CN104345071B - 一种表征镍基高温合金中γ/γ′相晶格错配度的方法 - Google Patents
一种表征镍基高温合金中γ/γ′相晶格错配度的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种表征镍基高温合金中γ/γ′相晶格错配度的方法，结合了常规衍射和ω摇摆曲线测定技术，获得了二维扫描方式，把衍射信息的等强度图谱用二维的正空间或倒空间表示出来，获得所衍射晶面的位置，计算出所衍射晶体的晶格常数，然后根据晶格常数计算出两相错配度，通过此方式确定的晶格常数和错配度更具有平均值的意义，最大限度地减少了误差，具有较高的准确性。本方法制样简单，操作方便，能够实现块状固体的原位测量，并且由于旋转了样品，衍射区域增大，甚至反映出镶嵌结构，对设备的要求不高，只要所用x-射线设备能够实现入射角(样品)和衍射角的独立旋转就可以，衍射点在倒易空间上的分布发散性越小越好，最好呈现点状分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种表征镍基高温合金γ/γ′相晶格错配度的方法。
背景技术
γ′相是镍基高温合金中主要的强化相，其体积分数在先进的高温合金中占到了60～70％，它以共格方式镶嵌在基体γ相中，这两相同属面心立方结构，它们的晶格常数非常接近，γ/γ′两相固溶合金元素后其晶格常数会有所变化，但是它们的晶格常数仍在0.352～0.364nm之间变化，因而两相的晶格错配度通常只有10-3至10-2数量级，X射线衍射后这两相的衍射峰发生重叠，很难准确确定此两相衍射峰的位置，因此用常规X射线衍射法表征其错配度的误差很大。为了准确表征此两相的晶格错配度，研究者发展了一些高精度的表征方法和装置，如汇聚电子束衍射[the convergent beam electron diffraction(CBED)]、高能同步辐射(the high-energysynchrotron radiation)、透射电镜或高分辨的扫描电镜下测量γ/γ′相界面上位错网络大小、中子衍射(the neutron diffraction)、高分辨的X-ray双晶衍射仪、四圆衍射仪等。但，光从名称就可以看出，这些仪器都属于高精尖设备，很复杂和昂贵，而且有些方法制样也比较复杂与繁琐，如汇聚电子束和透射电镜下的表征。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于二维X-射线衍射原理，结合正空间与倒易空间表示方法的表征镍基高温合金γ/γ′相晶格错配度的方法，其准确表征了γ和γ′两相的晶格常数，获得了其晶格错配度，且方法简单、精确、方便和实用，制样也简单。
解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种表征镍基高温合金γ/γ′相晶格错配度的方法，其特征是包括以下步骤：
S1，θ-2θ联动扫描所述镍基高温合金确定要衍射的面，确定2θ(衍射角)的范围，即2θ1～2θ2；
S2，将2θ1～2θ2n等分；
S3，固定2θ进行ω(入射角)扫描，共进行n次ω扫描，每次ω扫描的范围是ω1～ω2；
S4，把衍射强度归一化处理，将2θ、ω和强度三组数据导入matlab软件，并以2θ、ω、强度为x-、y-、z-轴形成三维的衍射图谱；
S5，把三维图谱中的衍射曲面的等强度图谱映在正空间平面和倒空间平面的二维平面上，正空间坐标系的横纵坐标是2θ与ω，倒空间坐标系的横纵坐标分别是qx与qz，正空间与倒空间的坐标轴转换关系如下公式所示：
qx＝R cos(2θ-ω)-R cos(ω) (1)；
qz＝R sin(2θ-ω)+R sin(ω) (2)；
其中，R是倒易空间厄瓦德球的半径；
R＝2π/λ (3)；
这里，λ是x-光的波长；
S6，在二维平面的等强度图谱中标定衍射面的位置，即标定出γ和γ′相的对应的衍射面的位置，分别对应于等强度图谱中强度变化最剧烈的两点；
S7，计算晶格常数
二维正空间的等强度图谱中，根据图中γ和γ′相的衍射角2θ和布拉格公式计算出此两相的晶格常数；
S8，计算错配度
二维倒空间的等强度图谱中，根据以下公式获得两相晶格错配度：
两相的晶格错配的关系：δ＝(aγ′-aγ)/2(aγ′+aγ) (4)；
对于面心立方(002)面而言：d＝a/2 (5)；
衍射矢量g：|g|2＝qz 2+qx 2 (6)；
|g|＝4πsinθ/λ (7)；
布拉格方程：2d sinθ＝nλ (8)；
则γ和γ′两相的晶格错配度：δ＝(|g|γ-|g|γ′)/2(|g|γ+|g|γ′) (9)；
对于在qx坐标差距很小的两相错配度以近似表示：
δ＝(qzγ-qzγ′)/2(qzγ-qzγ′) (10)。
