1 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081
2 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081 钢铁研究总院有限公司, 北京 100081
3 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081 北京科技大学国家材料服役安全科学中心, 北京 100083
4 钢铁研究总院高温材料研究所, 北京 100081
镍基单晶高温合金是含有10~15种元素的复杂合金, 具备优良的高温强度和耐腐蚀性。 目前, 先进燃气涡轮发动机的涡轮部件几乎都采用空心结构的单晶叶片。 叶片服役过程中要承受超过其熔化温度数百摄氏度的高温和巨大离心应力, 是工况条件最为恶劣的航空零件, 被誉为“工业王冠上的明珠”, 研制发展更耐高温的叶片材料以及改进叶片的冷却技术是提高涡轮进口温度的关键手段。 新一代的单晶叶片中添加大量难熔元素（如Ta, W和Re等）用来提高承温能力, 但这些元素在凝固过程中存在严重的枝晶偏析, 导致组织内成分分布不均匀。 通常采用复杂的多级热处理来溶解非平衡组织, 减小偏析。 枝晶间成分的详细表征对优化热处理工艺和叶片设计具有重要的意义。 微束X射线荧光光谱是一种无损检测技术, 制样简单, 无需镀导电膜, 可对样品进行多元素同时检测, 多用于生物和考古领域, 定量表征成分复杂的金属材料存在一定困难, 应用案例较少。 单晶高温合金具有特殊的十字枝晶组织, 尺寸约为几百微米, 微束X射线荧光光谱可以满足单晶叶片枝晶成分的详细表征和大区域面积的成分分布定量统计需求。 本实验基于微束X射线荧光光谱技术, 建立了镍基单晶高温合金枝晶成分定量统计分布表征方法, 并应用于新型单晶涡轮叶片的全域枝晶组织成分定量分布表征, 探讨了单晶涡轮叶片叶冠到榫头的成分演变规律, 获得了不同部位主元素的一次偏析比和二次偏析比。 结果表明, Re, W和Ta元素偏析严重, 随着叶片截面尺寸的增加及与冷却铜盘距离的增加, 叶片叶冠到榫头各元素的偏析程度降低; Cr, Co和Mo元素偏析比接近于1, 偏析变化不明显, 分布较均匀。 通过对单晶叶片枝晶成分的定量统计解析, 获得了单晶叶片成分的演变规律, 为叶片的设计和凝固工艺的改进提供数据支撑。
单晶高温合金 涡轮叶片 微束X射线荧光光谱 枝晶偏析 成分分布 Superalloy Turbine blades Microbeam X-Ray fluorescence spectrum Dendrite segregation Composition distribution 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2112
1 青海省果洛公路工程建设有限公司，西宁 810021
2 长安大学材料科学与工程学院，西安 710061
针对现有的水泥稳定碎石离析评价方法难以精准评价混合料离析的情况，本文通过室内离析试验定量分析5种不同级配水泥稳定碎石混合料的抗离析性能，并引入形状离析系数L与筛分离析系数Seg，定量划分水泥稳定碎石混合料的离析程度。结果表明：与水泥剂量4%(均为质量分数)相比，水泥剂量5%的混合料抗离析性能大幅度提升，且水泥剂量5%和水泥剂量6%的混合料抗离析能力相差不大，因此更推荐5%的水泥剂量；当混合料的4.75 mm通过率为35%和40%时，混合料内部能形成强有力的力链结构，抵抗集料在下落过程中的离散趋势，且水泥剂量为5%和6%混合料的离析等级总保持在无离析和轻微离析状态，表现出优异的水泥稳定碎石抗离析性能。
水泥稳定碎石 室内离析试验 抗离析性能 形状离析系数 筛分离析系数 离析等级 cement stabilized macadam indoor segregation test segregation resistance shape segregation coefficient sieve segregation coefficient segregation level
1 江西理工大学冶金工程学院,赣州 341000
2 厦门大学,厦门 361005
