CN107421972A - 一种工件二次取向的测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种工件二次取向的测定方法,包括,待测工件至少包括第一晶粒,获取所述的第一晶粒的表面取向;获取所述的第一晶粒在001取向与011取向上的衍射角2θ;将所述的待测工件放置在测量系统的测量平台上;所述的X射线发射装置发射出的X射线的角度为ψ,所述的待测工件转动的角度为固定所述的衍射角2θ,改变所述的ψ和分别记录所述的第一晶粒在001取向与011取向衍射最强峰时的ψ001、和ψ011、根据所述的ψ001、和ψ011、计算所述的第一晶粒的二次取向偏角。
Description
技术领域
本发明涉及单晶金属、非金属的工程化取向测定方法,特别是针对工程化非接触式无损测量生产零件的取向。本发明采用X射线衍射固定晶面法,通过θ-θ扫描方式和转动ψ、角的方法测定单晶体二次取向的技术方法。
背景技术
随着科技的逐步发展,如何不断提高尖端领域材料性能以成为目前热点。众所周知,由于单晶的各项异性,使得它的力学性能、磁性能、导电性能方面有着独特的优势。目前,由于国外对我国的技术垄断,尤其在航空、航天、发电、核工业等装备制造领域的产品质量检测(特别是在单晶产品取向控制过程的检测)问题以成为我国高尖端技术发展的瓶颈。目前,我国航空航天涡轮发动机的叶片铸造取向测定,大部分使用的劳埃法。而使用劳埃方法对试样要求表面质量极高,且测试样品尺寸较小。目前急需一种,能工适用生产中的快速、工程化、应用范围广、样品尺寸要求低的取向测试方法。且由于对目前相关生产产品对合金的取向需求逐步由一次取向向二次取向过渡。因此,需要一种可以能够较简单、快捷、准确的获得试样二次取向的方法。
发明内容
本发明的主要目的在于,提供一种工件二次取向的测定方法,所要解决的技术问题是,供一种低成本、易操作、测量范围宽的工程化单晶二次取向测试技术方法。被测试样(或产品)可以具有任意表面状态。此外,通过这种测试方法生产的装置及系统,可以为需要检测单晶取向的行业提供专业的硬件和软件技术服务。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种工件二次取向的测定方法,包括,步骤一:待测工件至少包括第一晶粒,获取所述的第一晶粒的表面取向;步骤二:获取所述的第一晶粒在001取向与011取向上的衍射角2θ;步骤三:将所述的待测工件放置在测量系统的测量平台上,所述的测量系统包括X射线发射装置和探测装置;步骤四:所述的X射线发射装置发射出的X射线的角度为ψ,所述的待测工件转动的角度为固定所述的衍射角2θ,改变所述的ψ和分别记录所述的第一晶粒在001取向与011取向衍射最强峰时的ψ001、和ψ011、步骤五:根据所述的ψ001、和ψ011、计算所述的第一晶粒的二次取向偏角。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的,前述的一种工件二次取向的测定方法,其中所述的步骤三中,以所述的测量系统为基础建立第一空间坐标系,所述的测量系统包括旋转平台,所述的旋转平台为所述的第一空间坐标系的第一平面,所述的旋转平台的中心点为第一位点,将所述的待测工件的待测部位放置在所述的第一位点处。
优选的,前述的一种工件二次取向的测定方法,其中所述的步骤三中,以所述的待测工件为基础建立第二空间坐标系,定义所述的第一空间坐标系为O-EAD,其中,所述的O点为所述的第一空间坐标系的中心位点,即所述的第一位点,定义所述的旋转平台所在的平面为所述的第一空间坐标系的第一平面,所述的D点和E点位于所述的第一平面,且OD垂直于OE,所述的第一平面还包括G点,且OG垂直于OE,所述的A点位于所述的第一平面的上部空间,OA垂直于所述的第一平面;定义所述的第二空间坐标系为O′-xyz,所述的O′点为所述的待测工件的待测部位,所述的O′点位于所述的OA上,所述的第二空间坐标系的O′x、O′y、O′z方向分别与所述的第一空间坐标系的OE、OD、OA方向重合。
优选的,前述的一种工件二次取向的测定方法,定义所述的D点为所述的旋转平台的初始位点,所述的旋转平台沿逆时针旋转。
优选的,前述的一种工件二次取向的测定方法,定义所述的第一空间坐标系中的第二平面AOFE,所述的第二平面与所述的第一平面的交界线为OE,且所述的第二平面垂直于所述的第一平面;定义所述的X射线发射器位于所述的第一空间坐标系的B点,定义所述的探测装置位于所述的第一空间坐标系的B点,所述的D点、B点、C点、G点、0点和F点形成所述的第一空间坐标系的第三平面BDCG,所述的第三平面与所述的第二平面的交界线为OF,所述的第三平面垂直于所述的第二平面。
