CN112067635B - 一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轻合金领域，特别涉及锂合金、镁合金、铝合金的缺陷、密度、成分及其空间分布特性的表征技术及应用。本发明通过CT机扫描测试轻合金，获得轻合金的CT值空间分布特征数据；根据CT值数据，解析出轻合金铸锭各区域成分、密度值，及其在空间的分布特征。本发明首次提出一种利用CT来定量和/或半定量无损表征轻合金成分、密度等物理参数空间分布的方法。其检测分析结果精度高；便于大规模工业化应用。

Description

一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术和应用
技术领域
本发明涉及轻合金领域，特别涉及锂合金、镁合金、铝合金的缺陷、密度、成分及其空间分布特性的表征技术及应用。
背景技术
轻合金指有两种或两种以上金属组成的低密度合金。一般有主要用于航空、航天领域的铝合金、镁合金，以及用于能源领域的锂合金等。
轻合金的主要元素一般为较活泼金属，特别是锂合金极易氧化，限制了一些常规表征手段的应用，给其质量表征带来了困难。
一般的表征手段都是以破坏性取样为主，取样点也比较单一，一些设备的测试精度也不尽人意。测试结果总是以单点代替一片区域的合金质量表征，不能从整体上评估轻合金铸锭质量，给出铸锭质量的空间分布特征。
低密度轻合金的广泛应用、特别是运用于能源领域的锂合金的快速发展，对轻合金的质量提出了更高要求，对其表征技术的创新起到了推动作用。如何在不破坏原始轻合金铸锭的前提下，快速、高效、准确地给出轻合金质量评价方案，避免后续不必要的破坏性的测试环境，节约时间和成本、提高生产效率，无损检测无疑是首选方法。
一般的无损检测主要注重于合金缺陷、尺寸、裂纹等的检测，一般仅给出图像特征，无法给出数值表达，即不能给出测试合金的密度、成分甚至其空间分布特征结果，给出合金铸锭质量的数值判断依据。
化学组份在块体合金的分布偏离熔体的平均值，来自于合金凝固过程中各种物相的分布受重力场温度场的影响，造成成份的宏观偏析。尤其是轻合金，熔点低，热容量高，导热慢，凝固时间长，造成合金锭坯宏观与微观偏析严重。微观偏析可以通过均匀化热处理消除。宏观偏析无法消除，锭坯越大问题越严重。以往对此问题只能通过破坏的方法表征，用经验比对的方法来把控此项技术指标。对于大型构件，质量把控要求越来越高，此问题已是新型轻合金应用的瓶颈之一。
发明内容
本发明针对现有无损检测技术的不足，首次提出一种利用CT来定量和/或半定量表征轻合金成分、密度等物理参数空间分布的方法及应用。
本发明一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术；通过CT机扫描测试轻合金，获得轻合金的CT值空间分布特征数据；根据CT值数据，解析出轻合金铸锭各区域成分、密度值，及其在空间的分布特征。
本发明一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术；所述轻合金为无磁轻合金。
作为优选，本发明一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术；所述轻合金包括铝合金、镁合金、锂合金等中的一种。
所述锂合金，除Li外，还含有M2元素，所述M2元素选自B、C、Au、Ag、Si、Al、Zn、Mn、Mg等中的至少一种。定义锂合金中，锂元素为主要元素；M2元素为组成元素；组成元素与主元素反应形成固溶于基体中的固溶体相，或者形成增强基体的第二相(包括陶瓷化合物、金属间化合物)。
所述镁合金，除Mg外；还含有M1元素，所述M1元素选自Li、Al、Zn、Mn、Ce、Th、Zr、Cd、Re等中的至少一种。定义镁合金中，镁元素为主要元素；M1元素为组成元素；组成元素与主元素反应形成固溶于基体中的固溶体相，或者形成增强基体的第二相(包括陶瓷化合物、金属间化合物)。
所述铝合金，除Al外；还含有M元素，所述M元素选自Li、Cu、Mg、Si、Fe、Ni、Mn、Zn、Cr、Ti、Ca、Pb、Sn、B、Sr、Zr、Re、Na、Bi、Sb等中的至少一种。定义铝合金中，Al元素为主要元素；M元素为组成元素；组成元素与主元素反应形成固溶于基体中的固溶体相，或者形成增强基体的第二相(包括陶瓷化合物、金属间化合物)。
本发明根据CT机检测获取的CT值，通过CT值数据解析轻合金的成分和密度及空间分布特征。
本发明所涉及的CT机检测，当CT机为医用CT机，CT机检测时，测试电压设定范围为80-140KV；其对应于光子平均能量60-85keV；当CT机为非医用CT机，CT机检测时，测试电压设定范围为80-AKV；其对应于光子平均能量60-BkeV；其中A大于140、B大于85；CT检测时，材料不会受到损伤。在工也上应根据不同材料选取合适电压，以保证图像的清晰度，如锂硼合金可设定为120KV。在工业上应用时，任意一固定的测试电压对应一个固定的光子平均能量；其通过现有的测试方法或查阅资料获得。
本发明所用CT机测试出的CT数据需用标样进行校准。标样可选一CT值稳定的均一材料，如直径为1cm，长度为10cm的聚乙烯圆棒(-60Hu at 120KV)。每次测试时将标样随同样品一起测试，若标样CT值稳定，则样品测试结果正确；若标样CT值发生偏移，则样品CT值应根据标样偏移数据作应相应平移修正。
本发明，当测试电压设定为120KV时，所用于计算的各元素吸收X射线光子的质量吸收系数所对应的光子能量为73keV。
本发明根据对纯锂铸锭的CT检测结果，设定的图像取值最优选区域面积为1cm2。
本发明所用各元素的原始数据来源于美国原子能协会。部分元素对应于73keV能量光子的质量吸收系数，如表1所示。
表1.部分元素基本数据
Figure BDA0002583610770000031
本发明可根据表1给出的各元素原始数据，计算轻合金中晶体结构已知的各物相的质量吸收系数。
本发明可根据轻合金对X射线吸收的相互作用以及CT值的定义，给出CT值[Hu]、轻合金基体、主元素含量、轻合金密度之间的逻辑关系式如下：
Figure BDA0002583610770000032
Figure BDA0002583610770000033
Figure BDA0002583610770000034
其中：[Hu]为已知量，其通过检点的CT检测结果直接得出；水对AKeV能量光子的线吸收系数
Figure BDA0002583610770000035
为已知量，根据公开资料获取；如当测试电压为120Kev时，水对73keV能量光子的线吸收系数
Figure BDA0002583610770000036
为0.1898cm-1；wL为轻合金基体质量分数，μm-L为基体质量吸收系数，单位为cm2/g；μm-LM为第二相质量吸收系数，单位为cm2/g；ρL为基体密度，单位为g/cm3，ρLM为第二相密度，单位为g/cm3，ρL-M为合金密度，单位为g/cm3；ML为基体的原子量；当基体为单元素时，即为该元素相对原子量，当基体为固溶体时，为组成基体各元素原子百分比(由组成基体的各元素质量百分比计算获得)与各元素相对原子质量乘积的累加求和获得平均原子量；MLM为第二相的相对原子量，当第二相为单化合物时，即为该化合物相对原子量，当化合物为混合物时，为组成第二相的各化合物摩尔百分比(由组成第二相的各化合物质量百分比计算获得)与各化合物相对原子质量乘积的累加求和获得平均原子量。在工业上应用时，A的取值由测试电压以及测试环境决定，为已知量。
本发明中，当基体为单元素基体时，基体的质量吸收系数即为元素质量吸收系数。
本发明中，当基体为固溶体时，固溶体的质量吸收系数由组成基体的各元素质量吸收系数与其质量百分比的乘积累加求和获得；
本发明中，当基体中含有第二相时，第二相的质量吸收系数由组成第二相化合物的各元素质量吸收系数与质量百分比的乘积累加求和获得；当第二相为混合物，即由组成第二相混合物的各化合物质量吸收系数与其质量百分比的乘积累加求和获得；
密度通用公式：
Figure BDA0002583610770000041
质量吸收系数通用公式：μm＝∑wj·μmj，∑wj＝1
计算基体密度时，其中，wi为组成基体的各元素质量百分比，ρi为组成基体的各元素密度，可根据公开资料获取，ρ为计算获得的基体密度；计算第二相密度时，wi为组成第二相的各化合物质量百分比，ρi为组成第二相的各化合物的密度，可根据公开资料获取，ρ为计算获得的第二相密度；
计算基体质量吸收系数时，wj为组成基体的各元素质量百分比，μmj为组成基体的各元素质量吸收系数，根据公开资料获取，μm为计算获得的基体质量吸收系数；计算第二相质量吸收系数时，wj为组成第二相的各元素质量百分比，μmj为组成第二相的各元素质量吸收系数，根据公开资料获取；μm为计算获得的第二相的质量吸收系数；
各元素质量吸收系数可查阅美国原子能协会给出的数据；元素密度、第二相化合物可根据具体物质查阅相应文献获得。
本发明可将公式(2)带入公式(1)可获得CT值与轻合金总锂含量的数学关系公式。
本发明可将公式(3)带入公式(1)，可获得CT值与轻合金密度的数学关系公式。
本发明需根据已知数据，获取基体和第二相的密度、质量吸收系数，才能进行轻合金成分、密度空间分布特征的定量计算。
本发明的上述计算方法可扩展到多元合金的成分、密度解析。
本发明当轻合金为多元合金时，所述多元合金选自3元合金、4元合金、5元合金中的至少一种；
其计算采取合并、捆绑思路；对于溶入基体形成固溶体的可与基体合并为固溶体相处理，对于生成化合物等多种强化相的可合并捆绑为混合物相处理。
本发明对应三元、四元等多元合金的计算可采取合并、捆绑思路。对于溶入基体形成固溶体的可与基体合并为固溶体相处理，对于生成化合物等多种强化相的可合并捆绑为混合物相处理。
例如，本发明对于四元锂合金(Li-B-C-Mg)的成分、密度解析可采取图2的处理方法。元素先反应成LiBC、LiB，对于特定配比的锂硼合金，两者有固定的比例关系，可以把两者捆绑在一起，作为一个混合物处理。反应后剩余的Li与Mg形成固溶体(成分比例固定)成为基体。对于给定配比的锂合金，通过计算该合金下特定比例的Li-Mg固溶体和LiB-LiBC混合密度及质量吸收系数。
其中，
Li-Mg固溶体密度：
Figure BDA0002583610770000051
Li-Mg固溶体质量吸收系数：μm-Li-Mg＝wLi×μm-Li+(1-wLi)×μm-Mg；LiB-LiBC混合密度：
Figure BDA0002583610770000052
LiB-LiBC质量吸收系数：μm-LiB-LiBC＝wLiB×μm-LiB+(1-wLiB)×μm-LiBC。
用Li-Mg、LiB-LiBC替代公式(1)、公式(2)、公式(3)中的Li、LiB可获得四元锂硼合金CT值与成分、密度之间的关系。ρLi为锂密度、ρMg为镁密度，可根据公开资料获取；wLi为Li-Mg固溶体中锂的质量百分比，可根据特定配比成分的合金，除去化合物含量，进行Li-Mg固溶体中Li占比的计算；ρLi-Mg为计算获得的Li-Mg固溶体密度，即“密度通用公式”的具体化。ρLiB为LiB化合物密度、ρLiBC为LiBC密度，可根据公开资料获取；wLiB可根据特定配比成分的合金，计算生成的第二相中LiB化合物的占比；ρLiB-LiBC为计算获得的第二相混合物密度，即“密度通用公式”的具体化。μm-LiB、μm-LiBC可根据“质量吸收系数通用公式”计算，μm-LiB-LiBC为计算获得的第二相混合物质量吸收系数。
本发明还可根据CT值，解析出锂硼合金中各物相的质量百分比，各元素的质量百分比。
本发明还可以用于表征测试金属的孔隙率以及孔洞分布。尤其是适用于单元素轻金属(如纯锂、纯镁、纯铝等)的孔洞分布特征的无损表征，其孔洞分布特征亦可由公式(6)给出。
根据本发明的解析技术及其思想，还可用于轻合金质量分析用专业设备的开发和应用。
根据本发明的原理方法，还可以拓展到钛合金等高原子序数合金的应用。
附图说明
附图1为选区CT值稳定性测试结果；
附图2为四元(锂硼)合金的成分、密度解析原理图；
附图3为实施例一中锂硼合金冷等静压前后不同高度CT值及密度空间分布特征图；
附图4为实施例一中锂硼合金冷等静压后不同高度CT值及锂含量空间分布特征图；
附图5为实例一中锂硼合金铸锭不同高度孔隙度分布特征图；
附图6中(a)为实施例一中锂硼合金径向的杂质分布图；(b)为实施例一中锂硼合金轴向，各元素组分的分布情况图；从附图6(a)中可以看出杂质的大小和具体位置，可对杂质进行定位清除，附图6(b)可以看出成分、密度的空间分布特征，越接近红色表明密度越高、B、C元素或者第二相含量越多，越接近紫色表明密度越低、Li、Mg元素或者基体含量及孔洞越多；
附图7为实施例二中两种成分镁合金组织均匀性CT图像。
具体实施实例
实施实例一
锂硼合金为四元组份，Li、B、C、Mg质量百分比分别为61％、27.5％、7.5％、4％。
根据四元合金的处理方法及给出的固溶体相和混合物相的密度、质量吸收系数公式，并集合表1给出的基本数据，可计算获得该特定配比下的固溶体相和混合物相的密度(ρLi-Mg，ρLiB-LiBC)、质量吸收(μm-Li-Mg，μm-LiB-LiBC)。将这些计算获得的数据带入公式(1)、(2)、(3)并经过数学整理可获得CT值与总锂含量、密度之间的数学关系式，CT值与锂硼总锂含量和密度的关系，如公式(4)、(5)所示。
Figure BDA0002583610770000071
[Hu]＝790.1×ρLi-B-1016.2 (5)
根据公式(4)、(5)可计算该成分体系的锂硼合金成分、密度空间分布特征。如图(3)、(4)所示。
本发明还可以根据冷等静压前CT值([Hu])和冷等静压后CT值([Hu]')的变化，给出锂硼合金孔隙度(θ)的空间分布特征，如图(5)所示，CT值与孔隙度的数学关系式如公式(6)所示。
Figure BDA0002583610770000072
本发明解析出的锂含量精度可到达0.5％
本发明还可识别锂硼合金中的杂质并对其定位，如图6a所示，并根据定位进行杂质的去除。
本发明还可以给出锂硼合金空间均匀性分布特征图示，如图6b所示。
实施实例二
镁合金CT分析，图7为两种成分镁合金的CT图像，可以直观展示镁合金均匀性分布特征，还可以观察组织缺陷。根据具体数据可以计算成分、密度分布特征。

Claims (6)

1.一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术；其特征在于：通过CT机扫描测试轻合金，获得轻合金的CT值空间分布特征数据；根据CT值数据，解析出轻合金铸锭各区域成分、密度值，及其在空间的分布特征；具体解析如下：
根据轻合金对X射线吸收的相互作用以及CT值的定义，给出CT值[Hu]、轻合金基体、主元素含量、轻合金密度之间的逻辑关系式如下：
Figure FDA0003272261820000011
Figure FDA0003272261820000012
Figure FDA0003272261820000013
其中：[Hu]为已知量，其通过检点的CT检测结果直接得出；水对AKeV能量光子的线吸收系数
Figure FDA0003272261820000014
为已知量，根据公开资料获取；wL为轻合金基体质量分数，μm-L为基体质量吸收系数，单位为cm2/g；μm-LM为第二相质量吸收系数，单位为cm2/g；ρL为基体密度，单位为g/cm3，ρLM为第二相密度，单位为g/cm3，ρL-M为合金密度，单位为g/cm3；ML为基体的原子量；当基体为单元素时，即为该元素相对原子量，当基体为固溶体时，为组成基体各元素原子百分比与各元素相对原子质量乘积的累加求和获得平均原子量；MLM为第二相的相对原子量，当第二相为单化合物时，即为该化合物相对原子量，当化合物为混合物时，为组成第二相的各化合物摩尔百分比与各化合物相对原子质量乘积的累加求和获得平均原子量；A的取值由测试电压以及测试环境决定，为已知量；
当基体为单元素基体时，基体的质量吸收系数即为元素质量吸收系数；
当基体为固溶体时，固溶体的质量吸收系数由组成基体的各元素质量吸收系数与其质量百分比的乘积累加求和获得；
当基体中含有第二相时，第二相的质量吸收系数由组成第二相化合物的各元素质量吸收系数与质量百分比的乘积累加求和获得；当第二相为混合物，即由组成第二相混合物的各化合物质量吸收系数与其质量百分比的乘积累加求和获得；
密度通用公式：
Figure FDA0003272261820000015
∑wi＝1
质量吸收系数通用公式：μm＝∑wj·μmj，∑wj＝1
计算基体密度时，其中，wi为组成基体的各元素质量百分比，ρi为组成基体的各元素密度，可根据公开资料获取，ρ为计算获得的基体密度；计算第二相密度时，wi为组成第二相的各化合物质量百分比，ρi为组成第二相的各化合物的密度，可根据公开资料获取，ρ为计算获得的第二相密度；
计算基体质量吸收系数时，wj为组成基体的各元素质量百分比，μmj为组成基体的各元素质量吸收系数，根据公开资料获取，μm为计算获得的基体质量吸收系数；计算第二相质量吸收系数时，wj为组成第二相的各元素质量百分比，μmj为组成第二相的各元素质量吸收系数，根据公开资料获取；μm为计算获得的第二相的质量吸收系数；
各元素质量吸收系数可查阅美国原子能协会给出的数据；元素密度、第二相化合物可根据具体物质查阅相应文献获得；
将公式(2)带入公式(1)可获得CT值与轻合金总锂含量的数学关系公式；
将公式(3)带入公式(1)，可获得CT值与轻合金密度的数学关系公式；
根据已知数据，获取基体和第二相的密度、质量吸收系数，才能进行轻合金成分、密度空间分布特征的定量计算；
上述计算方法可扩展到多元合金的成分、密度解析；
当轻合金为多元合金时，所述多元合金选自3元合金、4元合金、5元合金中的至少一种；
其计算采取合并、捆绑思路；对于溶入基体形成固溶体的可与基体合并为固溶体相处理，对于生成化合物等多种强化相的可合并捆绑为混合物相处理；
对应三元、四元等多元合金的计算可采取合并、捆绑思路；对于溶入基体形成固溶体的可与基体合并为固溶体相处理，对于生成化合物等多种强化相的可合并捆绑为混合物相处理；
当对于Li-B-C-Mg四元锂合金的成分、密度解析的处理方法为：基于元素先反应成LiBC、LiB，对于特定配比的锂硼合金，两者有固定的比例关系，可以把两者捆绑在一起，作为一个混合物处理；反应后剩余的Li与Mg形成成分比例固定的固溶体成为基体，对于给定配比的锂合金，通过计算该合金下特定比例的Li-Mg固溶体和LiB-LiBC混合密度及质量吸收系数，
其中，
Li-Mg固溶体密度：
Figure FDA0003272261820000031
Li-Mg固溶体质量吸收系数：μm-Li-Mg＝wLi×μm-Li+(1-wLi)×μm-Mg；
LiB-LiBC混合密度：
Figure FDA0003272261820000032
LiB-LiBC质量吸收系数：μm-LiB-LiBC＝wLiB×μm-LiB+(1-wLiB)×μm-LiBC；
用Li-Mg、LiB-LiBC替代公式(1)、公式(2)、公式(3)中的Li、LiB可获得四元锂硼合金CT值与成分、密度之间的关系；其中ρLi为锂密度、ρMg为镁密度，可根据公开资料获取；wLi为Li-Mg固溶体中锂的质量百分比，可根据特定配比成分的合金，除去化合物含量，进行Li-Mg固溶体中Li占比的计算；ρLi-Mg为计算获得的Li-Mg固溶体密度，即“密度通用公式”的具体化；ρLiB为LiB化合物密度、ρLiBC为LiBC密度，可根据公开资料获取；wLiB可根据特定配比成分的合金，计算生成的第二相中LiB化合物的占比；ρLiB-LiBC为计算获得的第二相混合物密度，即“密度通用公式”的具体化；μm-LiB、μm-LiBC可根据“质量吸收系数通用公式”计算，μm-LiB-LiBC为计算获得的第二相混合物质量吸收系数。
2.根据权利要求1所述的一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术；其特征在于：所述轻合金为无磁轻合金。
3.根据权利要求1所述的一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术；其特征在于：所述轻合金包括铝合金、镁合金、锂合金等中的一种；
所述锂合金，除Li外，还含有M2元素，所述M2元素选自B、C、Au、Ag、Si、Al、Zn、Mn、Mg等中的至少一种；定义锂合金中，锂元素为主要元素；M2元素为组成元素；组成元素与主元素反应形成固溶于基体中的固溶体相，和/或者形成增强基体的第二相；所述第二相包括陶瓷化合物、金属间化合物；
所述镁合金，除Mg外；还含有M1元素，所述M1元素选自Li、Al、Zn、Mn、Ce、Th、Zr、Cd、Re中的至少一种；定义镁合金中，镁元素为主要元素；M1元素为组成元素；组成元素与主元素反应形成固溶于基体中的固溶体相，和/或者形成增强基体的第二相；所述第二相包括陶瓷化合物、金属间化合物；
所述铝合金，除Al外；还含有M元素，所述M元素选自Li、Cu、Mg、Si、Fe、Ni、Mn、Zn、Cr、Ti、Ca、Pb、Sn、B、Sr、Zr、Re、Na、Bi、Sb中的至少一种；定义铝合金中，Al元素为主要元素；M元素为组成元素；组成元素与主元素反应形成固溶于基体中的固溶体相，和/或者形成增强基体的第二相；所述第二相包括陶瓷化合物、金属间化合物。
4.根据权利要求1所述的一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术；其特征在于：当CT机为医用CT机，CT机检测时，测试电压设定范围为80-140KV；其对应于光子平均能量60-85keV；当CT机为非医用CT机，CT机检测时，测试电压设定范围为80-AKV；其对应于光子平均能量60-BkeV；其中A大于140、B大于85；CT检测时，材料不会受到损伤。
5.根据权利要求1所述的一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术；其特征在于：当轻合金为锂硼合金时，测试电压设定为120KV；所对应的光子能量为73keV。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术的应用；其特征在于：
所述应用包括将其用于表征测试金属的孔隙率以及孔洞分布；或
所述应用包括将其用于轻合金质量分析用专业设备的开发和应用；或
所述应用包括将其用于钛合金等高原子序数合金的应用。
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