旋转定向法测定钼合金单晶晶体取向

郑晗煜,薛建嵘,高选乔，2,任广鹏,郭林江,殷 涛,胡忠武,李来平,张 文

(1.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016) (2.国防科技工业核材料创新中心，北京 102413)

0 引 言

Mo基合金单晶((111)晶面)材料因其优异的高温抗蠕变、耐中子辐照、电子逸出功低、塑脆转变温度低、热中子捕获截面小、核材料相容性好等优异性能，成为一种重要的空间用先进电源系统的核心材料[1]。由于单晶材料性能存在各向异性，其应用对晶向有严格的要求，因此对单晶晶体取向的判定意义重大。Mo基合金单晶材料取向判定及单晶晶向偏离角常用的方法有激光定向法、X射线定向仪法、劳厄照相法[2]、四圆衍射仪法和基于金相图像的迹线分析法[2]等。激光定向法仅用于透明单晶材料的定向分析；劳厄法测试过程复杂、周期长，难以满足大量单晶取向检测的需要；四圆衍射仪法作为一种先进快速的单晶取向测定方法，但设备昂贵，检测费用高；而金相图迹线分析法的步骤偏多且需要专门的分析程序[3]。综合以上方法的优势与缺陷，目前应用最为广泛的是利用X射线衍射仪通过旋转定向法来进行单晶取向的测定[2-6]。

1 测定原理

单晶的取向是指单晶材料内部特定的晶向与样品宏观表面所成夹角[3]。本实验以电子束悬浮区熔法制得的Mo合金单晶作为研究对象。首先，对样品进行θ-2θ扫描，当扫描角度满足布拉格方程时得到最强峰，依据所测谱线可确定与被测表面平行或近似平行晶面的布拉格角θ。随后，将X射线管与接收器的夹角固定为2θ并对样品表面进行ω扫描，当被测晶面与样品表面存在微小角度差时，晶面法线有可能不在衍射平面内从而无法得到衍射峰，因此在ω扫描的同时，样品以表面法线为轴快速转动，而晶面法线则会绕表面法线做圆锥转动。在X射线管由低角向高角扫描的过程中，当晶面法线旋转的圆锥表面与衍射平面相交并且X射线管与晶面法线呈θ角时，光路满足布拉格方程，谱图中出现明显的衍射强度。又由于存在两条圆锥表面与衍射平面的交线，因此通过ω扫描得到的摇摆曲线中存在一对基本对称的衍射峰，又称“蝴蝶峰”。根据蝴蝶峰的位置ω1、ω2和公式δ=(ω2-ω1)/2，即可计算得到晶面与样品表面间的夹角，即晶向偏离角δ。

图1 Omega扫描模式下的测试原理示意图

2 测试样品及设备

本实验选取的样品材质为西北有色金属研究院采用电子束悬浮区域熔炼技术沿(111)晶向定向生长的钼合金单晶棒材(111)，垂直于棒材轴线方向切取厚度约为2 mm的薄片，并对表面进行抛光和酸洗处理即可得到符合测试条件的单晶片状样品。本实验采用的测试设备为德国布鲁克D8 AdvanceX射线衍射仪，铜靶Kα射线波长约0.154 18 nm，扫描速度为5°/min。

3 结果与讨论

在采用旋转定向法进行晶向偏离角分析时，摇摆曲线会呈现多种形态，以(111)晶面的钼合金单晶为例，下面分析讨论各形态曲线的成因。

3.1 单峰状

图2为1号样品的摇摆曲线，插图为θ-2θ扫描的XRD图谱，从插图中可以明确该样品在2θ 为115.74°时存在一个强度高且锐利的衍射峰。1号样品的摇摆曲线呈单峰状，说明仅有一个58°的ω角，1号样品的晶相偏离角为0°，即该单晶的(111)晶面与样品宏观上表面平行，样品测试原理如图3所示。

3.2 双峰状

图4为2号样品的摇摆曲线，插图为其θ-2θ

图2 1号样品的摇摆曲线(插图为2θ扫描)

图3 1号样品Omega扫描过程中测试原理示意图

扫描的XRD图谱。从插图中可以看出该样品在2θ 为115.64°时有最强衍射峰。随后，在样品台水平旋转的同时，固定X发射光与接收器呈115.64°的夹角后令X发射光从30°开始扫描，直至接收器与样品端面共面。从2号样品的摇摆曲线测试结果可以看出，此时ω扫描得到两个衍射峰，通过几何分析可知两峰相对于θ角对称分布，中心处约为58°，根据衍射峰位置可确定ω1和ω2，分别为56.08°与60.1°，如图5所示。经计算得样品2的晶向偏离角为2.01°。事实上，双峰状的摇摆曲线相较于单峰状更为普遍，因为，晶向偏离角为0°的单晶是较为理想的，而更多单晶样品的晶面都是与样品表面呈一定角度的偏差。

图4 2号样品的摇摆曲线(插图为2θ扫描)

3.3 多峰状

3号样品的θ-2θ扫描结果与摇摆曲线如图6所示。2θ扫描的XRD图谱中，在116.84°与118.29°出现了明显的衍射峰值，说明有亚晶粒的生成。摇摆曲线中有3个衍射峰，也进一步印证了有取向不同的晶粒与亚晶粒。3处衍射峰的位置分别为58°与关于其对称的57.16°与58.84°,根据公式计算，可得这两种晶粒的晶向偏离角分别为0°与0.84°。这一结果表明，3号样品中出现亚晶，亚晶的晶向偏离角为0.84°。图7为摇摆曲线测试原理示意图，3种不同ω的测试过程与其相对应的晶粒取向从图7可得，测试晶向偏离角为0°的晶粒时得到的两个ω完全相同，故而在摇摆曲线中表现为3处衍射峰。

图5 2号样品ω扫描测试原理示意图

图6 3号样品的摇摆曲线(插图为2θ扫描)

图7 3号样品ω扫描测试原理示意图

图8为4号单晶样品的摇摆曲线。左上方插图表示样品经2θ扫描时，在116.82°和118.07°处出现衍射峰，说明有两种取向的亚晶粒。ω扫描时，在56.86°、57.58°、58.48°、59.2°处分别出现了关于58°对称的两对峰，根据公式计算可得，两种亚晶粒的晶向偏离角分别为0.45°与1.17°。图9为4号样品ω扫描时的测试原理示意图，在测试摇摆曲线过程中样品以中心为轴旋转时，由于其内部亚晶粒皆与样品端面呈一定角度，故而会得到4个不同的Omega角，即出现4处衍射峰。

图8 4号样品的摇摆曲线(插图为2θ扫描)

图9 4号样品Omega扫描过程中测试原理示意图

4 结 论

采用旋转定向法对通过电子束悬浮区域熔炼技术制得钼合金单晶样品进行Omega扫描，得到摇摆曲线后计算其晶向偏离角。1、2号样品内仅存在1个晶粒，且1号为完美(111)取向的单晶，2号样品的δ为2.01°，3号样品内部存在具有一定取向差的亚晶粒，这些亚晶粒的晶向偏离角δ分别为0°和0.84°，而4号样品内部亚晶粒的晶向偏离角δ分别为0.45°和1.17°。1号单晶样品的取向最为理想，而实际制备的样品多呈现出2、3、4号样品的情况。