CN107561315A - 一种金属中微观氢分布及氢偏聚激活能的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属腐蚀研究领域，旨在提供一种金属中微观氢分布及氢偏聚激活能的测试装置及方法。该装置包括中空的样品台，其内部空腔通过管路连接至换热***；扫描管的顶端固定连接样品台的下侧，片状的待测样品固定装于样品台上表面；仅在底部开口的透光有机玻璃制成的环境箱放置于待测样品上，其侧壁的载气进口接至氮气瓶组，载气出口连接至质谱仪；激光***的激光发射器位于环境箱上方，探针通过压电陶瓷装于环境箱内部，控制器通过信号线分别连接至激光***、扫描管、质谱仪、压电陶瓷和探针。本发明可以方便、准确地对金属中微观氢分布及氢偏聚激活能进行测试。与传统方法相比具有空间分辨率高、测试无损、功能齐全、设备简便等优点。

Description

一种金属中微观氢分布及氢偏聚激活能的测试装置及方法

技术领域

本发明属于金属腐蚀研究领域，特别涉及一种金属中微观氢分布及氢偏聚激活能测试装置及测试方法。

背景技术

氢脆是危害高压氢***安全的重要因素之一，材料的氢脆程度与材料中微观局部氢浓度分布和氢偏聚直接相关。氢在材料中微观组织处(位错、晶界、相界等)的偏聚导致材料微观局部氢浓度升高，进而促进氢致裂纹的产生。氢偏聚激活能是表征氢偏聚程度的重要参数，因此对金属中微观氢分布及氢偏聚激活能的测试研究是揭示氢脆机理且调控材料抗氢脆性能的重要基础。但是，目前缺乏针对金属中微观氢分布测试的有效手段。

相关学者也对氢分布测试的方法进行了探索。早期应用较多的方法是氢微观印刷以及氚示踪技术，但是这两种方法只能表征金属中不同位置氢的放出量，而非氢的实时溶解量。二次离子质谱仪技术也被用于氢分布的测试，但是其本质上属于有损测试的范畴，且该装置的空间分辨率等性能有待提高。原子探针层析显微镜技术的空间分辨率较高，但其测试过程中对材料产生的微观损伤使得无法实现微观氢分布的原位连续测试。

扫描开尔文力探针是一种基于振动电容的气相环境金属功函数(Work Function)的测量技术。它可以用于检测气相环境中因金属的异种物质溶解、电学、力学、晶体、吸附等因素引起的材料功函数的微小变化，具有空间分辨率高、灵敏度高且测试无损等突出优点，是唯一能够测定气相环境中腐蚀电极电位的方法。但目前尚未将其用于金属中微观氢分布及氢偏聚激活能测试的报告。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服当前现有技术中的不足，提出一种金属中微观氢分布及氢偏聚激活能测试装置及测试方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种金属中微观氢分布及氢偏聚激活能的测试装置，包括用于提供载气的氮气瓶组；该装置还包括由激光***、探针、压电陶瓷、扫描管和控制器组成的扫描开尔文力探针***；样品台呈中空的箱形，其内部空腔通过管路连接至换热***；所述扫描管的顶端固定连接样品台的下侧，片状的待测样品固定装于样品台的水平上表面；

仅在底部开口的筒状环境箱由透光有机玻璃制成，其开口侧的端面上设凹槽，凹槽中嵌有O形圈，环境箱放置于待测样品上且通过O型圈实现密封；环境箱的侧壁上设载气进出口，载气进口通过管线连接至氮气瓶组，载气出口通过管线连接至质谱仪；所述激光***的激光发射器位于环境箱上方，探针通过压电陶瓷装于环境箱内部，激光发射器、探针和扫描管的连线呈竖向；所述控制器通过信号线分别连接至激光***、扫描管、质谱仪、压电陶瓷和探针。

