CN111238707A - 单色及多色光x射线的单晶/定向晶应力测量系统和方法 - Google Patents
单色及多色光x射线的单晶/定向晶应力测量系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种单色及多色光X射线的单晶/定向晶应力测量系统和测量方法，测量系统中，包括：多轴样品台，样品台控制器，多色光X射线发生器，单色光X射线发生器，X射线探测器，共心点调整模块，计算储存模块，控制模块。测量方法中，包括：调节样品表面到共心点；多色光X射线发生器产生多色光X射线，样品曝光，X射线探测器采集衍射峰信号；基于采集到的衍射峰信号，计算储存模块计算样品取向；多轴样品台驱动处于共心点的样品表面旋转和倾转，单色X射线发生器照射样品表面，采集模块采集样品表面的衍射峰信号；基于采集到的衍射峰信号，计算储存模块计算应力数据。
Description
技术领域
本发明属于应力测量技术领域，特别是一种单色及多色光X射线的单晶/定向晶应力测量系统和测量方法。
背景技术
单晶/定向晶高温合金叶片作为航空发动机、燃气轮机热端转动部件，具备优异的室温和高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性。然而其寿命对加工中产生的残余应力十分敏感。此外，因其服役于高温高压的严苛工况，并因其高速旋转收到外物冲击，进而产生残余应力。从而萌生裂纹，进而引发失效，导致发动机故障。因此急需一种应力测量方法，能够应用于叶片生产厂家及发动机维修一线。
然而，现有实验室中进行的无损应力检测技术，基于粉末样品及多晶样品，采用单色光X射线进行检测，对于单晶样品及定向晶样品因无法快速采集到衍射峰信号而无法应用。目前，单晶以及定向晶的残余应力测量，多依靠大科学装置进行，例如同步辐射X射线和中子衍射。依靠大科学装置可以实现高精度乃至高空间分辨率的测量，然而无法将其设置在生产战斗一线，在实际工程中的应用意义不大。
因此针对上述技术问题，需要提供一种能够在实验室/车间中进行单晶/定向晶样品、产品、部件应力测量的测量系统及配套方法。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种单色及多色光X射线的单晶/定向晶应力测量系统和测量方法，简化检测需求，仅需低的实验室能量级单色X射线便可方便地自动化精密测量得到单晶残余应力和应力张量。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种单色及多色光X射线的单晶/定向晶应力测量系统包括：
多轴样品台，其上表面支撑单晶/定向晶的样品，所述多轴样品台包括沿着X轴平移的X自由度、沿Y轴平移的Y自由度、沿Z轴平移的Z自由度、绕Z轴旋转的旋转自由度以及绕X轴和/或Y轴旋转的的旋转的自由度，
多轴样品台控制器，其连接所述多轴样品台以控制所述多轴样品台在其自由度上运动以及位置反馈，
多色光X射线发生器，其位置固定，多色光X射线照射在样品表面的共心点上，所述共心点为多轴样品台在旋转过程中不改变样品高度的位置，
单色光X射线发生器，其沿着共心点为转动中心的圆周进行圆周运动，并当单色光X射线发生器转动时，始终照射所述共心点，
X射线探测器，其接收从样品表面衍射出的衍射峰信号，X射线探测器沿着共心点为转动中心的圆周进行圆周运动，
其位置保持不变，能够测量其与样品表面之间的相对位置，计算储存模块，其连接所述X射线探测器和控制模块，计算储存模块基于衍射峰信号计算样品取向及应力数据并储存。
控制模块，其连接多轴样品台控制器、多色光X射线发生器、单色光X射线发生器、X射线探测器和共心点调整模块、计算储存模块，基于共心点调整模块测量的位置数据，通过控制多轴样品台控制器控制多轴样品台移动样品表面至共心点；控制多色光X射线发生器和单色光X射线发生器发射X射线；控制X射线探测器曝光；基于计算储存模块输出的样品取向，控制单色光X射线发生器、X射线探测器的运动，通过控制多轴样品台控制器控制多轴样品台的运动。
