[發明專利]金屬凝固過程多物理場測量裝置及其外殼、測量方法

有效

• 申請號: 202110659187.6
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113533399B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 張佼;唐洋;張亞;吳越;邢輝;孫寶德;韓延鋒;戴永兵;付超鵬;東青
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01N23/207
• 分類號: G01N23/207;G01N23/223;G01J5/48;G01N21/84;G01N25/04
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 鐘揚飛

本申請實施例提供一種金屬凝固過程多物理場測量裝置及其外殼、測量方法，涉及分析測量領域。該裝置包括：密閉的外殼，外殼上設置有通光孔；加熱器設置于外殼內部，且位于通光孔沿X射線的后方；衍射探測器用于接收透過樣品并散射的X射線；成像相機位于加熱器沿X射線的后方，用于接收透過樣品的可見光信號；熒光探測器位于X射線的一側，用于接收X射線與樣品相互作用發出的熒光信號；紅外熱成像儀位于X射線的另一側，用于接收樣品發出的紅外信號。該金屬凝固過程多物理場測量裝置及其外殼、測量方法，能夠同時實現原位測量金屬凝固過程中溫度場、溶質場、應變場、流場。

技術領域

本申請涉及分析測量領域，具體而言，涉及一種金屬凝固過程多物理場測量裝置及其外殼、測量方法。

背景技術

金屬凝固組織演變受溫度場、溶質場、應變場、流場等多物理場耦合作用的復雜因素影響。由于金屬凝固過程的時間相關性、合金熔體的高溫不透明性、組織結構跨尺度演變等原因，對金屬凝固過程中多物理場進行原位實時的定量化表征極為困難。但是，金屬凝固過程中多物理場的關聯實時原位測量對凝固理論的驗證，新型高性能合金材料開發，以及加速重要鑄件凝固成型工藝研究有著重要實際意義。

目前通常只使用單一探測器研究金屬凝固過程中的參數，這種方式只能得到金屬凝固過程中的單一信息。比如使用CCD(Charge Coupled Device，電荷藕合器件圖像傳感器)探測器或者CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體)探測器探測晶體生長，以及動態的組織演變過程；使用熒光探測器探測金屬凝固過程中的元素分布；使用衍射探測器測量晶體的應變。

發明內容

本申請實施例的目的在于提供一種金屬凝固過程多物理場測量裝置及其外殼、測量方法，能夠同時實現原位測量金屬凝固過程中溫度場、溶質場、應變場、流場。

第一方面，本申請實施例提供了一種金屬凝固過程多物理場測量裝置，其包括：密閉的外殼，外殼上設置有用于供外部的X射線射入外殼內部的通光孔；加熱器，加熱器設置于外殼內部，且位于通光孔沿X射線的后方，用于加熱待測的樣品；衍射探測器，衍射探測器用于接收透過樣品并散射的X射線；成像相機，成像相機位于加熱器沿X射線的后方，用于接收透過樣品的可見光信號；熒光探測器，熒光探測器位于X射線的一側，用于接收X射線與樣品相互作用發出的熒光信號；紅外熱成像儀，紅外熱成像儀位于X射線的另一側，用于接收樣品發出的紅外信號。

在上述實現過程中，加熱器用于加熱樣品至熔融，衍射探測器、成像相機、熒光探測器和紅外熱成像儀集合于一體。其中，熒光探測器用于接收熒光信號，入射X射線與樣品相互作用發出熒光信號，同步輻射X射線透過樣品，攜帶樣品的元素成分信息被熒光探測器接收，實現樣品元素成分的定量測量，得到樣品凝固過程的溶質場；紅外熱成像儀用于接收紅外信號，樣品發出紅外信號，包含樣品微區的溫度信息，被紅外熱成像儀探測，實現對樣品微區的溫度測量，得到樣品凝固過程的溫度場；成像相機用于接收攜帶樣品形貌信息的可見光，實現對樣品凝固過程的枝晶形貌成像，得到樣品凝固過程的流場；衍射探測器探測樣品發出的角度為5°以上的散射信號，可用于物相分析、晶體結構分析、取向度、宏觀應力測量，得到樣品凝固過程的應變場。因此，本申請實施例的金屬凝固過程多物理場測量裝置能夠同時實現原位測量金屬凝固過程中溫度場、溶質場、應變場、流場。

在一種可能的實現方式中，還包括位于加熱器沿X射線的后方且位于成像相機前方的閃爍體，透過樣品的X射線經過閃爍體形成可見光信號，并被成像相機接收。

在上述實現過程中，攜帶樣品形貌信息的X射線與閃爍體作用，形成可見光，被成像相機接收，實現對樣品凝固過程的枝晶形貌成像。

在一種可能的實現方式中，還包括用于將可見光信號放大并反射至被成像相機接收的光學鏡組，光學鏡組位于閃爍體沿X射線的后方，成像相機用于接收光學鏡組反射的可見光信號。

在上述實現過程中，光學鏡組用于將可見光信號放大并反射至被成像相機接收。