本发明中，所述扫描管具备上下伸缩的结构，上下伸缩范围不小于30μm，扫描管的扫描范围不小于150×150μm。

本发明中，所述样品台由导热金属制造而成，其内部空腔充满热媒，腔壁上设热媒进口和热媒出口。

本发明中，所述待测试样是厚度为0.5～1mm的圆形薄片，其表面平整且经金相抛光处理；待测试样的外直径大于环境箱的最大外直径。

本发明中，所述O型圈是石墨材质的O型圈，环境箱与待测试样之间能实现相对滑动。

本发明中，所述探针的上表面有导电涂层和反光涂层，探针与压电陶瓷紧密贴合。

本发明进一步提供了一种利用前述装置测试金属中微观氢分布及氢偏聚激活能的方法，包括以下步骤：

(1)取厚度为0.5～1mm的金属材料，对其表面平整且进行金相抛光处理；切割出两块形状大小相同的圆形薄片，然后在100～300℃和10～50MPa的氢环境中同时进行充氢处理，得到两块待测试样；

(2)取第一块待测试样，将其粘贴固定在样品台上；然后将环境箱放置于待测试样的上表面，调整两者相对位置使激光发射器、探针和扫描管的连线呈竖向，并确保O型圈密封可靠；

(3)连接各路管线和信号线，向样品台内充注热媒；

(4)开启氮气瓶组的阀门，对环境箱的内腔进行连续置换，使用流量控制阀调节氮气流速保持均匀稳定；置换超过0.5h后，控制换热***以不高于20℃/h的恒定升温速率φ升温至500℃，同时启动质谱仪连续监测载气中的氢含量；利用控制器控制探针、压电陶瓷、激光***和扫描管，间隔固定的时间段对同一区域进行功函数的连续测试；

(5)当换热***中热媒的温度达到500℃后，依次关闭质谱仪、控制器；控制换热***逐渐降温至室温后，关闭氮气瓶组并取下待测试样；

(6)将质谱仪测得的载气中的氢含量曲线对时间进行积分，获得待测试样中总氢含量Q₁，识别氢含量曲线峰值处对应的温度T_P1；待测试样的功函数分布规律与氢分布规律是相互对应的；对待测试样的一系列功函数分布图进行积分处理，结合总氢含量Q₁获得待测试样中的氢分布规律；

(7)取第二块待测试样，按步骤(2)～(6)重复相同的测试程序，获得相应的总氢含量Q₂，以及氢含量曲线峰值处对应的温度T_P2；在测试过程中，除了将步骤(4)中的升温速率由φ变为2φ，保持其它测试条件保持不变；

(8)按下述公式计算获得待测试样中氢偏聚激活能：

式中R是气体常数。

本发明中，换热***的换热温度范围为-50℃～500℃。

本发明中，质谱仪为三重四极杆质谱，其质量数范围0～50amu。

发明原理描述：

经申请人进行大量基础性研究后发现，氢在金属中溶解会导致金属局部功函数的变化，且功函数的变化与局部氢溶度间具有良好的对应关系。基于此原理，本发明提出了利用扫描开尔文力探针技术(空间分辨率高，可达到20nm，测试无损可实现原位连续测试)对金属局部功函数分布规律进行测试，功函数分布规律表征了氢的分布规律，测试过程中对待测试样进行加热并同时利用质谱仪监测试样中氢的定量放出规律，而后结合由扫描开尔文力探针技术获得的氢分布定性规律和由质谱仪获得的氢含量定量数据即可计算得到金属中的微观氢分布，最后利用质谱仪测试不同升温速率下待测试样中氢的放出规律即可计算得到相应的氢偏聚激活能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所提出的测试装置和测试方法，可以方便、准确地对金属中微观氢分布及氢偏聚激活能进行测试。与传统方法相比具有空间分辨率高、测试无损、功能齐全、设备简便等优点。

附图说明

图1为本发明的总体装置示意图。

图中附图标记：氮气瓶组1、流量控制阀2、载气进口3、O型圈4、环境箱5、激光***6、探针7、压电陶瓷8、载气出口9、待测试样10、控制器11、质谱仪12、质谱仪阀13、样品台14、热媒15、扫描管16、热媒阀门17、换热***18。