所述的应力测量系统中，计算储存模块包括实时高速接收数据的高速存储器、读写高速存储器中的数据的大容量存储器和读写高速存储器中存储的实时数据以及大容量存储器存储的数据的计算模块，其中，计算模块包括，
拟合单元，其基于所述衍射峰信号拟合以得到衍射峰位置数据，
取向计算单元，基于所述多色光X射线发生器产生的衍射峰位置数据计算样品取向，
应力计算单元，基于所述单色光X射线发生器产生的衍射峰位置数据计算样品预定方向上的残余应变或应力，
应力张量计算单元，其基于多个衍射峰信号计算样品的应变/力张量。
所述的应力测量系统中，多轴样品台包括多个运动台堆叠结构或一体式五/六自由度的位移台。
所述的应力测量系统中，多轴样品台包括用于固定样品的可对样品位置进行微调节的夹具。
所述的应力测量系统中，共心点调整模块包括光学测量单元、激光测距单元和/或激光轮廓采集单元。
所述的应力测量系统中，采集模块包括线探测器或面探测器。
所述的应力测量系统中，多轴样品台沿Z轴平移的Z自由度上包括第一调节精度的粗调单元和第二调节精度的细调单元。
所述的应力测量系统中，标样包括氧化铝粉末、碳酸钙粉末和/或锂镧锆氧粉末以及单晶硅。
根据本发明另一方面，所述的应力测量系统的测量方法包括以下步骤，
第一步骤，基于样品表面位置，调节样品表面到共心点，
第二步骤，多色光X射线发生器产生多色光X射线，样品曝光，X射线探测器采集衍射峰信号，
第三步骤，基于第二步骤采集到的衍射峰信号，计算储存模块计算样品取向，
第四步骤，多轴样品台驱动处于共心点的样品表面旋转和倾转，单色X射线发生器照射样品表面，采集模块采集样品表面的衍射峰信号，
第五步骤，基于第四步骤采集到的衍射峰信号，计算储存模块计算应力数据。
所述的测量方法中，第四步骤，在第一个衍射峰信号采集时，样品台控制模块控制多轴样品台绕Z轴旋转，同时X射线探测器采集，当采集到衍射峰信号高于预定阈值时停止旋转，并在预定角度范围内开始摆动，每旋转预定角度，进行预定步长的倾转，同时X射线探测器进行采集，重复执行以采集预定个数衍射峰信号，第五步骤，基于所述衍射峰信号生成应力数据和应力张量。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明直接测量单晶/定向晶样品，不需要预先掌握待测样品的取向，多色光进行准确快速标定单晶的晶体取向，应用单色光进行高精度应变/应力的测量；简化检测需求，可方便地大批量检测单晶残余应力且无需高能量级的X射线、同步辐射和中子衍射，占地面积小，能耗低，能够安装在实验室及工厂厂房当中。进一步的，该方案可以形成野战检测平台。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的单色及多色光X射线的单晶/定向晶应力测量系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的单色及多色光X射线的单晶/定向晶应力测量系统的测量方法的步骤结构示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图2更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，如图1所示，单色及多色光X射线的单晶/定向晶应力测量系统包括，
多轴样品台1，其上表面支撑单晶/定向晶的样品，所述多轴样品台1包括沿着X轴平移的X自由度、沿Y轴平移的Y自由度、沿Z轴平移的Z自由度、绕Z轴旋转的旋转自由度以及绕X轴和/或Y轴旋转的的旋转的自由度，
多轴样品台控制器2，其连接所述多轴样品台1以控制所述多轴样品台1在其自由度上运动以及位置反馈，
多色光X射线发生器3，其位置固定，多色光X射线照射在样品表面的共心点上，所述共心点为多轴样品台1在旋转过程中不改变样品高度的位置，
单色光X射线发生器4，其沿着共心点为转动中心的圆周进行圆周运动，并当单色光X射线发生器4转动时，始终照射所述共心点，
