一种表征高通量钼合金多尺度微区性能的方法

摘要

本发明公开了一种表征高通量钼合金多尺度微区性能的方法，将高通量方式制备的钼合金分为纯净段和过渡段，根据成分过渡段有很明显的成分变化，将过渡段均分成若干小区域，并对其进行包括钼镧合金微区形貌，微区腐蚀电位，微区硬度以及微区成分的多尺度表征，建立氧化镧含量‑钼合金晶粒尺寸‑耐蚀性‑硬度之间的关系。本发明利用小样品获得大批钼合金数据以供机器学习模型构建及优化，通过将高通量实验和实验室常用的测试手段进行多尺度结合的方式，实现了钼合金高通量表征，该方法测试周期短，实验便捷且成本低。

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种表征高通量钼合金多尺度微区性能的方法。

背景技术

金属钼是一种稀有的难熔金属，具有高的熔点、弹性模量，良好的导电导热性能与低的热膨胀系数，以及良好的耐酸碱及耐液体金属腐蚀性能，因此在航空航天、机械制造、电力电子、钢铁冶金、医疗器械、照明、能源化工、军工等各领域得到了广泛应用，是不可或缺的耐高温材料。随着科技的发展，尤其是国防需求越来越高，对于钼合金的综合性能提出了更高的要求。

但是，材料研究开发是一个漫长的过程，传统上新材料的研发方法是试错法，科研人员基于自己的知识和相关经验积累来确定材料成分组成。回顾整个工业技术及材料的发展和应用历程，新一代材料的研发一般需要相当长的时间。因此，缩短材料从研发到应用的周期，加速材料研发速度，降低材料研发的成本，成为各国研究的重点。

在金属基复合材料高通量制备研发过程中，需要通过高通量表征技术，对高通量技术制备的大量样品的成分、形貌、组织、性能以及界面进行快速检测，并将检测结果用于高通量工艺的反向优化及符合体系的快速筛选。快速、准确、低成本地获取材料信息是衡量材料高通量表征技术的重要标准。

由于金属基复合材料组分较金属复杂，在其表征技术方面，仍然缺乏针对金属基复合材料单一样品成分、形貌、组织、结构和性能的多维、多场、多尺度同步采集技术，以及针对阵列样品成分、形貌、组织与结构的快速表征技术。

目前对钼合金材料微区性能表征的报道还很少，为了能实现钼合金性能的多维多尺度表征，提出一种多尺度表征高通量钼合金微区性能的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种表征高通量钼合金多尺度微区性能的方法，通过对高通量制备的不同固定成分的钼合金成分过渡区进行微观组织-成分-耐蚀性-硬度等多尺度性能测试分析。本发明通过将实验室常用的测试手段进行多尺度结合的方式实现了钼合金高通量表征，该方法测试周期短，实验便捷且成本低。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供一种表征高通量钼合金多尺度微区性能的方法，包括如下步骤：

步骤1，高通量钼合金制备：

通过粉末冶金固液掺杂的方式制备掺杂不同质量分数稀土金属氧化物的钼合金棒材，将掺杂不同质量分数稀土金属氧化物的钼粉呈成分梯度方式制成一根钼棒，取其中两种不同成分之间形成的成分过渡区作为条状样品；

步骤2，表征高通量钼合金表面微观组织及成分：

将步骤1中得到的成分过渡区的条状样品表面抛光处理，去除表面划痕，用钼合金腐蚀液对表面进行腐蚀；

钼条表面均分为若干个1×1mm的小正方形区域，利用电子显微镜+电子能谱扫描样品表面小区域，分别拍照得到不同区域不同掺杂成分的钼合金微观组织和掺杂稀土金属氧化物含量；