具体实施方式

本实施例中的金属中微观氢分布及氢偏聚激活能测试装置如图1所示。

该装置包括仅在底部开口的筒状环境箱5，是由透光有机玻璃制成，能耐高温600℃。气瓶组1提供试验用载气，通过流量控制阀2连接至环境箱5上的载气进口3，环境箱5上还设置有载气出口9，载气出口9通过质谱仪阀13连接至质谱仪12。质谱仪12主要在试验过程中监测流经环境箱5的载气中的氢气含量，质谱仪12为三重四极杆质谱，其质量数范围0～50amu。样品台14由导热系数良好的金属制造，且为中空结构，内部充满热媒15，热媒15由换热***18提供，对应的连接管路中设置热媒阀门17。换热***18的换热温度范围为-50℃～500℃，样品台14上固接待测试样10。待测试样10是厚度为0.5～1mm的圆形薄片，其表面平整且进行金相抛光处理，外直径大于环境箱5的外直径。环境箱5放置于待测试样10之上且两者之间通过O型圈4进行密封，环境箱5与待测试样10之间可实现相对滑动，O型圈4采用滑动性能良好的石墨材质。

该装置还包括扫描开尔文力探针***，由激光***、探针、压电陶瓷、扫描管和控制器组成。扫描管16的扫描范围不小于150×150μm，上下可伸缩范围不小于30μm，样品台14放置于扫描管16之上，且与扫描管16固接。压电陶瓷8和探针7固定于环境箱5内部，探针7表面有导电和反光涂层，激光***6布置于探针7正上方，且将激光投射在探针7背面(激光***6的激光发射器、探针和扫描管的连线呈竖向)。控制器11对探针7、扫描管16、激光***6、压电陶瓷8以及质谱仪12进行控制。在测试过程中，压电陶瓷8带动探针7有规律地进行振动，探针7在受到待测试样10功函数的影响后，其振动特性发生变化，这些变化被在探针7背面反光涂层投射激光的激光***6感知，激光***6将信号传递给控制器11，后者对信号处理后即可获得待测试样10的功函数分布规律，在此过程中扫描管16带动待测试样10与探针7之间发生位置的相对移动以完成扫描过程。

利用前述金属中微观氢分布及氢偏聚激活能测试装置的测试方法，包括以下步骤：

首先，取厚度为0.5～1mm的金属材料，对其表面平整且进行金相抛光处理；切割出两块形状大小相同的圆形薄片，然后在100～300℃和10～50MPa的氢环境中同时进行充氢处理，得到两块待测试样10；

将第一块待测试样10使用耐高温粘贴剂固定于样品台14上，而后将环境箱5放置于待测试样10的待测表面上，调整两者相对位置使激光发射器、探针7和扫描管16的连线呈竖向，并确保O型圈4密封可靠；连接各路管线和信号线，向样品台14内充注热媒；

使用氮气瓶组1对环境箱5内气体进行连续置换，使用流量控制阀2调节氮气流速并使其保持均匀稳定；置换超过0.5h后，打开控制器11并设置合理的测试参数，打开质谱仪12连续监测载气中的氢含量，调整换热***18以恒定的升温速率φ升温至500℃，其中φ不高于20℃/h，而后立刻利用控制器11控制探针7、压电陶瓷8、激光***6和扫描管16以实现待测试样10的功函数的测试，并在间隔固定的时间段后连续对同一区域进行功函数测试；当换热***18温度达到500℃后，依次关闭质谱仪12、控制器11，调节换热***18温度缓慢降至室温，而后关闭氮气瓶组1并取出待测试样10；将质谱仪12测得的载气中的氢含量曲线对时间进行积分可获得待测试样10中总氢含量Q₁，此外识别氢含量曲线峰值处对应的温度T_P1；待测试样10的功函数分布规律与氢分布规律相对应，对待测试样10的一系列功函数分布图进行积分处理，而后结合总氢含量Q₁可获得待测试样10中的氢分布规律。

取第二块待测试样10，进行上述相同的测试程序。除了试验中升温速率由φ变为2φ，，保持其它测试条件保持不变。获得相应的总氢含量Q₂，以及氢含量曲线峰值处对应的温度T_P2；