X射线探测器5，其接收从样品表面衍射出的衍射峰信号，X射线探测器5沿着共心点为转动中心的圆周进行圆周运动，
共心点调整模块6，其位置保持不变，能够测量其与样品表面之间的相对位置，
计算储存模块7，其连接所述X射线探测器5和控制模块8，计算储存模块7基于衍射峰信号计算样品取向及应力数据并储存，
控制模块8，其连接多轴样品台控制器2、多色光X射线发生器3、单色光X射线发生器4、X射线探测器5、共心点调整模块6、计算储存模块7，基于共心点调整模块6测量的位置数据，控制多轴样品台控制器2控制多轴样品台1移动样品表面至共心点；控制多色光X射线发生器3和单色光X射线发生器4发射X射线；基于计算储存模块7输出的样品取向，控制单色光X射线发生器4、X射线探测器5的运动，通过控制多轴样品台控制器2控制多轴样品台1的运动。
所述的应力测量系统的优选实施例中，计算储存模块7包括实时高速接收数据的高速存储器9、读写高速存储器9中的数据的大容量存储器10和读写高速存储器9中存储的实时数据以及大容量存储器10存储的数据的计算模块11，其中，计算模块11包括，
拟合单元，其基于所述衍射峰信号拟合以得到衍射峰位置数据，
取向计算单元，基于所述多色光X射线发生器3产生的衍射峰位置数据计算样品取向，
应力计算单元，基于所述单色光X射线发生器4产生的衍射峰位置数据计算样品预定方向上的残余应变或应力，
应力张量计算单元，其基于多个衍射峰信号计算样品的应变/力张量。
所述的应力测量系统的优选实施例中，多轴样品台1包括多个运动台堆叠结构或一体式五/六自由度的位移台。
所述的应力测量系统的优选实施例中，多轴样品台1包括用于固定样品的可对样品位置进行微调节的夹具。
所述的应力测量系统的优选实施例中，共心点调整模块6包括光学测量单元、激光测距单元和/或激光轮廓采集单元。
所述的应力测量系统的优选实施例中，X射线探测器5包括线探测器或面探测器。
所述的应力测量系统的优选实施例中，多轴样品台1沿Z轴平移的Z自由度上包括第一调节精度的粗调单元和第二调节精度的细调单元。
所述的应力测量系统的优选实施例中，标样包括氧化铝粉末、碳酸钙粉末和/或锂镧锆氧粉末以及单晶硅。
为了进一步理解本发明，在一个实施例中，测量系统包括，
多轴样品台1，其上表面支撑样品及/或标样。所述多轴样品台，包括沿着X轴平移的自由度、沿着Y轴平移的自由度、沿着Z轴平移的自由度、绕Z轴旋转的自由度及绕X轴和/或Y轴旋转的自由度。
多轴样品台控制器2，其连接所述多轴样品台1，能够控制所述多轴样品台1在其自身拥有的全部自由度上进行可控运动与位置状态感知反馈。
多色光X射线发生器3，其位置固定不变，X射线将照射在样品表面一个事先校准好的共心点上。
单色光X射线发生器4，其沿着共心点为转动中心的圆周进行圆周运动，并当单色光X射线发生器4转动时，照射点始终位于共心点上。
X射线探测器5，其接收从样品表面衍射出的X射线信号，其能够沿着共心点为转动中心的圆周进行圆周运动。
共心点调整模块6，其位置固定不变，能够测量样品表面于所述共心点调整模块6自身距离。
计算储存模块7，能够计算并储存样品取向及应力数据。
控制模块8，能够连接多轴样品台控制器2、多色光X射线发生器3、单色光X射线发生器4、X射线探测器5、共心点调整模块6、计算储存模块7。控制模块8能够通过共心点调整模块6所反馈的数据，控制多轴样品台控制器2以移动样品表面至共心点；能够控制多色光X射线发生器3、单色光X射线发生器4的X射线发射；能够控制X射线探测器5的曝光；能够控制单色光X射线发生器4及X射线探测器5的移动；能够通过接受计算储存模块7传输的样品取向，调整单色光X射线发生器4及X射线探测器5的移动，并控制多轴样品台控制器2以控制多轴样品台1的运动。
在一个较佳的实施例中，计算储存模块7，包括：高速存储器9，实时高速接收数据；大容量存储器10，能够读写高速存储器9中的数据，并被高速存储器9读写；计算模块11，能够读写高速存储9中存储的实时数据，能够读写大容量存储器10中存储的数据，计算取向及应力，并将结果传输至控制模块8.