统计不同区域晶粒大小，建立稀土金属氧化物含量-钼合金晶粒尺寸之间的关系；

步骤3，表征高通量钼合金微区耐腐蚀性：

将步骤1中得到的成分过渡区的条状样品表面抛光处理，去除表面划痕，利用扫描开尔文探针测量方法对样品表面进行扫描，得到金属表面电位的变化数据点；

将样品表面以1×1mm为一个单位均分为若干个单元，计算每个单元的平均电位值；将样品表面耐腐蚀数据与步骤2中的稀土金属氧化物含量和钼合金晶粒尺寸进行对应，建立稀土金属氧化物含量-钼合金晶粒尺寸-耐蚀性之间的关系；

步骤4，表征高通量钼合金微区硬度：

将步骤1中得到的成分过渡区的条状样品表面抛光处理，去除表面划痕，将钼条表面均分为若干个1×1mm的小正方形区域，用维氏硬度计，设置压力值为300g，压痕时间为15s对样品表面硬度进行测试；

每个小区域取3个以上的点测试，取平均值定为该区域硬度值；将硬度值与上述稀土金属氧化物成分-晶粒尺寸-耐蚀性进行一一对应，建立稀土金属氧化物含量-钼合金晶粒尺寸-耐蚀性-硬度之间的关系；

步骤5，整理数据建立数据库：

将上述步骤测得的稀土金属氧化物含量-钼合金晶粒尺寸-耐蚀性-硬度各个特征的数据点一一对应，通过机器学习的手段拓展为一个稀土钼合金多尺度性能数据库。

优选的，所述稀土金属氧化物为氧化镧或氧化铈。

优选的，所述钼合金腐蚀液为按照质量分数为10％的铁氰化钾和10％的氢氧化钠配制而成。

优选的，所述步骤2中，对样品表面在室温下腐蚀40-60s。

优选的，所述扫描开尔文探针测量方法对样品表面进行扫描的步长为0.1mm，即每0.1mm取一电位值。

优选的，不同成分之间形成的成分过渡区内稀土金属氧化物质量分数存在含量由低至高递增或由含量高至低递减的分布，各区域对应的多尺度性能也随之变化。

优选的，所述稀土金属氧化物含量-钼合金晶粒尺寸之间的关系为，随稀土金属氧化物含量增加钼合金晶粒尺寸减小。

优选的，所述稀土金属氧化物含量-钼合金晶粒尺寸-耐蚀性之间的关系为，随稀土金属氧化物含量增加，钼合金晶粒尺寸减小，耐蚀性增强。

优选的，所述稀土金属氧化物含量-钼合金晶粒尺寸-耐蚀性-硬度之间的关系为，随稀土金属氧化物含量增加，晶粒尺寸减小，耐蚀性增强，硬度增大。

本发明具有以下技术效果：

1)本发明利用高通量制备不同成分梯度的钼合金，从而得到不同成分过渡区样品，可以通过单一的掺杂方式得到掺杂成分含量呈单向均匀变化的样品。

2)将高通量实验与多尺度表征手段结合，以小样品获得大批钼合金多尺度性能数据，一个样品可获得若干组多尺度数据，可节省大量合金材料制造成本，以少量样品获得大量数据。

3)实现钼合金成分、形貌以及性能等多尺度同步表征，利用所得数据，可用机器学习方法将钼合金各维度性能特征建立联系，从而大大提高高性能钼合金研发效率。

附图说明

图1a-1b为本发明钼合金制备成分分布及成分过渡区示意图；

图2为表征过程中样品加工形状；

图3为样品微观表征分区示意图；

图4为氧化镧含量-晶粒尺寸示意图；

图5为氧化镧含量-尺寸-电位示意图；

图6为氧化镧含量-硬度-电位示意图。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明提供的一种表征高通量钼合金多尺度微区性能的方法，包括如下步骤：

步骤1，高通量钼合金制备：

通过粉末冶金固液掺杂的方式制备一批掺杂不同质量分数稀土金属氧化物(氧化镧或氧化铈)的钼合金棒材，制备过程中，将掺杂不同质量分数氧化镧或氧化铈的钼粉呈成分梯度方式放置于同一模具，制成一根钼棒，具体如图1a所示。由于不同成分的堆叠，钼棒各段成分呈梯度变化，两不同成分之间必然形成成分过渡区，取其中两段成分过渡区样品，如图1b所示。为方便后续过程对样品进行表征，把样品加工为图2所示的条状样品。

