单色X射线的单晶/定向晶应力测量系统和测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种单色X射线的单晶/定向晶应力测量系统和测量方法，测量系统中，多轴样品台包括沿X轴平移的X自由度、沿Y轴平移的Y自由度、沿Z轴平移的Z自由度、绕Z轴旋转的旋转自由度以及绕X轴和/或Y轴倾转的倾转自由度，样品台控制模块基于指令控制样品台的在其自由度上的运动，共心高调整模块基于样品表面位置发送指令到样品台控制模块使得样品表面处于共心高位置，控制单元发出指令到样品台控制模块使得处于共心高位置的样品表面旋转和倾转，以及调整X射线发生器X射线入射方向和采集模块的采集位置以采集衍射峰信号，计算模块基于衍射峰信号生成应力数据。

Single crystal / directional crystal stress measurement system and method of monochromatic X-ray

【技术实现步骤摘要】
单色X射线的单晶/定向晶应力测量系统和测量方法
本专利技术属于单晶测量
，特别是一种单色X射线的单晶/定向晶应力测量系统和测量方法。
技术介绍
单晶叶片作为燃气轮机和飞机发动机内的关键零件，具有优越的力学性能、抗高温蠕变性能以及抗氧化性。在单晶叶片的加工生产过程中会不可避免的产生一些残余应力，而残余应力的存在会对叶片的服役寿命产生影响。此外，在服役过程中，由于长时间极端工况下的使用，或者是来自外物，如灰尘颗粒之类的撞击，对叶片也会产生残余应力，从而萌生裂纹，引发失效和故障。当前，激光冲击强化作为叶片的一种处理工艺，在叶片表面引入残余应力，对叶片服役的疲劳寿命以及抗冲击能力都有极大的改善，而激光冲击强化后引入的残余应力具体有多大，在什么样的范围内对叶片寿命是有利的，都需要残余应力的测量值来支持。所以实现对单晶叶片残余应力的测量对于叶片服役前后以及处理工艺的评估都至关重要。目前，实验室中进行无损残余应力检测使用的方式还是依据粉末样品或是多晶样品的方式进行，对于单晶样品或是定向晶样品并不适用。单晶以及定向晶的残余应力测量，目前多依靠大科学装置进行，例如同步辐射X射线和中子衍射。依靠大科学装置可以实现高精度乃至高空间分辨率的测量，然而大科学装置的可用机时有限，不能满足随时生产随时测量的目的，大科学装置所采集到的数据量十分庞大，而且往往具有多层意义，数据分析难度较大，在工程实际使用中并不实用。因此，我们希望根据以上的实际需求以及现有技术的不足，我们将有针对地提出一种利用常规实验室能量级的单色X射线的单晶/定向晶应力测量系统和测量方法,实现高效快捷、自动化精密测量。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种单色X射线的单晶/定向晶应力测量系统和测量方法，简化检测需求，仅需低的实验室能量级单色X射线便可方便地自动化精密测量得到单晶残余应力和应力张量。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现，一种单色X射线的单晶/定向晶应力测量系统包括：多轴样品台，其上表面支承单晶/定向晶的样品，所述多轴样品台包括沿X轴平移的X自由度、沿Y轴平移的Y自由度、沿Z轴平移的Z自由度、绕Z轴旋转的旋转自由度以及绕X轴和/或Y轴倾转的倾转自由度，样品台控制模块，其电连接所述多轴样品台，所述样品台控制模块基于指令控制所述样品台的在其自由度上的运动，共心高调整模块，其配置成调整样品表面到共心高度，连接所述样品台控制模块的所述共心高调整模块包括采集样品表面位置的位置测量单元，共心高调整模块基于样品表面位置发送指令到所述样品台控制模块使得样品表面处于共心高位置，所述共心高位置为多轴样品台在旋转和倾转过程中不改变高度的位置且为X射线发生器和探测器在平面内旋转的圆心位置，X射线发生器，其生成单色X射线以照射所述样品，所述X射线发生器沿着以所述共心高位置为转动中心的圆周进行圆周运动，当X射线发生器转动时，照射点始终位于所述共心高位置，采集模块，其接收来自样品的衍射信号，所述采集模块沿着以所述共心高位置为圆心的圆周进行圆周运动，所述采集模块转动时，转动中心始终位于所述共心高位置，控制单元，其电连接所述样品台控制模块、X射线发生器和采集模块，基于样品的晶体取向，控制单元发出指令到样品台控制模块使得处于共心高位置的样品表面旋转和倾转，以及调整X射线发生器X射线入射方向和采集模块的采集位置以采集衍射峰信号，计算模块，其连接所述采集模块，计算模块基于所述衍射峰信号生成应力数据。所述的应力测量系统中，计算模块包括，拟合单元，其基于所述衍射峰信号拟合以得到衍射角数据，应力计算单元，基于所述衍射角计算样品预定方向上的残余应变/力，应力张量计算单元，其基于多个衍射峰信号计算样品的应变/力张量。所述的应力测量系统中，多轴样品台包括多个运动台堆叠结构或一体式五/六自由度的位移台。所述的应力测量系统中，多轴样品台包括用于固定样品的可对样品位置进行微调节的夹具。所述的应力测量系统中，位置测量单元包括光学测量单元、激光测距单元和/或激光轮廓采集单元。所述的应力测量系统中，采集模块包括线探测器或面探测器。所述的应力测量系统中，多轴样品台沿Z轴平移的Z自由度上包括第一调节精度的粗调单元和第二调节精度的细调单元。所述的应力测量系统中，应力测量系统还包括用于测量样品的晶体取向的电子背散射衍射单元和用于校准衍射峰的峰位的校准单元，所述校准单元包括氧化铝粉末、碳酸钙粉末和/或锂镧锆氧粉末。根据本专利技术的另一方面，一种所述的应力测量系统的测量方法包括以下步骤，第一步骤，基于样品表面位置，调节样品表面到共心高位置，第二步骤，多轴样品台驱动处于共心高位置的样品表面旋转和倾转，X射线发生器照射样品表面，采集模块采集样品表面的衍射峰信号，第三步骤，基于所述衍射峰信号生成应力数据。所述的测量方法中，第二步骤,在第一个衍射峰信号采集时，样品台控制模块控制多轴样品台绕Z轴旋转，同时采集模块采集，当采集到衍射峰信号高于预定阈值时停止旋转，并在预定角度范围内开始摆动，每旋转预定角度步长，进行预定步长的倾转，同时采集模块进行采集，重复执行以采集预定个数衍射峰信号，第三步骤，基于所述衍射峰信号生成应力数据和应力张量。和现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术基于单晶样品已确定的晶体取向调整单晶样品高度使单晶样品的表面位于共心高位置，其中，所述共心高位置为单晶样品倾转过程中不改变观测点高度的位置，确保了检测精度；调整单色X射线的入射方向和用于获得衍射信号的探测器与单晶样品相对位置取得衍射信号；基于所述衍射信号获得衍射峰最强的位置，基于所述位置所述衍射峰计算单晶样品的残余应力和应力张量，简化检测需求，可方便地大批量检测单晶残余应力且无需高能量级的X射线、同步辐射和中子衍射。附图说明通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本专利技术各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：图1是根据本专利技术一个实施例的单色X射线的单晶/定向晶应力测量系统的结构示意图；图2是根据本专利技术一个实施例的单色X射线的单晶/定向晶应力测量系统的测量方法的步骤结构示意图。以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步的解释。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本专利技术的具体实施例。虽然附图中显示了本专利技术的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本专利技术而不应被这里阐述的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单色X射线的单晶/定向晶应力测量系统，其包括，/n多轴样品台，其上表面支承单晶/定向晶的样品，所述多轴样品台包括沿X轴平移的X自由度、沿Y轴平移的Y自由度、沿Z轴平移的Z自由度、绕Z轴旋转的旋转自由度以及绕X轴和/或Y轴倾转的倾转自由度，/n样品台控制模块，其电连接所述多轴样品台，所述样品台控制模块基于指令控制所述样品台的在其自由度上的运动，/n共心高调整模块，其配置成调整样品表面到共心高度，连接所述样品台控制模块的所述共心高调整模块包括采集样品表面位置的位置测量单元，共心高调整模块基于样品表面位置发送指令到所述样品台控制模块使得样品表面处于共心高位置，所述共心高位置为多轴样品台在旋转和倾转过程中不改变高度的位置且为X射线发生器和探测器在平面内旋转的圆心位置，/nX射线发生器，其生成单色X射线以照射所述样品，所述X射线发生器沿着以所述共心高位置为转动中心的圆周进行圆周运动，当X射线发生器转动时，照射点始终位于所述共心高位置，/n采集模块，其接收来自样品的衍射信号，所述采集模块沿着以所述共心高位置为圆心的圆周进行圆周运动，所述采集模块转动时，转动中心始终位于所述共心高位置，/n控制单元，其电连接所述样品台控制模块、X射线发生器和采集模块，基于样品的晶体取向，控制单元发出指令到样品台控制模块使得处于共心高位置的样品表面旋转和倾转，以及调整X射线发生器X射线入射方向和采集模块的采集位置以采集衍射峰信号，/n计算模块，其连接所述采集模块，计算模块基于所述衍射峰信号生成应力数据。/n...