在一个较佳的实施例中，计算储存模块7的计算功能包括：拟合功能，其基于所述衍射峰信号拟合以得到衍射峰位置；取向计算功能，基于得到衍射峰位置计算样品取向；应力计算功能，基于所述得到衍射峰位置计算样品预定方向上的残余应变/力；应力张量计算功能，其基于多个衍射峰信号计算样品的应变/力张量。
在一个较佳的实施例中，多轴样品台1包括多个运动台堆叠结构或一体式五/六自由度的位移台。
在一个较佳的实施例中，多轴样品台1包括用于固定样品的可对样品位置进行微调节的夹具。
在一个较佳的实施例中，共心点调整模块6包括光学测量单元、激光测距单元和/或激光轮廓采集单元。
在一个较佳的实施例中，多轴样品台1沿Z轴平移的Z自由度上包括第一调节精度的粗调单元和第二调节精度的细调单元。
在一个较佳的实施例中，标样包括氧化铝粉末、碳酸钙粉末和/或锂镧锆氧粉末，高纯度单晶硅。
本发明能够在常规实验室中利用单色光及多色光X射线实现对单晶和定向晶残余应力实现高效快捷、自动化精密测量。
如图2所示，一种所述的应力测量系统的测量方法包括以下步骤，
第一步骤，基于样品表面位置，调节样品表面到共心点，
第二步骤，多色光X射线发生器3产生多色光X射线，样品曝光，X射线探测器5采集衍射峰信号，
第三步骤，基于第二步骤采集到的衍射峰信号，计算储存模块7计算样品取向，
第四步骤，多轴样品台1驱动处于共心点的样品表面旋转和倾转，单色X射线发生器照射样品表面，采集模块采集样品表面的衍射峰信号，
第五步骤，基于第四步骤采集到的衍射峰信号，计算储存模块7计算应力数据。
所述的测量方法的优选实施方式中，第四步骤，在第一个衍射峰信号采集时，样品台控制模块8控制多轴样品台1绕Z轴旋转，同时X射线探测器5采集，当采集到衍射峰信号高于预定阈值时停止旋转，并在预定角度范围内开始摆动，每旋转预定角度，进行预定步长的倾转，同时X射线探测器5进行采集，重复执行以采集预定个数衍射峰信号，第五步骤，基于所述衍射峰信号生成应力数据和应力张量。
本发明能够实现对单晶和定向晶残余应力实现高效快捷、自动化精密测量。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (10)
1.一种单色及多色光X射线的单晶/定向晶应力测量系统，其包括，
多轴样品台，其上表面支撑单晶/定向晶的样品，所述多轴样品台包括沿着X轴平移的X自由度、沿Y轴平移的Y自由度、沿Z轴平移的Z自由度、绕Z轴旋转的旋转自由度以及绕X轴和/或Y轴旋转的的旋转的自由度，
多轴样品台控制器，其连接所述多轴样品台以控制所述多轴样品台在其自由度上运动以及位置反馈，
多色光X射线发生器，其位置固定，多色光X射线照射在样品表面的共心点上，所述共心点为多轴样品台在旋转过程中不改变样品高度的位置，
单色光X射线发生器，其沿着共心点为转动中心的圆周进行圆周运动，并当单色光X射线发生器转动时，始终照射所述共心点，
X射线探测器，其接收从样品表面衍射出的衍射峰信号，X射线探测器沿着共心点为转动中心的圆周进行圆周运动，
共心点调整模块，其位置保持不变，测量其与样品表面之间的相对位置，
计算储存模块，其连接所述X射线探测器和控制模块，计算储存模块基于衍射峰信号计算样品取向及应力数据并储存，
控制模块，其连接多轴样品台控制器、多色光X射线发生器、单色光X射线发生器、X射线探测器、共心点调整模块、计算储存模块，基于共心点调整模块测量的位置数据，通过控制多轴样品台控制器控制多轴样品台移动样品表面至共心点；控制多色光X射线发生器和单色光X射线发生器发射X射线；控制X射线探测器曝光；基于计算储存模块输出的样品取向，控制单色光X射线发生器及X射线探测器的运动，通过控制多轴样品台控制器控制多轴样品台的运动。
