CN110132188B - 一种基于多元素x射线特征光谱综合分析的涂渗层厚度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于多元素X射线特征光谱综合分析的涂渗层厚度计算方法，基于X射线荧光探测技术中的吸收法，利用了多种X射线特征光谱对涂渗层厚度敏感的元素，对多种元素进行综合分析，建立多元素综合分析下的计算方法，保证了测试结果的准确性。其创新之处在于利用各种元素之间的相互补偿，避免了单一元素可能带来的偶然性误差，提高测试结果的准确性。

Description

一种基于多元素X射线特征光谱综合分析的涂渗层厚度计算 方法

技术领域

本发明涉及一种涂渗层厚度计算方法，属于无损检测领域。

背景技术

X射线荧光测试技术是目前广泛使用的一种无损检测技术，具有方便、快捷、准确的特点，运用前景十分广阔。但是，就目前来看，这种技术主要运用于有明显界限单一均匀镀层的无损检测，在扩散型渗层厚度的检测上基本上没有相关研究。如果仅使用原有的涂层厚度计算方法对扩散型渗层厚度进行研究，测试得到的结果与实际值就偏差较大，准确性受到极大的限制。

目前，对于扩散型渗层厚度的检测主要依赖于断面扫描的方法，即将试样线切割，然后通过电镜进行扫描观察，根据形貌的不同测出渗层的厚度，但是通过此方法不仅耗时长，破坏材料的完整性，还只能对部分产品进行抽样检查，抽样检查结果偶然性较大。而采用单一渗层元素进行X射线厚度检测，其缺点是精确度较低或需要大量采集标准试件数据。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于多元素X射线特征光谱综合分析的涂渗层厚度计算方法，基于X射线荧光探测技术中的吸收法，利用了多种X射线特征光谱对涂渗层厚度敏感的元素，对多种元素进行综合分析，建立多元素综合分析下的计算方法，保证了测试结果的准确性。其创新之处在于利用各种元素之间的相互补偿，避免了单一元素可能带来的偶然性误差，提高测试结果的准确性。

本发明的技术方案为：

所述一种基于多元素X射线特征光谱综合分析的涂渗层厚度计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：基于以下规则在材料中选择待分析元素：

所选择的元素满足：1)、元素的荧光光子能够穿透涂渗层，到达探测器；2)、元素的荧光强度随厚度的变化不小于设定要求；

步骤2：获取步骤1中选择的n个待分析元素在材料中的浓度，并分别记为C_i，i＝1,2…n；并对含量进行校正，消除基体效应，校正后的各个元素浓度记为C_i′；并对校正后的各个元素浓度进行归一化处理，得到归一化后的各个元素浓度为

步骤3：对于第i个待分析元素，获取其在不同涂渗层厚度t下的强度比R_i，其中

其中I_i为探测器接收到的第i个待分析元素在涂渗层厚度t下的X射线荧光强度，I_i0为涂渗层厚度为0时探测器接收到的第i个待分析元素的X射线荧光强度；

步骤4：根据步骤3得到的不同涂渗层厚度t下的强度比R_i，利用公式y＝-kx进行线性拟合，其中y对应lnR_i，x对应t，拟合得到第i个待分析元素对应的μ_iρ＝k；

步骤5：对于n个待分析元素，重复步骤3和步骤4，得到每个待分析元素的μ_iρ值；

步骤6：利用步骤5得到的每个待分析元素的μ_iρ值，建立多元素综合分析下的合金涂渗层的厚度优化计算模型为：

将n个待分析元素对应的I_i、I_i0、C_i″、μ_iρ代入模型即可计算得到多元素综合分析下的合金涂渗层厚度t。

进一步的优选方案，所述一种基于多元素X射线特征光谱综合分析的涂渗层厚度计算方法，其特征在于：步骤1中判断元素的荧光强度随厚度的变化不小于设定要求的具体过程为：

建立坐标系，横坐标为涂渗层厚度，纵坐标为当前厚度下该元素的荧光强度与无渗层的荧光强度之比的对数；

该元素在无渗层的荧光强度为I₀，不同厚度D₁,D₂…D_n下的荧光强度分别为I_D1,I_D2…I_Dn，若(D₁,ln(I_D1/I₀)),(D₂,ln(I_D2/I₀))…(D_n,ln(I_Dn/I₀))这些点与原点(0，0)点连线的斜率变化在设定值以内，则认为该元素的荧光强度随涂渗层厚度的变化不小于设定要求。