Tb3ScxAl5-xO12(TSAG)晶体是一种性能优异的磁光晶体材料，解决大尺寸TSAG晶体生长过程中开裂问题对高功率磁光隔离器的应用有着重要的意义。本文采用提拉法晶体生长技术，考察了稀土离子Dy、Lu在晶体生长过程中的分凝规律，分析了Dy、Lu掺杂对TSAG晶体性能的影响。结果表明，Dy、Lu掺杂有助于解决大尺寸TSAG晶体的开裂问题，生长的TSAG晶体均具有良好的内部质量，且所得晶体消光比均大于33 dB。Lu掺杂对TSAG晶体的维尔德常数有一定提升，而Dy掺杂则对TSAG晶体的维尔德常数提升无明显作用。Dy、Lu共掺的TSAG晶体磁光性能与TSAG基本相近，所制备晶体均满足高功率激光隔离器生产要求。
稀土掺杂 磁光晶体 提拉法 铽钪铝石榴石 分凝 rare earth doping magneto-optic crystal Czochralski method TSAG segregation
1 福建工程学院晶界工程研究所，福建工程学院材料科学与工程学院，福州 350118
2 中材高新氮化物陶瓷有限公司，山东 淄博 255022
3 中材高新材料股份有限公司，北京 100021
由于较高的综合力学性能，氮化硅陶瓷球得到广泛的工程应用，但是极端工况下依然存在明显失效开裂现象。在一般氧化物烧结助剂的基础上添加少量过渡金属化合物能起到优化材料设计和进一步提高性能的作用，但是相关作用机理还未有明确探知。在添加Al2O3和Y2O3烧结助剂基础上，分别添加TiN、Fe3Si和WC等过渡金属化合物，并采用热等静压烧结方法制备了氮化硅陶瓷轴承球。采用X射线衍射检测其物相组成，采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究其组织结构特点，并使用纳米压痕法对其力学性能进行了研究。结果表明，添加TiN可有效抑制烧结过程中有害物相Si2N2O的生成；添加TiN和WC有利于烧结过程Al和O向氮化硅基体中扩散，形成了Sialon相；添加Fe3Si则不具有上述作用；添加TiN可获得晶粒尺寸细小均匀的β-Si3N4组织；添加Fe3Si会生成粗大β-Si3N4晶粒相互穿插桥接且其空隙填充细小β-Si3N4晶粒的烧结组织；添加WC则生成粗细晶共存的非均匀组织。与添加Fe3Si和WC相比，添加TiN的氮化硅陶瓷球具有更高的硬度和更大的弹性模量等更好的力学性能。
过渡金属化合物 氮化硅陶瓷轴承球 显微组织 晶界偏聚 transition metal compounds silicon nitride ceramic balls microstructure grain boundary segregation
1 钢铁研究总院, 北京 100081
2 青岛纳克检测防护技术有限公司, 山东 青岛 266000
3 金属材料表征北京市重点实验室, 北京 100081
材料内部微观尺度上成分、 组织结构控制精度低、 波动大是制约高铁铝合金国产化进程的重要原因, 因此从微观尺度上研究大尺寸铝合金成分均匀性至关重要。 鉴于目前研究铝合金偏析的区域通常较小且不连续, 定量统计方法过于简单。 使用微区分辨率较高的微束X荧光与原位定量统计分布分析技术相结合的方法, 从点、 线、 面、 频度分布等方面对成分分布数据进行解析, 研究了较大尺寸范围内铝合金成分偏析的规律。 研究结果表明铸轧7B05铝合金截面中心层存在接近2 mm的偏析带, Al, Cr, Ti和Zr元素为正偏析元素, 中心层含量比上下表面高, Cu, Fe和Zn元素为负偏析元素, 中心层含量比上下层含量低; 各元素含量分布的统计偏析程度整体较小, 分布最均匀的为Al元素, 统计偏析度最小为0.01%, Ti和Fe元素分布较不均匀, 统计偏析度分别为0.81%和0.6%; Fe元素与Mn元素在面分布中出现较明显的点状偏析, 这是由于铝合金铸造过程中经显微偏析形成的金属间化合物, 在后续的热轧成型中破裂成多个连续排列的第二相所致。 使用激光诱导击穿光谱法对该方法所得数据进行验证, 结果显示在30 mm×6 mm尺寸范围内所测元素面分布与线分布结果与荧光结果趋势完全一致。 综上所述, 使用微束X荧光结合原位统计的方法, 对铸轧7B05铝合金点、 线、 面、 频度分布及偏析程度的计算, 可提供大量分析数据, 对于量化研究大尺寸范围内轧板截面组织、 性能的波动趋势具有重要意义。
X射线荧光 原位统计分析 铸轧铝合金 显微偏析 正偏析 负偏析 X-ray fluorescence In situ statistical analysis Cast and rolled aluminum alloy Microsegregation Positive segregation Negative segregation 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1413