测试所用钼合金是利用高通量粉末冶金固液掺杂方式制备，将不同掺杂成分钼粉一次装入同一模具后进行等静压即可得到带有过渡区的不同成分钼合金，由于不同成分粉末间相互渗透形成成分过渡区，该区域内氧化镧或氧化铈质量分数存在由含量低向含量高递增或由含量高向含量低递减的分布情况。由于成分均匀变化这一特点，各区域对应的多尺度性能也随之变化，这是该表征方法可行的关键。

步骤2，表征高通量钼合金表面微观组织及成分：

将步骤1中得到的样品表面通过砂纸以及抛光机进行抛光处理，去除表面划痕，用质量分数各10％的铁氰化钾和氢氧化钠配成的钼合金腐蚀液，对样品表面在室温下腐蚀40-60s。

在一个实施例中，将7mm×20mm的钼条表面均分为140个1mm×1mm的小正方形区域，如图3所示。利用SEM+EDS(扫描电子显微镜+电子能谱)样品表面140个小区域分别进行拍照和成分分析，得到140个不同区域不同掺杂成分的钼合金微观组织和掺杂氧化镧或氧化铈含量。观察不同区域的微观组织，统计不同区域晶粒大小，从而建立氧化镧或氧化铈含量和钼合金晶粒尺寸之间的关系，随着氧化镧或氧化铈含量的增加钼合金晶粒尺寸减小。

过渡区大小以及均分的×1mm的小区域只用于说明方法，具体实施过程中的大小由过渡成分段所截取样品大小以及实际实验需求而定。

步骤3，表征高通量钼合金微区耐腐蚀性：

将样品表面通过砂纸以及抛光机进行抛光处理，去除表面划痕，利用SKP(扫描开尔文探针测量技术)对样品表面进行扫描，扫描的步长为0.1mm，即每0.1mm取一电位值。得到金属表面电位的变化模型图及数据点，如图4所示。对数据进行处理，以1mm×1mm为一个单位均分为140个单元，计算每个单元的平均电位值。将样品表面耐腐蚀数据与步骤2中的氧化镧或氧化铈含量和钼合金晶粒尺寸进行对应，建立氧化镧或氧化铈含量-钼合金晶粒尺寸-耐蚀性之间的关系，随着氧化镧或氧化铈含量的增加，钼合金晶粒尺寸减小，耐蚀性增强。

步骤4，表征高通量钼合金微区硬度：

将样品表面通过砂纸以及抛光机进行抛光处理，去除表面划痕，将样品表面均分为140个1mm×1mm的小区域。用维氏硬度计，设置压力值为300g，压痕时间为15秒对样品表面硬度进行测试。为减小误差，每个小区域取3到5个点进行测试，取平均值定为该点硬度值。对140个微区硬度值进行统计，绘制三维图如图5所示，将硬度值与上述氧化镧或氧化铈成分-晶粒尺寸-耐蚀性进行一一对应，建立氧化镧或氧化铈含量-钼合金晶粒尺寸-耐蚀性-硬度之间的关系，随着氧化镧含量增加，晶粒尺寸减小，耐蚀性增强，硬度增大。

步骤5，整理数据建立数据库：

将上述步骤测得的钼合金晶粒尺寸-第二相分布-氧化镧成分-腐蚀电位-硬度各个特征的140个数据点一一对应，通过机器学习的手段拓展为一个稀土钼合金多尺度性能数据库。

下面给出不同的实施例来进一步说明本发明。

实施例1

本实施例中所用钼合金为高通量方式制备的氧化镧掺杂钼合金，其中钼合金样品及氧化镧掺杂含量示意图如图1a所示，图中为高通量粉末冶金方式制备的钼镧合金，合金中氧化镧质量分数由0％到0.9％呈阶梯增长变化，图中浅色部分为氧化镧成分纯净区，深色区域为氧化镧成分过渡区。本实施例选的是氧化镧掺杂质量分数在0.3％-0.4％的成分过渡段，如图1b#1所示。

