一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术和应用转让专利
申请号 : CN202010674661.8
文献号 : CN112067635B
文献日 : 2021-11-23
发明人 : 刘志坚 , 黄海锋 , 陈立宝 , 陈月皎 , 武晨
申请人 : 中南大学
摘要 :
权利要求 :
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: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 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
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数,单位为cm /g;μm‑LM为第二相质量吸收系数,单位为cm /g;ρL为基体密度,单位为g/cm ,
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ρLM为第二相密度,单位为g/cm ,ρL‑M为合金密度,单位为g/cm ;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: ∑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:
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:
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。
说明书 :
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
背景技术
合金铸锭质量,给出铸锭质量的空间分布特征。
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。
合金铸锭质量的数值判断依据。
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
值,及其在空间的分布特征。
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)。
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)。
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)。
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。
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。
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子的线吸收系数 为0.1898cm ;wL为轻合金基体质量分数,μm‑L为基体质量吸收系数,单
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位为cm/g;μm‑LM为第二相质量吸收系数,单位为cm/g;ρL为基体密度,单位为g/cm ,ρLM为第
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二相密度,单位为g/cm ,ρL‑M为合金密度,单位为g/cm ;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。
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;
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;
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;
混合物相处理。
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。
吸收系数:μm‑LiB‑LiBC=wLiB×μm‑LiB+(1‑wLiB)×μm‑LiBC。
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。
给出。
附图说明
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;
(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。
(6)所示。