有益效果

本发明提供了一种基于吸收法的多元素综合分析涂渗层厚度的优化计算模型，先通过对满足理论计算要求的多种元素进行单独分析，然后再将这些满足要求的元素进行综合分析，得到一个精度高并且能够适用于各类涂渗层厚度计算的计算模型，有效解决了现有的计算方法对某些涂渗层厚度计算不准确的问题，提高了测试精度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1多元素X射线荧光强度测试图。

具体实施方式

本发明以单一元素特征光谱吸收法计算涂渗层厚度为基础，将多种元素进行综合分析，得到一个全新的基于多种元素综合的涂渗层厚度计算模型。

本发明的原理及具体过程如下：

1)多元素的选取

根据Mosely定律：元素的X射线特征波长倒数的平方根与原子序数成正比。当原子序数较低时，激发其K系电子所需的X能量比较低。其激发出来的的特征X荧光光子能量同样较低，容易被其他原子序数更大的原子吸收，降低其发射能力。材料中的某些元素荧光强度较强，当厚度变化时，探测器接收到的元素的荧光强度随厚度的变化不明显或者基本没有变化；另外一些元素由于元素本身的特征荧光能量较小，探测器基本都接收不到。因此，必须对元素种类进行分析和筛选，选取合适的元素作为建立数学模型的基础。

这些元素的选取两个条件是：a)元素的荧光光子能够穿透涂渗层，到达探测器；b)荧光强度随厚度有一个较为明显的变化。具体的选择方法为：假设无渗层的荧光强度为I₀，不同厚度D₁,D₂…D_n下的荧光强度分别为I_D1,I_D2…I_Dn，则(D₁,ln(I_D1/I₀)),(D₂,ln(I_D2/I₀))…(D_n,ln(I_Dn/I₀))这些点与坐标系原点(0，0)点连线的斜率变化在设定值以内，设定值一般取10％。

2)多元素综合计算方法

通过步骤1)分析可以得到，假设有n个元素满足计算要求，这些元素在材料中所占的百分含量分别记为C_i(i＝1,2…n)。

1、基体效应的校正

由于基体效应的存在，元素的浓度和分析线的强度之间的关系一般不是线性的。因此需要通过一些方法来消除、减少或校正基体效应，提高测试的精密度和准确度。在这里主要运用常见的数学校正法来对基体效应进行校正。通过校正使测得的X射线荧光强度与计算出来的理论X射线荧光强度相一致，然后将校正得到的浓度值保存下来，为后续多元素综合分析奠定数据和理论基础。将校正后的各个元素浓度记为C_i′(i＝1,2…n)。

2、单元素参数拟合分析计算模型

以吸收法计算公式I＝I₀e^-μρt＝I₀e^-μm为理论基础。

其中，t为涂渗层厚度，m为单位截面积内涂渗层材料的质量，I为探测器接收到的基体元素X射线荧光强度，I₀为涂渗层厚度为0时探测器接收到的基体元素X射线荧光强度，μ为涂渗层材料的质量吸收系数。

基底元素所产生的X射线荧光穿透涂渗层时会产生强度衰减，并且随着涂渗层厚度的增加，衰减的程度逐渐增加，探测器所能探测到的荧光强度的大小也有所减小。

下面以i(i＝1,2…n)元素为例对参数拟合过程进行推导：

首先，将吸收法计算公式做一个变形，将等式两边同时除以I_i0可以得到，

下标i表示该符号为i元素的对应符号；再将等式两边取对数，得到

ln(I_i/I_i0)＝-μ_iρt＝-μ_im (1)

令

将R_i记做i元素的强度比。

通过分析得到，该表达式仅仅是一个与厚度t相关的一次表达式，形如y＝-kx。其中，系数k对应的是μ_iρ，y对应的lnR_i，x对应的t，所以对该方程求解时只需要对吸收系数μ_i进行拟合即可得到最后的计算表达式。即通过一元线性回归的方法对lnR_i与t拟合得到k＝μ_iρ，然后计算得到质量吸收系数的μ_i值。