(1)表征高通量钼镧合金微区微观形貌及成分

1)为方便实验，将图1b中

2)将样品表面通过砂纸以及抛光机进行抛光处理，去除表面划痕，用各质量分数10％铁氰化钾和氢氧化钠配成的钼合金腐蚀液对表面进行腐蚀，室温下腐蚀50s。

3)利用SEM+EDS(扫描电子显微镜+电子能谱)样品表面140个小区域分别进行拍照和成分分析，得到140个不同区域不同掺杂成分的钼合金微观组织和掺杂氧化镧含量。观察不同区域的微观组织，统计不同区域晶粒大小，从而建立氧化镧含量和钼合金晶粒尺寸之间的关系，图4为晶粒尺寸随氧化镧含量变化示意图。

(2)钼镧合金微区电化学表征

将样品表面通过砂纸以及抛光机进行抛光处理，去除表面划痕，利用SKP(扫描开尔文探针测量技术)对样品表面进行扫描，得到金属表面电位的变化数据点。对数据进行处理，以1mm×1mm为一个单位均分为140个单元，计算每个单元的平均电位值。将腐蚀数据与步骤2中的成分和晶粒数据进行对应，建立成分-晶粒尺寸-耐蚀性之间的关系，图5为晶粒尺寸和腐蚀电位随氧化镧含量变化示意图。

(3)钼镧合金微区硬度表征

将样品表面通过砂纸以及抛光机进行抛光处理，去除表面划痕，将样品表面均分为140个1mm×1mm的小区域。用维氏硬度计，设置压力值为300g，压痕时间为15秒对样品表面硬度进行测试。为减小误差，每个小区域取3到5个点进行测试，取平均值定为该点硬度值。对140个微区硬度值进行统计，绘制三维图如图5所示，将硬度值与上述氧化镧成分-晶粒尺寸-耐蚀性进行一一对应，建立成分-晶粒尺寸-耐蚀性-硬度之间的关系，图6为钼合金硬度和腐蚀电位随氧化镧含量变化示意图。

(4)整理数据建立数据库

将上述步骤测得的钼合金晶粒尺寸-第二相分布-氧化镧成分-腐蚀电位-硬度各个特征的140个数据点一一对应，通过机器学习的手段拓展为一个稀土钼合金多尺度性能数据库。

实施例2

本实施例中所用钼合金为高通量方式制备的氧化镧掺杂钼合金，其中钼合金样品及氧化镧掺杂含量示意图如图1a所示,图中为高通量粉末冶金方式制备的钼镧合金，合金中氧化镧质量分数由0％到0.9％呈阶梯增长变化，图中浅色部分为氧化镧成分纯净区，深色区域为氧化镧成分过渡区。本实施例选的是氧化镧掺杂质量分数在0.5％-0.6％的成分过渡段，如图1b#2所示。

(1)表征高通量钼镧合金微区微观形貌及成分

1)为方便实验，将图1中

2)将样品表面通过砂纸以及抛光机进行抛光处理，去除表面划痕，用质量分数为10％的铁氰化钾和10％的氢氧化钠配制而成的钼合金腐蚀液对表面进行腐蚀，室温下腐蚀60s。

3)利用SEM+EDS(扫描电子显微镜+电子能谱)样品表面140个小区域分别进行拍照和成分分析，得到140个不同区域不同掺杂成分的钼合金微观组织和掺杂氧化镧含量。观察不同区域的微观组织，统计不同区域晶粒大小以及第二相颗粒的分布情况，从而建立氧化镧含量和钼合金晶粒尺寸以及第二相颗粒分布情况之间的关系。