最终，待测试样10中氢偏聚激活能等于其中R是气体常数。

如上所述，本发明提出的金属中微观氢分布及氢偏聚激活能测试装置及测试方法不仅可以准确地测试金属中的微观氢分布，还可同时方便地测试出金属中的氢偏聚激活能。与传统测试手段相比具有空间分辨率高(探针7的测试空间分辨率可达20nm)、测试无损(可实现对同一位置连续地测试并揭示氢分布的演化规律)、功能齐全、设备简便等优点。

以上所述，仅是本发明的一个实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。

Claims (9)

1.一种金属中微观氢分布及氢偏聚激活能的测试装置，包括用于提供载气的氮气瓶组；其特征在于，该装置样品台呈中空的箱形，其内部空腔通过管路连接至换热***；所述扫描管的顶端固定连接样品台的下侧，片状的待测样品固定装于样品台的水平上表面；

仅在底部开口的筒状环境箱由透光有机玻璃制成，其开口侧的端面上设凹槽，凹槽中嵌有O形圈，环境箱放置于待测样品上且通过O型圈实现密封；环境箱的侧壁上设载气进出口，载气进口通过管线连接至氮气瓶组，载气出口通过管线连接至质谱仪；所述激光***的激光发射器位于环境箱上方，探针通过压电陶瓷装于环境箱内部，激光发射器、探针和扫描管的连线呈竖向；所述控制器通过信号线分别连接至激光***、扫描管、质谱仪、压电陶瓷和探针。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扫描管具备上下伸缩的结构，上下伸缩范围不小于30μm，扫描管的扫描范围不小于150×150μm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品台由导热金属制造而成，其内部空腔充满热媒，腔壁上设热媒进口和热媒出口。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述待测试样是厚度为0.5～1mm的圆形薄片，其表面平整且经金相抛光处理；待测试样的外直径大于环境箱的最大外直径。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述O型圈是石墨材质的O型圈，环境箱与待测试样之间能实现相对滑动。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探针的上表面有导电涂层和反光涂层，探针与压电陶瓷紧密贴合。

7.一种利用权利要求1所述装置测试金属中微观氢分布及氢偏聚激活能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)取厚度为0.5～1mm的金属材料，对其表面平整且进行金相抛光处理；切割出两块形状大小相同的圆形薄片，然后在100～300℃和10～50MPa的氢环境中同时进行充氢处理，得到两块待测试样；

(2)取第一块待测试样，将其粘贴固定在样品台上；然后将环境箱放置于待测试样的上表面，调整两者相对位置使激光发射器、探针和扫描管的连线呈竖向，并确保O型圈密封可靠；

(3)连接各路管线和信号线，向样品台内充注热媒；

(4)开启氮气瓶组的阀门，对环境箱的内腔进行连续置换，使用流量控制阀调节氮气流速保持均匀稳定；置换超过0.5h后，控制换热***以不高于20℃/h的恒定升温速率φ升温至500℃，同时启动质谱仪连续监测载气中的氢含量；利用控制器控制探针、压电陶瓷、激光***和扫描管，间隔固定的时间段对同一区域进行功函数的连续测试；

(5)当换热***中热媒的温度达到500℃后，依次关闭质谱仪、控制器；控制换热***逐渐降温至室温后，关闭氮气瓶组并取下待测试样；

(6)将质谱仪测得的载气中的氢含量曲线对时间进行积分，获得待测试样中总氢含量Q₁，识别氢含量曲线峰值处对应的温度T_P1；待测试样的功函数分布规律与氢分布规律是相互对应的，对待测试样的一系列功函数分布图进行积分处理，结合总氢含量Q₁获得含氢试样中的氢分布规律；

(7)取第二块待测试样，按步骤(2)～(6)重复相同的测试程序，获得相应的总氢含量Q₂，以及氢含量曲线峰值处对应的温度T_P2；在测试过程中，除了将步骤(4)中的升温速率由φ变为2φ，保持其它测试条件保持不变；

(8)按下述公式计算获得含氢试样中氢偏聚激活能：

式中R是气体常数。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，换热***的换热温度范围为-50℃～500℃。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，质谱仪为三重四极杆质谱，其质量数范围0～50amu。