优选的,前述的一种工件二次取向的测定方法,其中所述的第二平面与所述的第三平面的交界线为OF,所述的X射线发射器的射线发射线路与所述的待测工件的待测部位O′形成的角为∠FO′B,所述的探测装置的探测线路与所述的待测工件的待测部位O′形成的角为∠FO′C,所述的∠FO′C与∠FO′B的度数始终相等。
优选的,前述的一种工件二次取向的测定方法,其中所述的步骤五中,计算方法包括,根据所述的测量系统,建立第三空间坐标系 根据所述的第一晶粒,建立第四空间坐标系 所述的分别与001、010、100取向重合,以及(此处的为011在工件坐标系的向量坐标);获取所述的第一晶粒偏离001方向的角ψ001、所述的第一晶粒偏离011方向的角ψ011、设的方向向量的为单位向量,则
x3=cosφ001×sinψ011,y3=sinφ001×sinψ001,z3=cosψ001;x4=cosφ011×sinψ011,y4=sinφ011×sinψ011,z4=cosψ011;
x2=y3·z4-y4·z3=sinφ001×sinψ001×cosψ011-sinφ011×sinψ011×cosψ001,
y2=z3·x4-z4·x3=cosφ011×sinψ011-cosψ011×cosφ001×sinψ001,
z2=x3·y4-x4·y3=cosφ001×sinψ001×sinφ011×sinψ011-cosφ011×sinψ011×sinφ001×sinψ001;
x1=y2·z3-y3·z2,y1=z2·x3-z3·x2,z1=x2·y3-x3·y2;
分别计算与(1,0,0)的第一夹角、计算与(1,0,0)的第二夹角,比较所述的第一夹角和第二夹角,若所述的第一夹角小于所述的第二夹角,则所述的第一夹角为所述的第一晶粒的二次取向偏角,若所述的第一夹角大于所述的第二夹角,则所述的第二夹角为所述的第一晶粒的二次取向偏角。
优选的,前述的一种工件二次取向的测定方法,其中所述的工件至少包括第一晶粒和第二晶粒。
优选的,前述的一种工件二次取向的测定方法,其中所述的步骤二中,获取所述的第一晶粒在001取向与011取向上的衍射角2θ的获取方法为查阅文献。
借由上述技术方案,本发明提供的一种工件二次取向的测定方法,至少具有下列优点:
1、由于单晶的特性,其内部原子在三维空间呈规律、周期性地排列。因此,当一束单色X射线沿某一方向平行的照射到样品表面时,可以通过改变入射角、回摆X射线光源和转动试样的方式,使得该束射线可以沿着单晶体的某一晶面衍射角方向入射,并得在衍射方向探测到强的X射线衍射峰。根据布拉格定律,可以确定被测晶体在空间坐标系中的衍射角。而入射与衍射方向的角分线即为该晶面的法线方向,对于单晶体该方向即为该晶面的取向。由此,可以确定该合金的001取向与011取向的ψ、偏角。
本发明利用上述原理提供一种低成本、易操作、测量范围宽的工程化单晶二次取向测试技术方法。被测试样(或产品)可以具有任意表面状态。此外,通过这种测试方法生产的装置及系统,可以为需要检测单晶取向的行业提供专业的硬件和软件技术服务。
2、通过本发明对叶片取向检测过程操作简单,对操作人员的专业知识要求不高。该套设备采用全计算机软件对数据进行全自动的采集、分析和标定。整个过程全自动化,这是其他同类产品不具备的特点。对工人经过简单培训,即可上机对产品进行检测。
3、本发明提供的一种工件二次取向的测定方法,对检测样品的表面要求不高。不但可以测量试样,也可以对相关单晶产品进行直接检测。
4、本发明提供的一种工件二次取向的测定方法,无需对叶片进行切割通过测定叶背方向的取向的方法也可以获得叶片轴向的取向(二次取向的测量)。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1本发明实施例晶粒取向测试原理示意图。
图2本发明实施例试样表面与晶体结构示意图。
1偏离工件测试表面法线的∠zOH;2 OH为工件内晶体001方向;3与系统坐标Oy方向偏离的∠yOK。
图3本发明实施例待测叶片放置位置示意图。
图4本发明实施例叶片与设备示意图。
图5本发明实施例叶片取向计算示意图。
图6本发明实施例A、B晶粒经过X-350A应力测试仪取向测试结果。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例,对依据本发明提出的一种工件二次取向的测定方法,其具体实施方式、结构、特征及其功效,详细说明如后。在下述说明中,不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外,一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
