一种中子辐照前锆合金扫描电镜试样预处理方法与流程

1.本发明涉及核燃料循环及辐照技术领域，具体涉及一种中子辐照前锆合金扫描电镜试样预处理方法。


背景技术：

2.锆合金是压水堆、沸水堆及重水堆中最常见的成熟包壳材料，由于长期处于高通量中子辐照、高温高压和冷却剂腐蚀的复杂服役环境中，极易导致锆合金包壳材料的宏观热、力和化学性能发生变化，而这些性质的变化均与中子辐照效应导致锆合金包壳材料内部显微组织变化有关，因此，了解辐照对锆合金显微组织作用的具体机制对提高锆合金的服役性能至关重要。
3.扫描电子显微镜作为最常规的显微组织分析设备可对样品表面形貌、显微结构、样品微区的元素成分及晶体微区取向等进行分析测试。中子辐照是指利用反应堆产生的中子轰击试样表面，与材料近表面的原子发生相互作用，包括碰撞过程、缺陷形成过程和微结构演化过程，从而造成材料物理、力学位能及组织成分与结构上的变化。由于中子辐照的作用深度非常有限，而且辐照后的锆合金一般具有较强的放射性，为了利用扫描电镜分析中子辐照对锆合金试样显微组织与成分的影响，需要对中子辐照前扫描电镜锆合金试样进行预处理。
4.目前，对于中子辐照前扫描电镜锆合金试样的预处理方法的报道相对较少，因此，有必要设计一种用于中子辐照前扫描电镜锆合金试样的预处理方法，更好的将扫描电镜应用于核结构与功能材料的显微分析与表征中去，为了解辐照过程中锆合金包壳材料显微组织的演化机制，提高锆合金包壳材料的服役性能提供理论支撑和技术支持。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种中子辐照前锆合金扫描电镜试样预处理方法，该方法通过对试样表面进行磨抛和化学腐蚀，可最大程度的减小中子辐照注入面的粗糙度和应力层。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.一种中子辐照前锆合金扫描电镜试样预处理方法，先对试样进行磨抛再进行酸洗，所述磨抛依次包括粗抛和精抛，所述粗抛为试样在不同颗粒度的砂纸上由粗到细依次磨制，磨制方式为每更换一次砂纸时，将试样旋转90
°
与旧磨痕成垂直方向继续磨制，直到旧磨痕完全消失，且新磨痕均匀一致为止。
8.本发明所述方法通过对试样表面进行磨抛和化学腐蚀(酸洗)，可最大程度的减小中子辐照注入面的粗糙度和应力层。此外，利用该方法制得的扫描电镜锆合金试样经中子辐照后可直接利用扫描电镜进行显微组织和成分分析，避免辐照后制氧的放射性威胁。
9.进一步地，粗抛时在砂纸喷洒水。
10.进一步地，粗抛采用的砂纸为sic砂纸。
11.进一步地，精抛的过程为：
12.将鹅绒布粘贴在抛光盘上，抛光时将试样均匀地轻压在鹅绒布上，沿抛光盘的直径方向来回移动试样，利用去离子水控制鹅绒布湿度。
13.进一步地，鹅绒布湿度控制在使表面水膜在2s～3s内完全蒸发消失。
14.进一步地，酸洗采用的洗液为hf、hno3、h2so4和h2o按2：6：3：9混合的混合溶液，或hf、hno3和h2o按2:9:9混合的混合溶液。
15.进一步地，酸洗过程为将试样浸泡在洗液中30s～60s。
16.进一步地，包括以下步骤：
17.步骤s1、试样前处理；
18.步骤s2、试样预清洗：采用有机溶剂对试样进行清洗；
19.步骤s3、试样镶嵌：将清洗后的试样嵌入模具或模套内；
20.步骤s4、试样粗抛；
21.步骤s5、试样精抛；
22.步骤s6、将精抛后的试样取出模具或模套；
23.步骤s7、试样酸洗：将试样浸泡在洗液中30s～60s。