1 嘉兴市交通工程质量安全服务中心, 嘉兴 314000
2 长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室, 西安 710064
为探究离析对湿热地区沥青混合料长期水稳定性的影响, 分别设计了级配离析、温度离析两种模拟方案。通过排水法测试沥青混合料的空隙率, 采用浸水马歇尔试验测试沥青混合料的残留稳定度, 基于非线性拟合法分析了不同干湿循环周期的沥青混合料残留稳定度数据, 得到了各离析状态下沥青混合料水稳定性的衰减曲线及规律。结果表明: 随着干湿循环的进行, 不同离析类型的沥青混合料的空隙率均会增加, 但增幅有限; 细集料离析在干湿循环状态下不易出现强度损耗, 第10次干湿循环后, 残留稳定度为87.8%; 而重度离析条件下, 第1次干湿循环后残留稳定度仅为79.8%, 第10次干湿循环后, 残留稳定度下降到67.4%; 无论是否有离析, 干湿循环的作用效果都存在转折点, 即干湿循环前期的作用显著, 到达转折点后, 作用效果明显放缓; 随着离析程度的加重, 残留稳定度下降的转折点将逐渐前移, 表明其长期水稳定性也越差。
沥青混合料 湿热地区 长期水稳定性 道路工程 离析 干湿循环 asphalt mixture hot and humid area long-term water stability road engineering segregation dry-wet cycle
暨南大学理工学院,光电工程系, 广州 510632
采用单晶提拉法成功生长出优质的Gd3+/Yb3+共掺铝酸钇晶体。对晶体的结构、分凝系数、光谱和激光性能进行了表征, 结果表明: 所生长的晶体空间群为Pnma, 属于正交晶系, Yb3+的分凝系数为1.13。从偏振吸收和荧光光谱发现, b偏振方向时, 晶体在980 nm处吸收截面为2.14×10-20 cm2, 适用于InGaAs 激光二极管泵浦；在1 044 nm处的发射截面为0.39×10-20 cm2, 荧光寿命为1.638 ms。此外, 对b切向的Gd/Yb∶YAP晶体进行激光实验, 在1 μm处实现连续激光输出, 斜率效率为23.5%, 最大输出功率可达0.51 W。
Gd/Yb∶YAP晶体 提拉法 分凝系数 光谱 激光输出 Gd/Yb∶YAP crystal Czochralski method segregation coefficient spectrum laser output
1 钢铁研究总院, 北京 100081
2 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081
3 金属材料表征北京市重点实验室, 北京 100081
铸&锻GH4096高温合金涡轮盘拥有高承温能力、 高强度、 低裂纹扩展速率、 高抗疲劳性能等优异性能, 是航空发动机的关键热端部件。 但由于其合金化程度较高、 零件尺寸大、 制备工艺复杂等, 不可避免会出现成分和组织分布不均匀, 一定程度影响涡轮盘的服役性能。 微区X射线荧光光谱(μ-XRF)具有微区分辨率高、 分析速度快、 多元素同步分析、 非破坏性等优点, 被广泛应用于考古、 地质、 生物等领域, 但对大尺寸高温合金构件的成分分布的研究较少, 对于材料各原始位置处的成分定量分布表征也未见报道。 本试验通过选择合适的测量条件、 优化仪器定量方法, 建立了基于微束X射线荧光光谱的新型铸&锻GH4096合金涡轮盘成分分布定量分析方法, 并引入了原位统计分析方法对涡轮盘中Cr, Co, Mo, W, Ti, Al, Nb和Ni八种主要元素进行了定量统计分布解析。 发现涡轮盘厚度的中心区域内Co, Mo和Ti三种元素从轮毂至轮缘存在较明显的弧形负偏析带, 而Ni和Cr两种元素存在弧形正偏析带。 另外, 涡轮盘径向也存在一定的成分梯度分布, Co, Cr和W三种元素含量从轮毂到轮缘的呈现逐渐降低的趋势, 而Mo, Ti和Nb三种元素含量则呈现逐渐上升趋势。 对各元素最大偏析度、 统计偏析度、 统计符合度计算分析后可知, Cr, Co, Mo, W, Ti, Nb和Ni七种元素测量区域内整体偏析程度较小、 统计符合度大, 在材料元素设计值允许范围内具有较好的成分均匀性。 使用火花源金属原位分析仪(OPA-200)对相同测试区域的元素进行了线分布分析, 其分析结果与微束荧光光谱得到的分析规律具有较好的一致性, 说明大尺寸涡轮盘在热处理过程中存在温度场分布, 导致了各元素扩散行为以及显微组织分布的差异, 因此不同部位的成分也存在一定偏析。 通过对大尺寸的涡轮盘成分进行定量统计分布解析, 对于评价新型铸&锻变形GH4096高温合金涡轮盘的成分分布均匀性, 解析制备工艺与大尺寸构件成分、 组织结构分布的相关性具有重要意义。