【技术特征摘要】
1.一种单色X射线的单晶/定向晶应力测量系统，其包括，
多轴样品台，其上表面支承单晶/定向晶的样品，所述多轴样品台包括沿X轴平移的X自由度、沿Y轴平移的Y自由度、沿Z轴平移的Z自由度、绕Z轴旋转的旋转自由度以及绕X轴和/或Y轴倾转的倾转自由度，
样品台控制模块，其电连接所述多轴样品台，所述样品台控制模块基于指令控制所述样品台的在其自由度上的运动，
共心高调整模块，其配置成调整样品表面到共心高度，连接所述样品台控制模块的所述共心高调整模块包括采集样品表面位置的位置测量单元，共心高调整模块基于样品表面位置发送指令到所述样品台控制模块使得样品表面处于共心高位置，所述共心高位置为多轴样品台在旋转和倾转过程中不改变高度的位置且为X射线发生器和探测器在平面内旋转的圆心位置，
X射线发生器，其生成单色X射线以照射所述样品，所述X射线发生器沿着以所述共心高位置为转动中心的圆周进行圆周运动，当X射线发生器转动时，照射点始终位于所述共心高位置，
采集模块，其接收来自样品的衍射信号，所述采集模块沿着以所述共心高位置为圆心的圆周进行圆周运动，所述采集模块转动时，转动中心始终位于所述共心高位置，
控制单元，其电连接所述样品台控制模块、X射线发生器和采集模块，基于样品的晶体取向，控制单元发出指令到样品台控制模块使得处于共心高位置的样品表面旋转和倾转，以及调整X射线发生器X射线入射方向和采集模块的采集位置以采集衍射峰信号，
计算模块，其连接所述采集模块，计算模块基于所述衍射峰信号生成应力数据。


2.根据权利要求1所述的应力测量系统，其中，优选的，计算模块包括，
拟合单元，其基于所述衍射峰信号拟合以得到衍射角数据，
应力计算单元，基于所述衍射角计算样品预定方向上的残余应变/力，
应力张量计算单元，其基于多个衍射峰信号计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈凯，沈昊，寇嘉伟，朱文欣，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61