2.根据权利要求1所述的应力测量系统，其中，优选的，计算储存模块包括实时高速接收数据的高速存储器、读写高速存储器中的数据的大容量存储器和读写高速存储器中存储的实时数据以及大容量存储器存储的数据的计算模块，其中，计算模块包括，
拟合单元，其基于所述衍射峰信号拟合以得到衍射峰位置数据，
取向计算单元，基于所述多色光X射线发生器产生的衍射峰位置数据计算样品取向，
应力计算单元，基于所述单色光X射线发生器产生的衍射峰位置数据计算样品预定方向上的残余应变或应力，
应力张量计算单元，其基于多个衍射峰信号计算样品的应变/力张量。
3.根据权利要求1所述的应力测量系统，其中，多轴样品台包括多个运动台堆叠结构或一体式五/六自由度的位移台。
4.根据权利要求1所述的应力测量系统，其中，多轴样品台包括用于固定样品的可对样品位置进行微调节的夹具。
5.根据权利要求1所述的应力测量系统，其中，共心点调整模块包括光学测量单元、激光测距单元和/或激光轮廓采集单元。
6.根据权利要求1所述的应力测量系统，其中，采集模块包括线探测器或面探测器。
7.根据权利要求1所述的应力测量系统，其中，多轴样品台沿Z轴平移的Z自由度上包括第一调节精度的粗调单元和第二调节精度的细调单元。
8.根据权利要求1所述的应力测量系统，其中，标样包括氧化铝粉末、碳酸钙粉末和/或锂镧锆氧粉末以及单晶硅。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的应力测量系统的测量方法，其包括以下步骤，
第一步骤，基于样品表面位置，调节样品表面到共心点，
第二步骤，多色光X射线发生器产生多色光X射线，样品曝光，X射线探测器采集衍射峰信号，
第三步骤，基于第二步骤采集到的衍射峰信号，计算储存模块计算样品取向，
第四步骤，多轴样品台驱动处于共心点的样品表面旋转和倾转，单色X射线发生器照射样品表面，采集模块采集样品表面的衍射峰信号，
第五步骤，基于第四步骤采集到的衍射峰信号，计算储存模块计算应力数据。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其中，第四步骤，在第一个衍射峰信号采集时，样品台控制模块控制多轴样品台绕Z轴旋转，同时X射线探测器采集，当采集到衍射峰信号高于预定阈值时停止旋转，并在预定角度范围内开始摆动，每旋转预定角度，进行预定步长的倾转，同时X射线探测器进行采集，重复执行以采集预定个数衍射峰信号，第五步骤，基于所述衍射峰信号生成应力数据和应力张量。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112066895A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-12-11 | 北京量拓科技有限公司 | 样品台及具有该样品台的椭偏仪 |
| CN113358258A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-09-07 | 中国航发沈阳发动机研究所 | 一种发动机叶片表面残余应力测试系统及其方法 |
| CN113358258B (zh) * | 2021-06-23 | 2023-02-28 | 中国航发沈阳发动机研究所 | 一种发动机叶片表面残余应力测试系统及其方法 |
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