旋轉(zhuǎn)定向法測(cè)定鉬合金單晶晶體取向

鄭晗煜,薛建嶸,高選喬，2,任廣鵬,郭林江,殷 濤,胡忠武,李來(lái)平,張 文

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016) (2.國(guó)防科技工業(yè)核材料創(chuàng)新中心，北京 102413)

0 引 言

Mo基合金單晶((111)晶面)材料因其優(yōu)異的高溫抗蠕變、耐中子輻照、電子逸出功低、塑脆轉(zhuǎn)變溫度低、熱中子捕獲截面小、核材料相容性好等優(yōu)異性能，成為一種重要的空間用先進(jìn)電源系統(tǒng)的核心材料[1]。由于單晶材料性能存在各向異性，其應(yīng)用對(duì)晶向有嚴(yán)格的要求，因此對(duì)單晶晶體取向的判定意義重大。Mo基合金單晶材料取向判定及單晶晶向偏離角常用的方法有激光定向法、X射線定向儀法、勞厄照相法[2]、四圓衍射儀法和基于金相圖像的跡線分析法[2]等。激光定向法僅用于透明單晶材料的定向分析；勞厄法測(cè)試過(guò)程復(fù)雜、周期長(zhǎng)，難以滿足大量單晶取向檢測(cè)的需要；四圓衍射儀法作為一種先進(jìn)快速的單晶取向測(cè)定方法，但設(shè)備昂貴，檢測(cè)費(fèi)用高；而金相圖跡線分析法的步驟偏多且需要專(zhuān)門(mén)的分析程序[3]。綜合以上方法的優(yōu)勢(shì)與缺陷，目前應(yīng)用最為廣泛的是利用X射線衍射儀通過(guò)旋轉(zhuǎn)定向法來(lái)進(jìn)行單晶取向的測(cè)定[2-6]。

1 測(cè)定原理

單晶的取向是指單晶材料內(nèi)部特定的晶向與樣品宏觀表面所成夾角[3]。本實(shí)驗(yàn)以電子束懸浮區(qū)熔法制得的Mo合金單晶作為研究對(duì)象。首先，對(duì)樣品進(jìn)行θ-2θ掃描，當(dāng)掃描角度滿足布拉格方程時(shí)得到最強(qiáng)峰，依據(jù)所測(cè)譜線可確定與被測(cè)表面平行或近似平行晶面的布拉格角θ。隨后，將X射線管與接收器的夾角固定為2θ并對(duì)樣品表面進(jìn)行ω掃描，當(dāng)被測(cè)晶面與樣品表面存在微小角度差時(shí)，晶面法線有可能不在衍射平面內(nèi)從而無(wú)法得到衍射峰，因此在ω掃描的同時(shí)，樣品以表面法線為軸快速轉(zhuǎn)動(dòng)，而晶面法線則會(huì)繞表面法線做圓錐轉(zhuǎn)動(dòng)。在X射線管由低角向高角掃描的過(guò)程中，當(dāng)晶面法線旋轉(zhuǎn)的圓錐表面與衍射平面相交并且X射線管與晶面法線呈θ角時(shí)，光路滿足布拉格方程，譜圖中出現(xiàn)明顯的衍射強(qiáng)度。又由于存在兩條圓錐表面與衍射平面的交線，因此通過(guò)ω掃描得到的搖擺曲線中存在一對(duì)基本對(duì)稱(chēng)的衍射峰，又稱(chēng)“蝴蝶峰”。根據(jù)蝴蝶峰的位置ω1、ω2和公式δ=(ω2-ω1)/2，即可計(jì)算得到晶面與樣品表面間的夾角，即晶向偏離角δ。

圖1 Omega掃描模式下的測(cè)試原理示意圖

2 測(cè)試樣品及設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)選取的樣品材質(zhì)為西北有色金屬研究院采用電子束懸浮區(qū)域熔煉技術(shù)沿(111)晶向定向生長(zhǎng)的鉬合金單晶棒材(111)，垂直于棒材軸線方向切取厚度約為2 mm的薄片，并對(duì)表面進(jìn)行拋光和酸洗處理即可得到符合測(cè)試條件的單晶片狀樣品。本實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)試設(shè)備為德國(guó)布魯克D8 AdvanceX射線衍射儀，銅靶Kα射線波長(zhǎng)約0.154 18 nm，掃描速度為5°/min。

3 結(jié)果與討論

在采用旋轉(zhuǎn)定向法進(jìn)行晶向偏離角分析時(shí)，搖擺曲線會(huì)呈現(xiàn)多種形態(tài)，以(111)晶面的鉬合金單晶為例，下面分析討論各形態(tài)曲線的成因。

3.1 單峰狀

圖2為1號(hào)樣品的搖擺曲線，插圖為θ-2θ掃描的XRD圖譜，從插圖中可以明確該樣品在2θ 為115.74°時(shí)存在一個(gè)強(qiáng)度高且銳利的衍射峰。1號(hào)樣品的搖擺曲線呈單峰狀，說(shuō)明僅有一個(gè)58°的ω角，1號(hào)樣品的晶相偏離角為0°，即該單晶的(111)晶面與樣品宏觀上表面平行，樣品測(cè)試原理如圖3所示。

