象,開展了原位小角中子散射實驗。鎳基單晶合金是一種在高溫下具有良好機械性能的合金,廣泛應用于航空航天和核能等領域[9]。通過中子原位實驗,可研究鎳基單晶合金在熱力耦合條件下的微觀組織結構及其演變規律,從而揭示其高溫蠕變機制,為提高材料的服役性能提供依據。本次實驗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構演化,在裝置中進行了(800 ℃,3 kN)和(800 ℃,5 kN)的加載實驗。在開展原位實驗前,先對該樣品進行了非加載小角中子散射測試,以對比不加載溫度和力時,裝置本身對散射信號的影響。

3.2 實驗結果與討論

對該樣品進行了非加載小角實驗測試,觀測到了與單晶材料特征相符的各向異性散射信號。當探測器距樣品4.6 m時,非加載散射數據如圖6a所示;當探測器距離樣品1.8 m時,非加載散射數據如圖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。當探測器與樣品距離4.6 m時,得到了小角散射數據如圖6c所示。發現該實驗結果與圖6a基本一致,這說明原位裝置的使用對樣品小角散射信號無明顯干擾。也說明樣品位置定位是準確的。圖6c相對6a的圖譜有兩處較小差異,一是在探測器平面圖譜有旋轉,二是圖譜強度分布有展寬。這兩個變化的原因分別是:單晶樣品的小角散射信號具有方向性,而原位實驗和非原位實驗時樣品的方向不同;原位裝置的使用導致了小角散射信號的背景增加。

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,小角數據如圖7a所示,可發現各向異性散射信號增強。保持800 ℃,試驗力升高至5 kN,測試結果如圖7b,試驗力增大后散射數據并無明顯變化。熱力耦合同時作用,鎳基單晶高溫合金的原位小角中子散射數據與圖6對比出現明顯差異,說明此過程中樣品微觀組織結構發生變化,這一散射特點可能源自γ基體中析出的立方狀γ'相[10]。上述測試結果表明該原位裝置可實現高溫和力學同時加載下的小角中子散射測量。

圖7 鎳基單晶高溫合金小角中子散射實驗數據Fig.7 In-situ SANS data of nickel-based single crystal superalloy

原位小角分析裝置能實時監測鎳基單晶高溫合金在熱力耦合條件下微觀組織結構的動態變化,為探索γ/γ′兩相組織的演變機制提供了新的實驗手段。該裝置還可用于研究不同高溫蠕變工藝參數對材料組織結構的影響,為高溫結構材料的設計、開發和評估提供依據。

4 結論

1) 依托中國先進研究堆小角中子散射譜儀設計研制一套原位熱力耦合加載樣品環境裝置,可以用于在高溫和拉力同時加載的條件下開展小角中子散射實驗測量,可同時實現最高溫度800 ℃和最大拉力加載20 kN。

2) 基于研發的熱力耦合加載樣品環境裝置和小角中子散射譜儀,以鎳基單晶高溫合金為樣品,開展了實驗驗證研究,觀測到試樣γ'納米析出相結構在高溫拉力加載過程中的變化。

配備了原位熱力耦合加載樣品環境裝置的小角中子散射譜儀,可開展材料在近工況條件下的微觀組織結構和力學性能的實時演變過程研究,有助于解決工程材料及部件在加工和服役中所面臨的關鍵基礎科學問題。

感謝中國科學院金屬研究所劉實研究員在裝置設計方面提供了有益討論和支持,沈陽理工大學杜曉明教授在高溫拉伸試樣制備方面提供了支持,中國先進研究堆提供中子束流開展實驗驗證。