24.步骤s1中，试样前处理包括试样选取、试样截取和试样标记。
25.进一步地，步骤s3中，为方便磨抛、检验试样边沿组织，需对试样进行镶嵌。所选择的镶嵌方法不可改变试样原始组织，本发明以冷镶嵌法和手工镶嵌法为具体实施例，镶嵌模具应满足磨抛机的尺寸要求，并做好标识。
26.冷镶嵌法：将试样放入镶嵌模套内，当试样尺寸较小时，可利用金属夹具夹持试样避免观察面倾斜。把配制好的可溶解树脂搅拌均匀，充分混合后慢慢注入镶嵌模套内，待其固化。
27.手工镶嵌法：将试样待磨抛面朝下放入镶嵌模具中，将硫粉放入烧杯中加热熔化，将熔化后的硫粉慢慢倒入模中超过试样高度，待硫粉冷却后即可。
28.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
29.1、本发明所述方法通过对试样表面进行磨抛和化学腐蚀，可最大程度的减小中子辐照注入面的粗糙度和应力层。此外，利用该方法制得的扫描电镜锆合金试样经中子辐照后可直接利用扫描电镜进行显微组织和成分分析，避免辐照后制氧的放射性威胁。
30.2、本发明所述方法无需复杂的机械设备，容易实现且效果显著。
31.3、通过本发明的预处理方法的试样能够更好的将扫描电镜应用于核结构与功能材料的显微分析与表征中去，为了解辐照过程中锆合金包壳材料显微组织的演化机制，提高锆合金包壳材料的服役性能提供理论支撑和技术支持。
附图说明
32.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
33.图1为利用本发明制备出的扫描电镜锆合金试样宏观图；
34.图2为利用本发明制备出的扫描电镜锆合金试样金相图。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
36.实施例1：
37.根据扫描电镜设备本身试样测试要求，试样尺寸检验面积不小于100mm2，锆合金试样的厚度以1mm～2mm(小于横向尺寸)为宜，并且试样的检验面积应满足中子辐照试验要求。本发明以锆合金试样截取10mm
×
15mm
×
1mm和10mm
×
20mm
×
1.5mm为具体实施例，以下是该实施例锆合金显微分析预处理方法的具体实施方式。
38.1)试样选取
39.为满足检验有效，试样的选取应尽可能客观全面的代表整个锆合金块体的结构特征，试样截取的方向、部位、数量应依据试样的制造方法、检验目的、相关标准规定来切取。
40.2)试样截取
41.采用精密切割机、电火花线切割机等切取锆合金试样，试样截取时应尽量避免截取方法对锆合金组织的影响(如变形、过热等)，在后续制样过程中利用打)砂轮磨削等方法去除截取操作引起的影响层，也可在截取时采取预防措施(如使用冷却液等)，防止组织变化。
42.3)试样标记
43.试样截取后立即在试样检验面以外的其他部位做好标记，确保在后续预处理过程中试样不发生混乱。
44.4)试样清洗
45.切割后的试样表面具有较多的油污，因此需要对试样进行预清洗。清洗溶剂选择可以溶解油污的有机溶剂，且不损伤锆合金试样形貌和组织，本实施例选择丙酮、无水乙醇。具体的操作为将锆合金试样依次放入丙酮和酒精溶剂(无水乙醇)中，利用超声波清洗剂分别超声15min，然后利用去离子水冲洗干净，最后将样品烘干。
46.5)试样镶嵌
47.为方便磨抛、检验试样边沿组织，需对试样进行镶嵌。所选择的镶嵌方法不可改变试样原始组织，本发明以冷镶嵌法和手工镶嵌法为具体实施例，镶嵌模具应满足磨抛机的尺寸要求，并做好标识。