本发明提供的一种工件二次取向的测定方法包括以下步骤。
第一步,定义测量系统空间坐标系(O-EAD)。如图1所示,定义转台水平面为Φ面(面EDOG),转盘规定初始位置D点,转盘在测试中沿逆时针转过的角度DOD`为角;整个测试系统零位线OA(为整个测试系统的中心线)即穿过设备试样转盘台中心点且与Φ面垂直的直线;定义过OE(OE⊥OD)线,且垂直于Φ面的面为Ψ面(面AOFE)。定义X射线发射器B与探测装置C分别位于2Θ面(面DBCG,2Θ面始终垂直于Ψ面)上。2Θ与Ψ面的交线OF与OA夹角为ψ0角(规定∠EOF为锐角时ψ0角为正,∠EOF为钝角时ψ0角为负);测量过程中,∠FOC、∠FOB度始终相等(大小为90-θx,即∠BOD为θx)。
第二步,定义被测工件空间坐标系。如图2所示,将待测工件部位放置在测量系统空间O点位置。定义被测工件坐标系为O-xyz,其中Ox、Oy、Oz方向分别与系统空间坐标系OE、OD、OA方向重合。定义实际晶体待测晶面(图2中以001晶面为例)法相方向为OH。定义OK为OH在面xOy上的投影。在测试过程中,当且仅当发生最强衍射时,有且OH与工件坐标系Oz轴夹角∠zOH=∠AOF=ψ0)
第三步,工件的放置:将试块平稳固定于单晶取向测试装置仪转盘中心,工件欲测部位应放置于转盘O点(如图3和图4所示),工件待测面法相方向应平行于OA。
第四步,通过查阅相关文献(SSCS或相关Pdf卡片)确定被测工件材料001方向与011方向上的2θ角。
第五步,使用θ-θ扫描方式和转动ψ、角的方法,确定工件待测面法相方向与空间坐标系OA的偏离角度。设置ψ角的扫描范围(0°至65°)与角的扫描范围(0°至360°)。通过回摆X射线光源(改变ψ角)和转动试样(改变角),即:每扫描一次ψ0角,角即扫描360°。此时,X射线衍射最强峰时ψ0、分别为∠yOK和∠zOH。(此处的ψ0、与ψ001、与ψ011、描述的意义相同)
第六步,(如图5)建立坐标系为设备坐标系。其中,与图1中OD方向平行,与图1中OE方向(设备坐标系位置)平行,与图1中OA方向平行。建立坐标系为待测叶片晶粒实际坐标系,分别与001、010、100取向重合经过设备测试可以分别获得该叶片叶背方向偏离001方向的角为ψ001、与ψ011、根据空间几何定理,设的方向向量的为一单位向量,那么有x3=cosφ001×sinψ001,y3=sinφ001×sinψ001,z3=cosψ001;同理可得,
x4=cosφ011×sinψ011,y4=sinφ011×sinψ011,z4=cosψ011。
第七步,根据面心立方晶体结构可知:垂直于和根据空间垂直向量关系:
x2=y3·z4-y4·z3=sinφ001×sinψ001×cosψ011-sinφ011×sinψ011×cosψ001,
y2=z3·x4-z4·x3=cosφ011×sinψ011-cosψ011×cosφ001×sinψ001,
z2=x3·y4-x4·y3=cosφ001×sinψ001×sinφ011×sinψ011-cosφ011×sinψ011×sinφ001×sinψ001。
第八步,且可得:x1=y2·z3-y3·z2,y1=z2·x3-z3·x2,z1=x2·y3-x3·y2。根据空间向量夹角公式,对与它们的夹角由于在实际晶体中,不能确定与哪个偏离OE方向哪个夹角更小。因此,分别计算与(1,0,0)的夹角,并取最小值即为叶片轴向方向偏离001方向的夹角。
第九步,分别将测定数据ψ001、与ψ011、带入到上述计算公式后经计算可得到该试样的二次取向偏角。
实施例
下面结合本实施例对本发明进一步说明。
本实施例测定装置和待测工件:叶片选用邯郸市爱斯特应力技术有限公司生产的X-350A型射线应力测定仪,使用某涡轮叶片上,某级有叶片(DD6合金,测定点存在小角度晶界)作为测定对象。
优选的,本发明所述的测定装置如专利号201520402992.0所述的装置。
第一步,查询相关资料获得DD6合金满足001方向衍射的2θ角为79.2°,011方向衍射2θ角为129.1°。
第二步,如图3将叶片平放在转台中心,将叶片轴向方向与图1中0D方向平行放置,将叶背最高点(或榫头)放在x射线衍射中心(十字中心)后固定。通过电脑程序对测定方法进行设置,分别扫描2θ角为79.2°时,ψ从0-40(间隔1.5°),从0-360(间隔1.5°);以及2θ角为129.1°时,ψ从0-40(间隔1.5°),从0-360(间隔1.5°)。图6为经过X-350A型(改装)X射线应力测定仪,测量所获得测定点的极图(叶片001、011取向测试结果极坐标显示)。
第三步,分别将测定数据A-ψ001=6.1°、与A-ψ011=51.04°、和B-ψ001=4.9°、与B-ψ011=43.19°、分别带入到第六至八步的公式
