同步輻射成像技術(shù)在金屬材料研究中的應(yīng)用

吳博

摘 要：作為人類歷史中的重要工具之一，金屬材料一直以來是每一個研究者重點研究的對象之一。當(dāng)前環(huán)境下，表征技術(shù)在金屬材料的研究中有著很廣泛的使用，但是由于金屬的不透明性等特點限制了其研究進(jìn)度。隨著第三代的同步輻射光源技術(shù)的升級，有著強穿透性、高時空分辨率等的點，在金屬研究中得到了廣泛的使用。本文主要介紹了歷來同步輻射成像技術(shù)在金屬凝固行為中的調(diào)控，展望了同步輻射技術(shù)極其成像技術(shù)在金屬領(lǐng)域的運用。

關(guān)鍵詞：同步輻射;金屬;應(yīng)用;凝固

由于金屬材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的物理性能，在人類歷史的發(fā)展中有著重要的作用，廣泛的運用在航天、汽車、機械、電子等等領(lǐng)域。我們知道，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)，金屬材料的性能與其最終凝固組織結(jié)構(gòu)相關(guān)密切，研究金屬材料在凝固過程中的微觀組織的演化和動力學(xué)行為，能夠精確地指導(dǎo)金屬材料的性能表現(xiàn)，從而經(jīng)過設(shè)計材料組織結(jié)構(gòu)提高其綜合性能。

在金屬的凝固過程中，由于其不透明性和高溫過程，很大程度上限制了研究人員對于金屬材料的新能和結(jié)構(gòu)的實時觀察，傳統(tǒng)研究方法大多采用的金相分析很難捕獲到金屬凝固過程中微觀組織的動態(tài)，又有研究者通過使用有機模型合金的辦法來模擬器在凝固過程中的微觀組織凝固動態(tài)生長，取得了較好的利用。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，模擬算法的開發(fā)讓整個金屬微觀凝固狀態(tài)的整個過程能夠成為可能。隨著同步輻射的學(xué)科發(fā)展，其為許多前沿學(xué)科領(lǐng)域的研究提供了一種先進(jìn)的表征手段。同步輻射就是以接近光速運動的荷電粒子在改變運動方向時放出的電磁輻射，第三代同步輻射光源以其高通量、高亮度、高準(zhǔn)直性、優(yōu)良的脈沖時間結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)相干、偏振及波長可調(diào)等不可替代的優(yōu)點使得X射線成像技術(shù)獲得了革命性的發(fā)展。本文主要介紹近十多年來同步輻射二維/三維成像技術(shù)在金屬材料研究中的典型應(yīng)用。

1.金屬材料同步輻射二維成像

1999年，Mathiesen等利用同步輻射二維成像技術(shù)首次實現(xiàn)了低熔點Sn-Pb合金枝晶形貌演變及生長的實時動態(tài)成像。隨著第三代的同步輻射光源的發(fā)展，出現(xiàn)了很多的同步輻射光源，比如上海同步輻射光源、美國先進(jìn)光子源等等，加上同步輻射成像技術(shù)的發(fā)展，使得利用同步輻射成像技術(shù)在金屬材料的研究中得到了廣泛的使用，同時取得了較大的研究成果。研究人員通過這項技術(shù)對一些中高熔點的金屬材料的凝固行為進(jìn)行二維實時動態(tài)成像，為金屬的凝固動力學(xué)模型提供了直接的數(shù)據(jù)支持。

2.金屬材料同步輻射三維成像

計算機斷層掃描成像是目前應(yīng)用最廣泛的無損三維成像方法。隨著同步輻射技術(shù)、成像理論及三維數(shù)據(jù)重構(gòu)算法的發(fā)展和完善，同步輻射三維成像技術(shù)獲得了長足的進(jìn)步，其分辨率可達(dá)到微米級，甚至是納米級，成為研究金屬材料內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)非常重要的檢測分析手段。目前研究領(lǐng)域主要集中在：①凝固微觀組織三維表征;②細(xì)觀損傷力學(xué)-微裂紋萌生、擴展及斷裂三維表征;③材料表面形貌/內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)三維表征

當(dāng)前很多學(xué)者在研究中心使用三維成像技術(shù)進(jìn)行凝固微觀組織的靜態(tài)三維表征，對于凝固微觀組織的“動態(tài)”三維表征，Ludwig等率先開展了Al-Cu合金凝固過程中固/液相演變的研究。之后，隨著原位加熱設(shè)備、成像系統(tǒng)的完善及時空分辨率的提高，研究者們相繼開展了枝晶形貌演變及粗化行為、金屬間化合物片層形貌演變、半固態(tài)保溫或變形過程中微觀組織的演變等研究，為完善生長模型并驗證凝固模式提供了新的實驗數(shù)據(jù)。

3.物理場調(diào)控下金屬凝固行為研究

在金屬凝固之前或者凝固過程中施加物理場能夠改變金屬的一些凝固組織樣式，目前研究比較多的最主要集中在三個方面：①電場，即是通過直流電或者交流電處理金屬熔體;②磁場，讓金屬熔體在磁場的作用下進(jìn)行非接觸式的凝固;③超聲場，對金屬進(jìn)行超聲波處理，基于傳統(tǒng)靜態(tài)檢測手段無法原位觀察物理場對金屬凝固行為的動態(tài)調(diào)控過程，國內(nèi)外研究人員利用先進(jìn)同步輻射成像技術(shù)先后對電場、磁場和超聲場調(diào)控機理及規(guī)律開展了原位動態(tài)表征，并取得了一定研究成果，使得相關(guān)基礎(chǔ)研究更為系統(tǒng)和深入。

Wang等利用上海/北京同步輻射光源，基于同步輻射吸收和相襯成像技術(shù)，率先研究了直流電流、脈沖電流作用下Sn基合金凝固過程中枝晶形貌演變行為，獲得有無電流條件下晶粒尺寸、枝晶間距、枝晶尖端生長速率隨時間的演變規(guī)律，（如圖2所示）揭示了電流促進(jìn)枝晶間相互作用以及抑制枝晶生長機理;發(fā)現(xiàn)了電流致枝晶尖端分裂現(xiàn)象，并闡明該現(xiàn)象是由枝晶尖端“電流擁擠”效應(yīng)引起的溶質(zhì)富集所造成。

結(jié)語

因第三代同步輻射光源的發(fā)展而迅速興起的同步輻射二維/三維成像技術(shù)給金屬材料研究帶來新的發(fā)展機遇，其高時空分辨下的實時、原位、動態(tài)、無損表征能力，極大地推動了金屬凝固與物理場調(diào)控、材料內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)演變、細(xì)觀損傷行為等領(lǐng)域研究的深入和發(fā)展。未來，同步輻射成像技術(shù)除了追求更高時空分辨之外，“成像+”技術(shù)也極具推廣應(yīng)用潛力，此外，傷害同步輻射光源二期工程中的更為先進(jìn)的輻射光源的研究和發(fā)展極大地推動了金屬材料的發(fā)展。

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