一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术和应用制造技术

本发明专利技术涉及轻合金领域，特别涉及锂合金、镁合金、铝合金的缺陷、密度、成分及其空间分布特性的表征技术及应用。本发明专利技术通过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。本发明专利技术首次提出一种利用CT来定量和/或半定量无损表征轻合金成分、密度等物理参数空间分布的方法。其检测分析结果精度高；便于大规模工业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术和应用
本专利技术涉及轻合金领域，特别涉及锂合金、镁合金、铝合金的缺陷、密度、成分及其空间分布特性的表征技术及应用。
技术介绍
轻合金指有两种或两种以上金属组成的低密度合金。一般有主要用于航空、航天领域的铝合金、镁合金，以及用于能源领域的锂合金等。轻合金的主要元素一般为较活泼金属，特别是锂合金极易氧化，限制了一些常规表征手段的应用，给其质量表征带来了困难。一般的表征手段都是以破坏性取样为主，取样点也比较单一，一些设备的测试精度也不尽人意。测试结果总是以单点代替一片区域的合金质量表征，不能从整体上评估轻合金铸锭质量，给出铸锭质量的空间分布特征。低密度轻合金的广泛应用、特别是运用于能源领域的锂合金的快速发展，对轻合金的质量提出了更高要求，对其表征技术的创新起到了推动作用。如何在不破坏原始轻合金铸锭的前提下，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。一般的无损检测主要注重于合金缺陷、尺寸、裂纹等的检测，一般仅给出图像特征，无法给出数值表达，即不能给出测试合金的密度、成分甚至其空间分布特征结果，给出合金铸锭质量的数值判断依据。化学组份在块体合金的分布偏离熔体的平均值，来自于合金凝固过程中各种物相的分布受重力场温度场的影响，造成成份的宏观偏析。尤其是轻合金，熔点低，热容量高，导热慢，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。
技术实现思路
本专利技术针对现有无损检测技术的不足，首次提出一种利用CT来定量和/或半定量表征轻合金成分、密度等物理参数空间分布的方法及应用。本专利技术一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术；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。本专利技术一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术；所述轻合金为无磁轻合金。作为优选，本专利技术一种轻合金物化参数空间分布无损表征技术；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，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)。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等中的至少一种。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，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)。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等中的至少一种。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，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)。本专利技术根据CT机检测获取的CT值，通过CT值数据解析轻合金的成分和密度及空间分布特征。本专利技术所涉及的CT机检测，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。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。本专利技术所用CT机测试出的CT数据需用标样进行校准。标样可选一CT值稳定的均一材料，如直径为1cm，长度为10cm的聚乙烯圆棒(-60Huat120KV)。每次测试时将标样随同样品一起测试，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。本专利技术，当测试电压设定为120KV时，所用于计算的各元素吸收X射线光子的质量吸收系数所对应的光子能量为73keV。本专利技术根据对纯锂铸锭的CT检测结果，设定的图像取值最优选区域面积为1cm2。本专利技术所用各元素的原始数据来源于美国原子能协会。部分元素对应于73keV能量光子的质量吸收系数，如表1所示。表1.部分元素基本数据本专利技术可根据表1给出的各元素原始数据，计算轻合金中晶体结构已知的各物相的质量吸收系数。本专利技术可根据轻合金对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；如当测试电压为120Kev时，水对73keV能量光子的线吸收系数为0.1898cm-1；wL为轻合金基体质量分数，μm-L为基体质量吸收系数，单位为cm2/g；μm-LM为第二相质量吸收系数，单位为cm2/g；ρL为基体密度，单位为g/cm3，ρLM为第二相密度，单位为g/cm3，ρL-M为合金密度，单位为g/cm3；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。本专利技术中，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。本专利技术中，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；本专利技术中，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：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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。


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等中的至少一种。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等中的至少一种。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：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为基体质量吸收系数，单位为cm2/g；μm-LM为第二相质量吸收系数，单位为cm2/g；ρL为基体密度，单位为g/cm3，ρLM为第二相密度，单位为g/cm3，ρL-M为合金密度，单位为g/cm3；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。


7.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志坚，黄海锋，陈立宝，陈月皎，武晨，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43