通过以上计算可以得到i元素基于吸收法计算涂渗层厚度的计算模型。

同理，可以得到与筛选出来的敏感元素相关的计算模型，

3、多元素综合分析计算模型

以单元素的计算模型和校正后的浓度值为基础，对多种元素综合下的优化计算模型进行分析和推导。

首先，将(3)式得到的单元素计算模型进行综合，得到

然后，将元素i校正后的浓度C_i′做归一化处理，得到

其次，将(4)式开方可以得到

再次，用(5)式得到的归一化后各元素的浓度值C_i″对(6)式中各元素对应的质量系数修正，即

最后，将(7)式带入(6)式即可得到多元素综合下的涂渗层厚度优化计算模型，即

(8)式即作为多元素综合分析下的优化计算模型。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例以某型合金为例进行测试计算：

1)进行X荧光测试，得到如表1所示为Ti和Cr荧光强度的强度比值，通过对强度比值取对数的值如表2所示，选取Ti和Cr为计算元素。

表1不同厚度涂渗层的某合金Ti和Cr荧光强度的强度比值

表2强度比取对数后的值

2)根据以上数据计算该合金表面涂渗层计算公式，具体计算步骤如下：

1、基体效应校正后的浓度C_Ti′＝0.14，C_Cr′＝0.23，根据校正以后的浓度值带入(5)式进行计算得到C_Ti″＝0.378，C_Cr″＝0.622。

2、对Ti元素通过一元线性回归的方法拟合得到μ_Tiρ＝-0.1682，然后，根据公式(1)得到

ln(I_Ti/I_Ti0)＝-μ_Tiρt＝-0.1682t (9)

对Cr元素通过一元线性回归的方法拟合得到μ_Crρ＝-0.3210，然后根据式(1)得到

ln(I_Cr/I_Cr0)＝-μ_Crρt＝-0.3210t (10)

3、多元素综合后的计算

将式(8)等价变化以后得到

通过上式带入第2步和第3步的计算结果得到该种合金涂渗层的计算方程为

方程(12)即为多元素综合下的涂渗层厚度的计算方程。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种基于多元素X射线特征光谱综合分析的涂渗层厚度计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：基于以下规则在材料中选择待分析元素：

所选择的元素满足：1)、元素的荧光光子能够穿透涂渗层，到达探测器；2)、元素的荧光强度随厚度的变化不小于设定要求；

步骤2：获取步骤1中选择的n个待分析元素在材料中的浓度，并分别记为C_i，i＝1,2…n；并对含量进行校正，消除基体效应，校正后的各个元素浓度记为C_i′；并对校正后的各个元素浓度进行归一化处理，得到归一化后的各个元素浓度为

步骤3：对于第i个待分析元素，获取其在不同涂渗层厚度t下的强度比R_i，其中

其中I_i为探测器接收到的第i个待分析元素在某一涂渗层厚度下的X射线荧光强度，I_i0为涂渗层厚度为0时探测器接收到的第i个待分析元素的X射线荧光强度；

步骤4：根据步骤3得到的不同涂渗层厚度t下的强度比R_i，利用公式y＝-kx进行线性拟合，其中y对应lnR_i，x对应t，拟合得到第i个待分析元素对应的μ_iρ＝k，其中μ_i表示第i个待分析元素的质量吸收系数；

步骤5：对于n个待分析元素，重复步骤3和步骤4，得到每个待分析元素的μ_iρ值；

步骤6：利用步骤5得到的每个待分析元素的μ_iρ值，建立多元素综合分析下的涂渗层的厚度优化计算模型为：

将n个待分析元素对应的I_i、I_i0、C_i″、μ_iρ代入模型即可计算得到多元素综合分析下的涂渗层厚度T。

2.根据权利要求1所述一种基于多元素X射线特征光谱综合分析的涂渗层厚度计算方法，其特征在于：步骤1中判断元素的荧光强度随厚度的变化不小于设定要求的具体过程为：

建立坐标系，横坐标为涂渗层厚度，纵坐标为当前厚度下该元素的荧光强度与无渗层的荧光强度之比的对数；

该元素在无渗层的荧光强度为I₀，不同厚度D₁,D₂…D_n下的荧光强度分别为I_D1,I_D2…I_Dn，若(D₁,ln(I_D1/I₀)),(D₂,ln(I_D2/I₀))…(D_n,ln(I_Dn/I₀))这些点与原点(0，0)点连线的斜率变化在设定值以内，则认为该元素的荧光强度随涂渗层厚度的变化不小于设定要求。

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