中。经计算可得,叶片上A晶粒001取向偏离叶片轴向2.11°,B晶粒001取向偏离叶片轴向5.8°。
第四步,使用劳埃测定设备对切割后的叶片轴向进行验证,测试电流10mA,电压15KV,试样经过砂纸打磨至2000#,并进行抛光。分别对具有小角度晶界的两个晶粒进行劳埃测定。得到A晶粒偏离001约2.3°,B晶粒偏离001约4.8°。
本实施例的试验结果显示,通过本发明提供的工件二次取向的测定方法与使用劳埃测定设备测得的A晶粒和B晶粒偏离001取向的结果相差不大,因此,本发明提供的测定方法可靠、可信。
在上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述的部分,可以参见其他实施例的相关描述。
可以理解的是,上述装置中的相关特征可以相互参考。另外,上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例,而并不代表各实施例的优劣。
在此处所提供的说明书中,说明了大量具体细节。然而,能够理解,本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中,并未详细示出公知的结构和技术,以便不模糊对本说明书的理解。
类似地,应当理解,为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个,在上面对本发明的示例性实施例的描述中,本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而,并不应将该公开的装置解释成反映如下意图:即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说,如下面的权利要求书所反映的那样,发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此,遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式,其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解,可以对实施例中的装置中的部件进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个装置中。可以把实施例中的部件组合成一个部件,以及此外可以把它们分成多个子部件。除了这样的特征中的至少一些是相互排斥之外,可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何装置的所有部件进行组合。除非另外明确陈述,本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外,本领域的技术人员能够理解,尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征,但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如,在下面的权利要求书中,所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。本发明的各个部件实施例可以以硬件实现,或者以它们的组合实现。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制,并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中,不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或组件。位于部件或组件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件或组件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的装置来实现。在列举了若干部件的权利要求中,这些部件中的若干个可以是通过同一个部件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合,其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案,也是本发明的保护范围。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种工件二次取向的测定方法,其特征在于:包括,
步骤一:待测工件至少包括第一晶粒,获取所述的第一晶粒的表面取向;