微束X射线荧光光谱 涡轮盘 原位统计分布分析 偏析 统计符合度 Microbeam X-ray fluorescence spectroscopy Turbine disk In situ statistical distribution analysis Segregation Statistical coincidence 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3498
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 201899
2 2.南京航空航天大学 工业和信息化部重点实验室, 空间光电探测与感知实验室, 南京 210016
3 3.南京航空航天大学 航天学院, 南京 210016
4 4.上海理工大学 材料科学与工程学院, 上海 200093
5 5.中国科学院 海西创新研究院, 福建 350002
新型闪烁晶体Gd3(Al,Ga)5O12:Ce(简写为GAGG:Ce)在制备过程中易出现多晶扭曲生长、组分偏析等问题, 严重影响晶体的性能。为了得到大尺寸高质量的GAGG:Ce晶体, 采用X射线衍射(XRD)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和X射线激发发射谱(XEL)等手段, 结合熔体特性分析了GAGG:Ce晶体多晶扭曲生长、组分偏析的形成机制。通过调整温场、抑制组分挥发等方法生长出φ50 mm×120 mm的GAGG:Ce晶体, 并重点研究了GAGG:Ce晶体的光谱特性与闪烁性能。结果表明: GAGG:Ce晶体的光输出达58000 ph./MeV, 能量分辨率为6.4%@662 keV, 在550~800 nm波长区间的透过率约为82%。晶体闪烁衰减快分量为126 ns (83%), 慢分量为469 ns (17%)。晶体的发射峰中心波长在550 nm左右, 与硅光电倍增管的接收波长匹配, 且发光峰值处的透过率EWLT(Emission Weighted Longitudinal Transmittance)值高达79.8%。GAGG:Ce晶体兼具高光输出与高能量分辨率, 在中子和伽马射线探测领域具有广阔的应用前景。
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽省光子器件与 材料重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
针对目前普遍存在的难以准确测定晶体组分的问题, 提出一种以 YAG 晶体为标样、采用 X 射线荧光光谱分析法准确测定晶体组分的方法。测试样品分别为纯 YAG 晶体、生长原料掺杂浓度 1.2 at% 和 2.0 at% Yb:YAG 晶体, 采用 X 射线荧光光谱分析法, 对不同浓度的 Yb:YAG 晶体的组分进行了无损、快速、准确的测定。以纯 YAG 晶体作为标准样品, 标定主成分的含量, 大幅提高了检测结果的准确度, 主成分 Y3+ 和 Al3+ 的测试误差小于 1%、掺杂 Yb3+ 的 测试误差小于 5%。通过晶体放肩初始部位 Yb3+ 的浓度测定结果, 计算出 Yb3+ 在两种待测晶体中的分凝系数分别为 1.025 和 1.045, 接近于 1, 有利于实现 Yb:YAG 晶体的高浓度掺杂以及优质晶体 生长。2.0 at% Yb:YAG 晶体的首尾掺杂浓度差小于 5%, 说明晶体等径部分掺杂浓度均匀性高。
材料 提拉法 Yb:YAG 晶体 X 射线荧光光谱法 分凝系数 material Czochralski method Yb:YAG crystal X-ray fluorescence spectrometry segregation coefficient