所述的方法中，联动扫描的步长为0.002°，扫描速度为0.25°/min，等分探测器2θ角度范围步长为0.02°，设定ω角变化范围为±2°，步长为0.008°，扫描速度4°/min。
所述的步骤S2和步骤S3中，n取100。
本发明结合了θ-2θ联动扫描与ω非联合扫描技术，实现了二维扫描，其过程是这样的：先θ-2θ联动扫描确定要衍射的面，确定2θ的范围(2θ1～2θ2)；然后将2θ1～2θ2n等分；接着固定2θ进行ω扫描，共进行n次ω扫描，每次ω扫描的范围是ω1～ω2，如图1所示，最终的扫描区域如图1中的阴影区域；
把衍射强度归一化处理，并以2θ、ω、强度为x-、y-、z-轴形成三维的衍射图谱，如图2所示；
把三维图谱中的衍射曲面的等强度图谱映在二维平面上，形成图3和图4，图3是正空间坐标系，即2θ与ω，图4是倒空间坐标系，即qx与qz，如图4所示；正空间与倒空间的坐标轴转换关系如上述公式所示。
本发明与现有技术相比较，具有以下显著的实质性特点和优点：
本发明在测定镍基高温合金中γ和γ′相的晶格常数时，结合了常规衍射和ω摇摆扫描测定技术，获得了二维扫描方式，把衍射信息的等强度图谱用二维的正空间或倒空间表示出来，获得所衍射晶面的位置，计算出所衍射晶体的晶格常数，然后根据晶格常数计算出两相错配度，通过此方式确定的晶格常数和错配度更具有平均值的意义，最大限度地减少了误差，具有较高的准确性。本方法制样简单，操作方便，能够实现块状固体的原位测量，并且由于旋转了样品，衍射区域增大，甚至反映出镶嵌结构；本方法对设备的要求不高，只要所用x-射线设备能够实现入射角(样品)和衍射角的独立旋转就可以，衍射点在倒易空间上的分布发散性越小越好，最好呈点状分布。
附图说明
图1为二维扫描原理示意图；
图2为二维扫描方式下的衍射三维图；
图3为正空间的二维等强度衍射图；
图4为倒空间的二维等强度衍射图。
具体实施方式
实施例一：
用本法测试表征了定向凝固态DD483(C 0.07,Cr 12.26,Mo 1.99,Co 9.19,W 3.76,Al 3.48,Ti 4.00,Ta 4.86,B 0.015,其它Ni,wt.％)单晶高温合金中γ/γ′两相的晶格错配度，测试表征过程如下：
S1先对样品做θ-2θ联动扫描，扫描的步长为0.002°，扫描速度为0.25°/min，确定该晶体的(002)面的衍射范围为50°到52°；
S2然后等分探测器2θ角度范围(50～52°)，步长为0.02°，即100等份；
S3固定2θ角度，作ω扫描，设定ω角(样品台旋转角)变化范围为±2°，步长为0.008°，扫描速度4°/min；记录ω，2θ和强度值；
S4把衍射强度归一化处理，将三组数据导入matlab软件，得到相应的的三维图谱；
S5把三维图谱中的衍射曲面的等强度图谱映在正空间平面和倒空间平面的二维平面上，正空间坐标系的横纵坐标分别是2θ与ω，倒空间坐标系的横纵坐标分别是qx与qz，正空间与倒空间的坐标轴转换关系如下所示：
qx＝R cos(2θ-ω)-R cos(ω) (1)；
qz＝R sin(2θ-ω)+R sin(ω) (2)；
其中，R是倒易空间厄瓦德球的半径；
R＝2π/λ (3)；
这里，λ是x-光的波长；然后表示出二维的正空间和倒空间图谱。
S6在二维平面的等强度图谱中标定衍射面的位置，即标定出γ和γ′相的对应的衍射面的位置，分别对应于等强度图谱中强度变化最剧烈的两点；
S7计算晶格常数
二维正空间的等强度图谱中，根据图中γ和γ′相的衍射角2θ和布拉格公式计算出此两相的晶格常数；
S8，计算错配度
二维倒空间的等强度图谱中，根据以下公式获得两相晶格错配度：
两相的晶格错配的关系：δ＝(aγ′-aγ)/2(aγ′+aγ) (4)；
对于面心立方(002)面而言：d＝a/2 (5)；
衍射矢量g：|g|2＝qz 2+qx 2 (6)；
|g|＝4πsinθ/λ (7)；
布拉格方程：2d sinθ＝nλ (8)；
则γ和γ′两相的晶格错配度：δ＝(|g|γ-|g|γ′)/2(|g|γ+|g|γ′) (9)；
对于在qx坐标差距很小的两相错配度以近似表示：
δ＝(qzγ-qzγ′)/2(qzγ+qzγ′)
(10)。
实验过程在理学2550衍射仪完成的，与PC相连，通过编入程序，衍射仪自动执行。通过此法的正空间和倒空间图谱分别获得该合金的γ/γ′两相的晶格常数和错配度如表1所示。在文献Acta Mater 2013；61:2308-19中用中子衍射法研究了铸态的单晶DD10其晶格错配度为-0.23％，DD10的合金成份为13Cr，4Co，Al+Ti+Ta 13.5,W+Mo 6，wt％，本实施例合金和DD10相比，添加元素Co要高，该元素又易固溶在γ中，所以本实施例中合金的两相错配度绝对值应该更大，测试结果正是如此。