3.2 雙峰狀

圖4為2號(hào)樣品的搖擺曲線，插圖為其θ-2θ

圖2 1號(hào)樣品的搖擺曲線(插圖為2θ掃描)

圖3 1號(hào)樣品Omega掃描過(guò)程中測(cè)試原理示意圖

掃描的XRD圖譜。從插圖中可以看出該樣品在2θ 為115.64°時(shí)有最強(qiáng)衍射峰。隨后，在樣品臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，固定X發(fā)射光與接收器呈115.64°的夾角后令X發(fā)射光從30°開(kāi)始掃描，直至接收器與樣品端面共面。從2號(hào)樣品的搖擺曲線測(cè)試結(jié)果可以看出，此時(shí)ω掃描得到兩個(gè)衍射峰，通過(guò)幾何分析可知兩峰相對(duì)于θ角對(duì)稱(chēng)分布，中心處約為58°，根據(jù)衍射峰位置可確定ω1和ω2，分別為56.08°與60.1°，如圖5所示。經(jīng)計(jì)算得樣品2的晶向偏離角為2.01°。事實(shí)上，雙峰狀的搖擺曲線相較于單峰狀更為普遍，因?yàn)?，晶向偏離角為0°的單晶是較為理想的，而更多單晶樣品的晶面都是與樣品表面呈一定角度的偏差。

圖4 2號(hào)樣品的搖擺曲線(插圖為2θ掃描)

3.3 多峰狀

3號(hào)樣品的θ-2θ掃描結(jié)果與搖擺曲線如圖6所示。2θ掃描的XRD圖譜中，在116.84°與118.29°出現(xiàn)了明顯的衍射峰值，說(shuō)明有亞晶粒的生成。搖擺曲線中有3個(gè)衍射峰，也進(jìn)一步印證了有取向不同的晶粒與亞晶粒。3處衍射峰的位置分別為58°與關(guān)于其對(duì)稱(chēng)的57.16°與58.84°,根據(jù)公式計(jì)算，可得這兩種晶粒的晶向偏離角分別為0°與0.84°。這一結(jié)果表明，3號(hào)樣品中出現(xiàn)亞晶，亞晶的晶向偏離角為0.84°。圖7為搖擺曲線測(cè)試原理示意圖，3種不同ω的測(cè)試過(guò)程與其相對(duì)應(yīng)的晶粒取向從圖7可得，測(cè)試晶向偏離角為0°的晶粒時(shí)得到的兩個(gè)ω完全相同，故而在搖擺曲線中表現(xiàn)為3處衍射峰。

圖5 2號(hào)樣品ω掃描測(cè)試原理示意圖

圖6 3號(hào)樣品的搖擺曲線(插圖為2θ掃描)

圖7 3號(hào)樣品ω掃描測(cè)試原理示意圖

圖8為4號(hào)單晶樣品的搖擺曲線。左上方插圖表示樣品經(jīng)2θ掃描時(shí)，在116.82°和118.07°處出現(xiàn)衍射峰，說(shuō)明有兩種取向的亞晶粒。ω掃描時(shí)，在56.86°、57.58°、58.48°、59.2°處分別出現(xiàn)了關(guān)于58°對(duì)稱(chēng)的兩對(duì)峰，根據(jù)公式計(jì)算可得，兩種亞晶粒的晶向偏離角分別為0.45°與1.17°。圖9為4號(hào)樣品ω掃描時(shí)的測(cè)試原理示意圖，在測(cè)試搖擺曲線過(guò)程中樣品以中心為軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于其內(nèi)部亞晶粒皆與樣品端面呈一定角度，故而會(huì)得到4個(gè)不同的Omega角，即出現(xiàn)4處衍射峰。

圖8 4號(hào)樣品的搖擺曲線(插圖為2θ掃描)

圖9 4號(hào)樣品Omega掃描過(guò)程中測(cè)試原理示意圖

4 結(jié) 論

采用旋轉(zhuǎn)定向法對(duì)通過(guò)電子束懸浮區(qū)域熔煉技術(shù)制得鉬合金單晶樣品進(jìn)行Omega掃描，得到搖擺曲線后計(jì)算其晶向偏離角。1、2號(hào)樣品內(nèi)僅存在1個(gè)晶粒，且1號(hào)為完美(111)取向的單晶，2號(hào)樣品的δ為2.01°，3號(hào)樣品內(nèi)部存在具有一定取向差的亞晶粒，這些亞晶粒的晶向偏離角δ分別為0°和0.84°，而4號(hào)樣品內(nèi)部亞晶粒的晶向偏離角δ分別為0.45°和1.17°。1號(hào)單晶樣品的取向最為理想，而實(shí)際制備的樣品多呈現(xiàn)出2、3、4號(hào)樣品的情況。