(2)钼镧合金微区电化学表征

将样品表面通过砂纸以及抛光机进行抛光处理，去除表面划痕，利用SKP(扫描开尔文探针测量技术)对样品表面进行扫描，得到金属表面电位的变化模型图及数据点。对数据进行处理，以1mm×1mm为一个单位均分为140个单元，计算每个单元的平均电位值。将腐蚀数据与步骤2中的成分和晶粒数据进行对应，建立成分-晶粒尺寸-耐蚀性之间的关系。

(3)钼镧合金微区硬度表征

将样品表面通过砂纸以及抛光机进行抛光处理，去除表面划痕，将样品表面均分为140个1mm×1mm的小区域。用维氏硬度计，设置压力值为300g，压痕时间为15秒对样品表面硬度进行测试。为减小误差，每个小区域取3到5个点进行测试，取平均值定为该点硬度值。对140个微区硬度值进行统计，将硬度值与上述氧化镧成分-晶粒尺寸-耐蚀性进行一一对应，建立成分-晶粒尺寸-耐蚀性-硬度之间的关系。

(4)整理数据建立数据库

将上述步骤测得的钼合金晶粒尺寸-第二相分布-氧化镧成分-腐蚀电位-硬度各个特征的140个数据点一一对应，通过机器学习的手段拓展为一个稀土钼合金多尺度性能数据库。

实施例3

本实施例中所用钼合金为高通量方式制备的氧化铈掺杂钼合金，合金中氧化铈质量分数由0％到0.9％呈阶梯增长变化。本实施例选的是氧化铈掺杂质量分数在0.5％-0.6％的成分过渡段。

(1)表征高通量钼合金微区微观形貌及成分

1)为方便实验，将图1中

2)将样品表面通过砂纸以及抛光机进行抛光处理，去除表面划痕，用各质量分数10％铁氰化钾和氢氧化钠配成的钼合金腐蚀液对表面进行腐蚀，室温下腐蚀40s。

3)利用SEM+EDS(扫描电子显微镜+电子能谱)样品表面140个小区域分别进行拍照和成分分析，得到140个不同区域不同掺杂成分的钼合金微观组织和掺杂氧化铈含量。观察不同区域的微观组织，统计不同区域晶粒大小以及第二相颗粒的分布情况，从而建立氧化铈含量和钼合金晶粒尺寸以及第二相颗粒分布情况之间的关系。

(2)钼铈合金微区电化学表征

将样品表面通过砂纸以及抛光机进行抛光处理，去除表面划痕，利用SKP(扫描开尔文探针测量技术)对样品表面进行扫描，得到金属表面电位的变化模型图及数据点。对数据进行处理，以1mm×1mm为一个单位均分为140个单元，计算每个单元的平均电位值。将腐蚀数据与步骤2中的成分和晶粒数据进行对应，建立成分-晶粒尺寸-耐蚀性之间的关系。

(3)钼铈合金微区硬度表征

将样品表面通过砂纸以及抛光机进行抛光处理，去除表面划痕，将样品表面均分为140个1mm×1mm的小区域。用维氏硬度计，设置压力值为300g,压痕时间为15秒，对样品表面硬度进行测试。为减小误差，每个小区域取3到5个点进行测试，取平均值定为该点硬度值。对140个微区硬度值进行统计，将硬度值与上述氧化铈成分-晶粒尺寸-耐蚀性进行一一对应，建立成分-晶粒尺寸-耐蚀性-硬度之间的关系。

(4)整理数据建立数据库

将上述步骤测得的钼合金晶粒尺寸-第二相分布-氧化铈成分-腐蚀电位-硬度各个特征的140个数据点一一对应，通过机器学习的手段拓展为一个稀土钼合金多尺度性能数据库。

从以上实施例可以看出，采用本发明方法针对不同稀土金属氧化物掺杂质量分数的成分过渡段，能够得到晶粒尺寸、腐蚀电位、钼合金硬度随稀土金属氧化物含量变化的对应关系，并通过机器学习的手段拓展为一个稀土钼合金多尺度性能数据库，实现了钼合金性能的多维多尺度表征，从而为高性能钼合金研发提供了一种实验便捷且成本低的有效方法。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。