表1定向凝固态样品的γ/γ′两相的晶格常数和错配度
| 晶格常数和错配度 | 正空间 | 倒空间 |
| γ′相的晶格常数,nm | 0.35914 | 0.35925 |
| γ相的晶格常数,nm | 0.36105 | 0.36149 |
| γ/γ′两相的错配度 | -0.005306 | -0.006223 |
实施例二：
用本法测试表征了热处理态DD483单晶高温合金中γ/γ′两相的晶格错配度，热处理制度为1,204℃/1h+1,265℃/1h/空冷+1,084℃/4h/炉冷，测试表征过程和实施例一相同，测试结果如表2所示。本实施例合金中，Cr+Co+Mo量达到了23.44wt％,而Ta+W的含量为8.62wt％，所以热处理过程使得合金元素扩散到中γ′相的量大于扩散到γ相中的量，使得晶格错配度向增大方向进行，测试表征结果也是如此。
表2热处理态样品的γ/γ′两相的晶格常数和错配度
| 晶格常数和错配度 | 正空间 | 倒空间 |
| γ′相的晶格常数,nm | 0.35994 | 0.35994 |
| γ相的晶格常数,nm | 0.35914 | 0.35912 |
| γ/γ′两相的错配度 | 0.002230 | 0.002301 |
实施例三：
用本法测试表征了蠕变态DD483单晶高温合金中γ/γ′两相的晶格错配度，该样品取自蠕变断裂后距离断裂口5cm处，观察面垂直于蠕变拉伸应力，为(002)面，蠕变条件为982℃/250MPa，测试表征过程和实施例一相同，测试结果如表3所示。文献Acta Metall Mater 1991；39:2783-94中用双晶衍射仪研究了单晶SRR99合金热处理和蠕变后(002)面的两相错配度，从热处理的-0.14变化为蠕变后的0.04，其变化趋势和该实施例中合金的一致，说明该测试法的测试结果是正确的。
表3蠕变态样品的γ/γ′两相的晶格常数和错配度
| 晶格常数和错配度 | 正空间 | 倒空间 |
| γ′相的晶格常数,nm | 0.35844 | 0.35840 |
| γ相的晶格常数,nm | 0.35725 | 0.35733 |
| γ/γ′两相的错配度 | 0.003326 | 0.002994 |
Claims (3)
1.一种表征镍基高温合金γ/γ′相晶格错配度的方法，其特征是包括以下步骤：
S1，θ-2θ联动扫描所述镍基高温合金确定要衍射的面，确定2θ的范围，即2θ1～2θ2；
S2，将2θ1～2θ2n等分；
S3，固定2θ进行ω扫描，共进行n次ω扫描，每次ω扫描的范围是ω1～ω2；
S4，把衍射强度归一化处理，将2θ、ω和强度三组数据导入matlab软件，并以2θ、ω、强度为x-、y-、z-轴形成三维的衍射图谱；
S5，把三维图谱中的衍射曲面的等强度图谱映在正空间平面和倒空间平面的二维平面上，正空间坐标系的横纵坐标分别是2θ与ω，倒空间坐标系的横纵坐标分别是qx与qz，正空间与倒空间的坐标轴转换关系如下所示：
qx＝Rcos(2θ-ω)-Rcos(ω) (1)；
qz＝Rsin(2θ-ω)+Rsin(ω) (2)；
其中，R是倒易空间厄瓦德球的半径；
R＝2π/λ (3)；
这里，λ是x-光的波长；
S6，在二维平面的等强度图谱中标定衍射面的位置，即标定出γ和γ′相的对应的衍射面的位置，分别对应于等强度图谱中强度变化最剧烈的两点；
S7，计算晶格常数
二维正空间的等强度图谱中，根据图中γ和γ′相的衍射角2θ和布拉格公式计算出此两相的晶格常数；
S8，计算错配度
二维倒空间的等强度图谱中，根据以下公式获得两相晶格错配度：
两相的晶格错配的关系：δ＝(aγ'-aγ)/2(aγ'+aγ) (4)；
对于面心立方(002)面而言：d＝a/2 (5)；
衍射矢量g：|g|2＝qz 2+qx 2 (6)；
|g|＝4πsinθ/λ (7)；
布拉格方程：2dsinθ＝nλ (8)；
则γ和γ′两相的晶格错配度：δ＝(|g|γ-|g|γ')/2(|g|γ+|g|γ') (9)；
对于在qx坐标差距很小的两相错配度以近似表示：
δ＝(qzγ-qzγ')/2(qzγ+qzγ') (10)。
2.根据权利要求1所述的表征镍基高温合金γ/γ′相晶格错配度的方法，其特征是：所述的步骤S1中，联动扫描的步长为0.002°，扫描速度为0.25°/min，等分探测器2θ角度范围步长为0.02°，设定ω角变化范围为±2°，步长为0.008°，扫描速度4°/min。
3.根据权利要求2所述的表征镍基高温合金γ/γ′相晶格错配度的方法，其特征是：所述的步骤S2中，等分数n取100。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |