小角中子散射原位热力耦合加载装置.pdf

第58 卷第1期2024年1月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol.58,No.1Jan.2024小角中子散射原位热力耦合加载装置陈忠，李天富，王子军，闫士博，刘荣灯，李眉娟，胡文耀，邹之全，杨宇辰，刘蕴韬，孙凯，陈东风*（中国原子能科学研究院，北京10 2 413）摘要：热力耦合近工况条件下材料微观结构的原位实验研究，对于深人理解材料服役性能演化机制十分重要，可给出样品微观上的纳米结构尺度分布。为充分发挥小角中子散射统计性好、取样体积大可开展原位实验等优势，本文基于中国先进研究堆小角中子散射谱仪，设计并研制了一台高温和拉力同时加载的原位实验装置，并实现了高温高压下原位测量材料的纳米尺度形貌变化。实验测试结果表明，装置最大载荷可达2 0 kN，最高温度8 0 0，控温精度优于士1。利用该装置对镍基单晶高温合金样品进行了原位小角中子散射测试，发现温度拉力条件下样品内部纳米结构的明显变化，表明基于该装置可开展热力耦合加载下的原位小角中子散射实验。该装置及其相应实验方法，可用于核电不锈钢等多种高温结构材料的原位加载实验研究，提供微观结构演化数据。关键词：中国先进研究堆；小角中子散射；原位热力耦合；镍基单晶高温合金中图分类号：TL99；T G 139.9；T P33doi:10.7538/yzk.2023.youxian.0236CHEN Zhong,LI Tianfu*,WANG Zijun,YAN Shibo,LIU Rongdeng,LI Meijuan,HU Wenyao,ZOU Zhiquan,YANG Yuchen,LIU Yuntao,SUN Kai,CHEN Dongfeng*Abstract:The in-situ experimental study of the microstructure of materials under ther-modynamic coupling under near-working conditions is very important for in-depth under-standing of the evolution mechanism of material service performance.The microscopicdistribution of nanostructures on the sample can be given.Based on the advantages ofsmall-angle neutron scattering method with good statistics and large sampling volume,in-situ experiments can be carried out,based on the small-angle neutron scattering spec-trometer of China Advanced Research Reactor,an in-situ experimental device withsimultaneous loading of high temperature and tensile force was designed and developed,and the morphological changes of materials at the nanoscale were measured online at文献标志码：AIn-situ Thermodynamic Coupling Devicefor Small-angle Neutron Scattering(China Institute of Atomic Energy,Beijing 102413,China)文章编号：10 0 0-6 9 31(2 0 2 4)0 1-0 2 11-0 7收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 1；修回日期：2 0 2 3-0 5-2 1基金项目：中核集团领创基金（LC202309000301)；国家自然科学基金（12 0 7 532 0）；中核集团“青年英才”项目（FY202307000120）；中国原子能科学研究院院长基金（YZ202312000720）*通信作者：李天富，陈东风212high temperature and high pressure.The test results of the inspection and calibrationexperiment show that the maximum load of the device can reach 20 kN,the maximumtemperature is 80o,a n d t h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l a c c u r a c y is b e t t e r t h a n 1 C.T h edevice was used to carry out in-situ small-angle neutron scattering experiments onnickel-based single crystal superalloy samples,and the obvious changes in the internalnanostructure of the samples under temperature tension conditions were obtained,indi-cating that the device could carry out the experimental research ability of in-situ thermo-dynamic coupling loading small-angle neutron scattering.The device and its correspond-ing experimental methods can also be used for in-situ experimental research of varioushigh-temperature structural materials such as nuclear power stainless steel to providemicrostructure evolution data.Key words:China Advanced Research Reactor;small-angle neutron scattering;in-situthermodynamic coupling;nickel-base single crystal superalloys中子散射技术是一种利用中子与物质相互作用探测物质结构和性质的技术，它已广泛应用于材料、物理、化学、生物、地质、能源、军工、医药等众多研究领域1。与X射线和电子等其他探测手段相比，中子具有不带电、具有磁矩、对轻元素灵敏、能分辨同位素等特性，这些特性使得中子散射技术不仅在基础科研领域发挥着重要作用，在工业应用方面也具有明显优势2 。随着国际中子科学装置的迅猛发展以及国内用户需求的日渐增多，近年来我国也在逐步加大投入发展中子散射技术并开展相关研究。小角中子散射技术是研究材料微观组织结构的重要实验手段，它可无损地表征测试材料中的纳米结构，如缺陷、沉淀、孔洞等，观测尺寸通常介于110 0 nm之间。相较于电镜和原子探针等其他表征技术，小角中子散射具有其独特的优势：中子的强穿透力使得测量结果具有宏观统计性，且适合于加载复杂样品环境；所需样品制备相对简单，减少由于实验样品制备过程带来的实验误差；对元素周期表的一些近邻元素，例如铁、铬、锰和镍等的散射衬度大，可获得较强的中子散射信号，适合研究金属合金材料3。小角中子散射可定量分析样品内部各种纳米尺度不均匀结构的形貌、尺寸、数密度和体积分数等微观组织信息，若与电镜以及原子探针结合，则可得到更全面准确的纳米结构信息4-5。中国先进研究堆建有国内第一台小角中原子能科学技术第58 卷子散射谱仪，其配备了机械速度选择器、针孔准直系统和高分辨率二维位置敏感3He中子探测器。人射中子波长、源到样品的距离、样品到探测器的距离以及中子聚焦透镜可灵活调整，实现散射矢量Q值范围从0.0 0 1A-1到0.5A-1。谱仪样品位置沿中子束流方向的空间接近1m，可配备多种中子散射原位样品环境装置6 。目前世界主要中子科学中心的小角散射谱仪均配置了原位高温样品环境，如法国劳厄-朗之万研究所(ILL)的小角中子谱仪配有最高12 50 的高温炉，英国ISIS散裂中子源的高温炉可加载最高2 0 0 0 的温度，美国橡树岭国家实验室（ORNL)也拥有高温炉，最高工作温度130 0，使得EQ-SANS和GP-SANS小角中子谱仪都可开展原位高温实验，另外GP-SANS小角中子谱仪还可进行原位力学加载。基于小角散射原位高温加载装置，各国科学家针对合金材料开展多项研究工作。He等在瑞士PSI的SANS-I小角谱仪上开展Fe-Cu合金原位时间分辨的小角中子散射研究，发现在550 进行热时效时，预应力可在时效早期阶段加速Cu的析出，使得位错处的Cu析出物数量显著增加7。Boothby等利用ILL的D11小角中子谱仪开展辐照后的RPV钢原位退火实验研究，结果表明，在退火过程中低Ni含量的反应堆压力容器钢（RPV钢)溶质团簇的体积分数明显降低，而高Ni含量的RPV钢团簇出现粗化。第1期陈忠等：小角中子散射原位热力耦合加载装置本文基于中国先进研究堆小角中子散射谱仪，针对中、高温结构材料近工况微观组织实时动态表征需求，设计开发一套小角中子散射专用原位热力耦合加载装置，建立原位中子小角散射实验测试方法，开展镍基单晶高温合金原位小角中子散射实验研究。1热力耦合系统设计1.1基本原理原位热力耦合加载小角中子散射实验装置主要由3个部分组成：前端导管准直系统、样品环境及后端探测器系统，如图1所示。中子束从前端导管准直系统出射后，到达样品处发生散射，散射后的中子束由后端探测器系统接收并采集数据。热力耦合加载的样品环境的设计要求为在不影响中子束质量和强度的情况下，给样品同时施加力学和温度载荷。中子束样品环境中子导管中子源图1热力耦合小角中子散射原位测试示意图Fig.1 Sketch map of in-situ thermodynamiccoupling SANS analysis1.2总体设计原位热力耦合加载装置是一种能在中子光路上对材料样品同时施加力学载荷和温度载荷的设备，主要由3个部分构成：蠕变试验机、中子透明真空炉和y三维可调移动底座。其中，蠕变试验机对样品进行力学加载，性能指标需达到所要求的试验力值、速度、行程等。真空加热炉通过机械固定装置安装在试验机立柱上，使得样品位于炉体中心，并与中子束流高度对齐。真空炉与试验机之间的接口采用波纹管进行动态密封，既保证了拉伸过程中的真空度，又避免了对试验力值精度的影响。可调底座用于控制试验机及真空炉的三维位置和方向，使得中子束能够通过高温炉窗口并与样品轴心线重合。此外，还配备了真空系统、水冷系统、控213制电源系统等辅助设备，以保证装置的正常运行和安全性。其主要设计指标参数列于表1，主体结构如图2 所示。表1热力耦合原位小角中子实验装置主要技术参数Table 1Specifications of in-situ thermodynamiccoupling SANS device参数电功率恒温区范围控温精度试验力值试样中心离地面高度最高温度最大人射束尺寸散射束最大角度温度SE8探测器图2 热力耦合小角散射原位分析装置示意图Fig.2Sketch map of in-situthermodynamic coupling SANS device1.3真空炉设计真空加热炉的主要组成部分如图3所示，包括不锈钢外壳、应力负荷接口、锯网加热元件、绝缘石墨毡、蓝宝石中子窗口、水冷通道、加热电极、真空阀、真空硅管和热电偶等。通过分子泵和机械泵的组合抽真空，真空泵处的真空度可达110-4Pa，加热炉顶部的真空度可达2X10-2Pa。中子窗口是真空加热炉的重要组件之一，它位于加热炉的两侧，一侧是直径为35mm的人射窗口，另一侧是直径为9 0 mm的出射窗口。窗口材料是厚度为2 mm的蓝宝石圆盘，两个窗口的中心在同一轴线上。蓝宝石材料具有耐高温、中子衰减小的特点，同时由于其光学透明度，可直接观察加热炉内部情况。数值10kW10mm(高）X10 mm(宽）X5mm(厚)土1，采用带热电偶的测温仪测量20kN，采用压力传感器实测1.375 m800$20 mm20中中子人射方向真窖机单位：mm同材料的试样无需修改试验机的PID参数，214中子出射窗口绝热石墨毡图3真空加热炉结构简图Fig.3Sketch map of in-situ heating furnace加热元件是真空加热炉的核心部件，它采用阻性加热，两个锯网状加热元件沿中子路径对称布置，不会阻挡中子束。加热元件采用加强结构设计，可防止重复加热后变形。样品和夹具沿着两个加热元件的中间垂直方向排列，这种对称布局使得样品位置具有均匀的温度分布，并且方便对样品施加拉伸力。温度控制器是真空加热炉的控制部件，它带有微型计算机数字调节仪，可以数字显示测试温度和加热参数。温度控制器通过加热电极向加热元件提供电流。温度控制器还可以根据设定的温度曲线自动调节电流大小，以实现恒定温度或动态温度变化。温度检测器是真空加热炉的测量部件，它由多个不同位置的热电偶组成。每个样品都被一根细小K型热电偶紧密地缠绕，而冷端则引出到绝缘硅管内，并通过硅管引出到外部连接到温度控制器上。这样可以实时监测样品表面温度，并与设定温度进行比较。2系统性能测试2.1控制系统原位装置的控制系统主要由高温电子蠕变试验机和蠕变计算机程序组成。高温电子变试验机能够对材料样品施加恒定或变化的力学载荷，并测量样品的位移、应力、应变等参数。该试验机采用铸造形式的重载荷架，保证了测试的精度和稳定性。用于控制和处理试验数据的程序采用双ARM架构设计，实现了测控和数据处理的分原子能科学技术第58 卷离，能够同时处理大量试验数据。该程序还采用了先进的自适应PID控制算法，使得不加热屏不锈钢外壳一一中子入射窗口应力载荷中就能达到超高的控制精度。该程序还提供了触摸屏操作界面，可方便地在本地设定试验过程的参数。此外，为提高设备的安全可靠性，试验机还采用了双限位保护机构，防止超出设定范围。2.2参数检验为验证装置的性能，对装置进行校准与检验，主要检测炉温和力加载两项技术指标。使用标准仪表对原位装置的测温系统进行了校准，在2 0 0 8 0 0 的范围内，每隔10 0 校准一次，比较了标准仪表和原位装置仪表的读数。校准后，两者的读数完全一致，校准结果的不确定度为0.5。然后开启真空加热炉，设置一系列的目标加热温度。这些温度为40 0 8 0 0 不等，每个温度升温30 min，保温40 min。待控温系统稳定后，记录了控温热电偶测量的温度。结果显示，测量值与设定值完全一致。由于显示值有效位数在个位数，所以整个加热过程中测量温度相对目标温度的波动范围应在1以内。因此原位装置真空炉的温控精度优于1。最后，在2.0 0 2 0.0 0 kN之间设置不同的拉力，通过对比试验机和负荷测量仪的读数检测试验机的力加载精度。每个拉力重复3次测量，计算负荷测量仪3次读数的平均值，并与设定值进行了比较。结果显示，平均值与设定值非常接近，分别在1.9 9 6 2 0.0 6 kN之间。这说明拉伸试验机的最大加载拉力为2 0 kN，校准后对应10 kN的拉力精度优于0.3%，温度和力值响应如图4所示。3原位高温蠕变小角中子散射实验3.1钅镍基高温合金原位高温蠕变小角散射实验为验证装置的性能和实验的方法，选择镍基单晶高温合金作为研究对象，开展了原位小角中子散射实验。镍基单晶合金是一种在高温下具有良好机械性能的合金，广泛应用于航空航天和核能等领域9 。通过中子原位实验，可研究镍基单晶合金在热力耦合条件下的微观组织结构及其演变规律，从而揭示其高温蠕变机第1期陈忠等：小角中子散射原位热力耦合加载装置800F600F0./400F200H04050100150200250300350400时间/min图4温度和力值测试结果Fig.4 Results of temperatureand force test制，为提高材料的服役性能提供依据。本次实验所用的样品是一块板状的镍基单晶合金，其沿中子束流方向的厚度为1.5mm(图5)。7单位：mm图5样品形状及尺寸Fig.5Sampleshapeandsize为研究镍基单晶高温合金在不同温度和力值加载条件下的纳米结构演化，在装置中进行了(8 0 0,3kN)和（8 0 0,5kN)的加载实验。在开展原位实验前，先对该样品进行了非加载小角中子散射测试，以对比不加载温度和力时，装置本身对散射信号的影响。215拉伸试验机20标准测力仪16N/41284工010123456789试验编号3.2实验结果与讨论对该样品进行了非加载小角实验测试，观测到了与单晶材料特征相符的各向异性散射信号。当探测器距样品4.6 m时，非加载散射数20据如图6 a所示；当探测器距离样品1.8 m时，非加载散射数据如图6 b所示。随后将镍基合金拉伸试样装人原位加载装置的样品位置，并不2加载高温和拉力。当探测器与样品距离4.6 m时，得到了小角散射数据如图6 c所示。发现该实验结果与图6 a基本一致，这说明原位装置的11136Ri1016R使用对样品小角散射信号无明显干扰。也说明样品位置定位是准确的。图6 c相对6 a的图谱有两处较小差异，一是在探测器平面图谱有旋转，二是图谱强度分布有展宽。这两个变化的原因分别是：单晶样品的小角散射信号具有方向性，而原位实验和非原位实验时样品的方向不同；原位装置的使用导致了小角散射信号的背景增加。升高温度到8 0 0，加载拉力3kN，小角数据如图7 a所示，可发现各向异性散射信号增强。保持8 0 0,试验力升高至5kN,测试结果如图7 b，试验力增大后散射数据并无明显变化。热力耦合同时作用，镍基单晶高温合金的原位小角中子散射数据与图6 对比出现明显差异，说明此过程中样品微观组织结构发生变化,这一散射特点可能源自基体中析出的立方状相10。上述测试结果表明该原位装置可实现高温和力学同时加载下的小角中子散射测量。原位小角分析装置能实时监测镍基单晶高温合金在热力耦合条件下微观组织结构的动态216原子能科学技术第58 卷aC图6 镍基单晶高温合金二维小角中子谱Fig.6 Two-dimensional small-angle neutron scattering spectrum of nickel-based single crystal superalloy变化，为探索/两相组织的演变机制提供了新的实验手段。该装置还可用于研究不同高温蠕变工艺参数对材料组织结构的影响，为高温结构材料的设计、开发和评估提供依据。图7 镍基单晶高温合金小角中子散射实验数据Fig.7In-situ SANS data of nickel-basedsingle crystal superalloy4结论1）依托中国先进研究堆小角中子散射谱仪设计研制一套原位热力耦合加载样品环境装置，可以用于在高温和拉力同时加载的条件下开展小角中子散射实验测量，可同时实现最高温度8 0 0 和最大拉力加载2 0 kN。2）基于研发的热力耦合加载样品环境装置和小角中子散射谱仪，以镍基单晶高温合金为样品，开展了实验验证研究，观测到试样丫纳米析出相结构在高温拉力加载过程中的变化。配备了原位热力耦合加载样品环境装置的小角中子散射谱仪，可开展材料在近工况条件下的微观组织结构和力学性能的实时演变过程研究，有助于解决工程材料及部件在加工和服役中所面临的关键基础科学问题。感谢中国科学院金属研究所刘实研究员在装置设计方面提供了有益讨论和支持，沈阳理工大学杜晓明教授在高温拉伸试样制备方面提供了支持，中国先进研究堆提供中子束流开展实验验证。参考文献：1叶春堂，刘蕴韬中子散射技术及其应用J物理,2 0 0 6,35(11):9 6 1-9 6 8.YE Chuntang,LIU Yuntao.Neutron scatteringand its applicationsJ.Physics,2006,35(11):961-968(in Chinese).2孙凯，李天富，陈东风中子散射及相关技术的发展与应用J原子能科学技术，2 0 2 0，54（增刊):35-46.SUN Kai,LI Tianfu,CHEN Dongfeng.Devel-opment and application of neutron scattering andrelated techniqueJ.Atomic Energy Science andTechnology，2 0 2 0,54（Su p p l.):35-46(i n Ch i-nese).3ALEXI S,DESCHAMP S,FREDERI C,et al.Quantitative characterization of precipitate micro-structures in metallic alloys using small-anglescatteringJJ.Metallurgical and MaterialsTransactions,Physical Metallurgy and MaterialsScience,2013,44A(1):77-86.4张佩佩，李天富，白冰，等核电站用17-4沉淀硬化不锈钢阀杆热老化微结构小角中子散射研究J 原子能科学技术，2 0 18，52（12）：2 2 8 3-2288.ZHANG Peipei,LI 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