步骤二:获取所述的第一晶粒在001取向与011取向上的衍射角2θ;
步骤三:将所述的待测工件放置在测量系统的测量平台上,所述的测量系统包括X射线发射装置和信号接收装置;
步骤四:所述的X射线发射装置发射出的X射线的角度为ψ,所述的待测工件转动的角度为固定所述的衍射角2θ,改变所述的ψ和分别记录所述的第一晶粒在001取向与011取向衍射最强峰时的ψ001、和ψ011、
步骤五:根据所述的ψ001、和ψ011、计算所述的第一晶粒的二次取向偏角。
2.根据权利要求1所述的一种工件二次取向的测定方法,其特征在于:
所述的步骤三中,以所述的测量系统为基础建立第一空间坐标系,所述的测量系统包括旋转平台,所述的旋转平台为所述的第一空间坐标系的第一平面,所述的旋转平台的中心点为第一位点,将所述的待测工件的待测部位放置在所述的第一位点处。
3.根据权利要求2所述的一种工件二次取向的测定方法,其特征在于:
所述的步骤三中,以所述的待测工件为基础建立第二空间坐标系,
定义所述的第一空间坐标系为O-FAD,其中,所述的O点为所述的第一空间坐标系的中心位点,即所述的第一位点,定义所述的旋转平台所在的平面为所述的第一空间坐标系的第一平面,所述的D点和E点位于所述的第一平面,且OD垂直于OE,所述的第一平面还包括G点,且OG垂直于OE,所述的A点位于所述的第一平面的上部空间,OA垂直于所述的第一平面;
定义所述的第二空间坐标系为O′-xyz,所述的O′点为所述的待测工件的待测部位,所述的O′点位于所述的OA上,所述的第二空间坐标系的O′x、O′y、O′z方向分别与所述的第一空间坐标系的OE、OD、OA方向重合。
4.根据权利要求3所述的一种工件二次取向的测定方法,其特征在于:
定义所述的D点为所述的旋转平台的初始位点,所述的旋转平台沿逆时针旋转。
5.根据权利要求3所述的一种工件二次取向的测定方法,其特征在于:
定义所述的第一空间坐标系中的第二平面AOFE,所述的第二平面与所述的第一平面的交界线为OE,且所述的第二平面垂直于所述的第一平面;
定义所述的X射线发射器位于所述的第一空间坐标系的B点,定义所述的探测装置位于所述的第一空间坐标系的B点,所述的D点、B点、C点、G点、O点和F点形成所述的第一空间坐标系的第三平面BDCG,所述的第三平面与所述的第二平面的交界线为OF,所述的第三平面垂直于所述的第二平面。
6.根据权利要求5所述的一种工件二次取向的测定方法,其特征在于:
所述的第二平面与所述的第三平面的交界线为OF,所述的X射线发射器的射线发射线路与所述的待测工件的待测部位O′形成的角为∠FO′B,所述的探测装置的探测线路与所述的待测工件的待测部位O′形成的角为∠FO′C,所述的∠FO′C与∠FO′B的度数始终相等。
7.根据权利要求1所述的一种工件二次取向的测定方法,其特征在于:
步骤五中,计算方法包括,
根据所述的测量系统,建立第三空间坐标系根据所述的第一晶粒,建立第四空间坐标系 所述的分别与001、010、100取向重合,以及
获取所述的第一晶粒偏离001方向的角ψ001、所述的第一晶粒偏离011方向的角ψ011、
设的方向向量的为单位向量,则
x3=cosφ001×sinψ001,y3=sinφ001×sinψ001,z3=cosψ001;x4=cosφ011×sinψ011,y4=sinφ011×sinψ011,z4=cosψ011;
x2=y3·z4-y4·z3=sinφ001×sinψ001×cosψ011-sinφ011×sinψ011×cosψ001,y2=z3·x4-z4·x3=cosφ011×sinψ011-cosψ011×cosφ001×sinψ001,z2=x3·y4-X4·y3=cosφ001×sinψ00×sinφ011×sinψ011-cosφ011×sinψ011×sinφ001×sinψ001;
x1=y2·z3-y3·z2,y1=z2·x3-z3·x2,z1=x2·y3-x3·y2;
分别计算与(1,0,0)的第一夹角、计算与(1,0,0)的第二夹角,比较所述的第一夹角和第二夹角,若所述的第一夹角小于所述的第二夹角,则所述的第一夹角为所述的第一晶粒的二次取向偏角,若所述的第一夹角大于所述的第二夹角,则所述的第二夹角为所述的第一晶粒的二次取向偏角。
8.根据权利要求1所述的一种工件二次取向的测定方法,其特征在于:
所述的工件至少包括第一晶粒和第二晶粒。
9.根据权利要求1所述的一种工件二次取向的测定方法,其特征在于:
所述的步骤二中,获取所述的第一晶粒在001取向与011取向上的衍射角2θ的获取方法为查阅文献。
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