48.本实施例采用冷镶嵌法：将试样放入镶嵌模套内，当试样尺寸较小时，可利用金属夹具夹持试样避免观察面倾斜。把配制好的可溶解的环氧树脂搅拌均匀，充分混合后慢慢注入镶嵌模套内，待其固化。
49.6)试样粗抛
50.准备220#、600#、800#、1200#、1500#、3000#、5000#的sic砂纸，平整的玻璃或金属板，去离子水。依次将sic砂纸其平铺在表面平整的玻璃或金属板上。将镶嵌好的试样在不同颗粒度的砂纸上由粗到细依次磨制。磨制之前为避免出现较深的划痕、更好的减缓磨制过程中的阻力，需在砂纸上撒上一些去离子水。磨制方式为每更换一次砂纸，将试样旋转90
°
与旧磨痕成垂直方向继续磨制，直到旧磨痕完全消失，新磨痕均匀一致为止。每次更换砂纸之前需用去离子水将试样冲洗干净。
51.7)试样精抛
52.准备鹅绒布、金刚石研磨膏(w1.5/6000目)、去离子水，将鹅绒布粘贴在抛光盘上。抛光时将试样均匀地轻压在鹅绒布上，沿抛光盘的直径方向来回移动试样，利用去离子水控制鹅绒布湿度，避免对抛光质量产生影响(湿度太大会产生拽尾，湿度太小会产生黑斑)，鹅绒布的湿度以将试样从盘上取下观察时，表面水膜在2s～3s内完全蒸发消失为宜。一般抛光到试样的磨痕完全除去，表面呈镜面。若抛光效果不佳，可适当增加抛光时间，直至抛光面呈镜面。
53.7)试样取出
54.选择合适的溶剂将抛光后的试样从镶嵌模具中取出，溶剂选择以溶解镶嵌试剂，且不损伤锆合金试样形貌和组织为基准。由于实施例镶嵌试剂选择的是环氧树脂，则选择环氧树脂溶解液将其溶解，取出锆合金试样；若镶嵌试剂选择的是硫粉则选择cs2溶剂将其溶解，取出锆合金试样(若选其它溶解试剂均在本发明专利的保护范围内)。试样取出后重复过程4的清洗过程。更换试样的其他检查面，重复开展过程5～6，确保试样的其他5个面都平整。
55.8)试样酸洗
56.为尽可能减小试样制备过程中的应力层及试样抛光后的粗糙度对离子辐照后的锆合金扫描电镜试样的检查的影响，采用夹持工具夹持试样，在酸洗溶液中来回运动进行酸洗。酸洗后的试样立即用酒精进行清洗，将酒精吸干或吹干，并及时进行后续试验。
57.酸洗的溶液选用为hf:hno3:h2so4:h2o＝2：6：3：9，也可以采用hf:hno3:h2o＝2:9:9的混合溶液，浸蚀时间30s～60s，必要时可依据溶液温度及实际酸洗效果进行调整。酸洗过后重复过程更4的清洗过程。如图1所示为锆合金试样酸洗清洗后的效果图。
58.9)试样检查
59.采用金相显微观察制备好的样品的显微形貌，一般先在低倍下观察试样全貌，然后根据试验目的，在不同的放大倍数下检验，根据研究需求，可采用不同的照明观察方式，通常选用明场观察方式进行观察。对需要采集图像的区域，选择合适的放大倍数及照明观察方式，调节视场光阑、孔径光阑等参数，使在物镜下所观察到的图像最清晰和衬度最佳，采集图像以确定制备的样品是否满足离子辐照后的扫描电镜分析需求。若制备的样品不合格(试样表面存在明显的划痕、污染物、氧化物或者反应产物层等)，则分析样品的制备过程重新调整试验参数开展样品的制备，必要时可依据试验需求重新取样开展样品制备试验，直到制备的样品满足离子辐照后的扫描电镜分析需求为止，如图2所示。
60.10)试样保存
61.将制备合格的试样妥善保存，记录试样的编号、数量及保存位置，要求对保存的试样可进行追溯复检，以确保样品的后续试验能顺利开展，不同类型试样应分开存放，并采取必要措施防止混样。
62.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。