離子束截面拋光-電子探針儀分析在SiCp/Al復(fù)合材料相結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

胡 瑩, 張瀾庭(. 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200240; 2. 寶山鋼鐵集團 中央研究院, 上海 20900)

離子束截面拋光-電子探針儀分析在SiCp/Al復(fù)合材料相結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

胡 瑩1,2, 張瀾庭1
(1. 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200240; 2. 寶山鋼鐵集團 中央研究院, 上海 201900)

SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料(SiCp/Al),由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且各組成單元之間的物理、化學(xué)性質(zhì)存在明顯的差異，因而在試樣制備、微觀結(jié)構(gòu)表征等工作中存在一定困難。利用離子束截面拋光(CP)制樣技術(shù)結(jié)合電子探針X射線分析儀(EPMA)分析，提出了一種適宜解析這種復(fù)合材料微觀相結(jié)構(gòu)的方法。試驗結(jié)果證實：該方法效果明顯，結(jié)果直觀、可靠；并可推廣到類似材料的微觀結(jié)構(gòu)精細解析研究中。

離子束截面拋光；電子探針儀分析;SiCp/Al復(fù)合材料；相結(jié)構(gòu)解析

SiC顆粒增強鋁基(SiCp/Al)復(fù)合材料是由陶瓷性增強相SiC顆粒和輕質(zhì)鋁合金通過一定工藝形成的一種復(fù)合材料[1]。因其具有比強度和比模量高、耐高溫、耐磨、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異的綜合性能[2-4]，所以廣泛應(yīng)用于航空航天、先進武器系統(tǒng)、汽車、光學(xué)精密儀器、電子和體育用品等領(lǐng)域[5-8]。

由于SiCp/Al復(fù)合材料是由多種結(jié)構(gòu)單元組成的，其中包括作為增強相顆粒的SiC、基體鋁在加工過程中形成的各種析出相和反應(yīng)生成相等，這些結(jié)構(gòu)單元在復(fù)合材料中的分布規(guī)律及其相互關(guān)系對材料的性能都會造成直接影響，是調(diào)整工藝、控制材料性能的基礎(chǔ)，因而被廣泛關(guān)注[9-12]。

由于各結(jié)構(gòu)單元之間，特別是增強相SiC顆粒和基體鋁之間在硬度、耐磨性、耐蝕性等方面存在很大差異，因而在機械磨拋和化學(xué)侵蝕的制樣過程中,各相高低差異(圖1為振動拋光后試樣金相顯微鏡形貌和表面粗糙度測試結(jié)果)、界面優(yōu)先腐蝕等可能引入假象的制樣缺陷很難避免；同時不同的結(jié)構(gòu)單元之間相互區(qū)分也存在一定的難度，在金相顯微鏡下觀察，增強相顆粒、析出相以及可能存在的反應(yīng)生成相均表現(xiàn)為不同灰度的色塊，難以確定其所屬(圖1)，所以真實、有效地表征SiCp/Al復(fù)合材料中的各結(jié)構(gòu)單元是研究該種復(fù)合材料性能和作用機理的基礎(chǔ)。

圖1 SiCp/Al復(fù)合材料振動拋光后的金相顯微鏡形貌和表面粗糙度Fig.1 The (a) metallographic microscope morphology and (b) surface roughness of SiCp/Al composite after vibration polishing

鑒于SiCp/Al復(fù)合材料各結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)元素組成不盡相同，設(shè)想指定一種或幾種元素作為某一結(jié)構(gòu)單元的標(biāo)記元素，將相結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分結(jié)合起來解析該復(fù)合材料,或許是一種可行的方法。為此，筆者采用離子束截面拋光制樣技術(shù)結(jié)合電子探針儀分析研究了SiCp/Al復(fù)合材料中的各相結(jié)構(gòu)。

1 試樣制備與試驗方法

在比較了多種電子探針試樣制備方法后，離子束截面拋光(Cross-section Polishing,CP)技術(shù)被確定下來。離子束截面拋光機是以氬離子束作為加工能量源，由試樣的頂部射出，借助擋板的作用僅使試樣的側(cè)面暴露在離子束下，進而達到試樣側(cè)面被離子束清掃加工的目的，如圖2所示。

圖2 離子束CP示意圖Fig.2 The schematic diagram of ion beam CP

由于離子束截面拋光的過程類似于切割，復(fù)合材料中性能各異的組成單元在離子束下的作用平面相對比較一致，研究證實[13]采用該方法制成的試樣表面平整度較研磨-拋光試樣有較大程度的提高。在以往加工過的材料中存在離子束截面拋光制備的試樣未經(jīng)化學(xué)侵蝕顯微組織就已清晰顯現(xiàn)的現(xiàn)象，采用某牌號的1系鋁合金進行嘗試，證明該方法是可行的，如圖3所示。所以采用離子束截面拋光制樣技術(shù)，可以避免該類復(fù)合材料因界面優(yōu)先腐蝕而造成的結(jié)構(gòu)丟失現(xiàn)象。

圖3 離子束CP方法制備的1系鋁合金試樣晶粒形貌Fig.3 The grain morphology of the sery 1 aluminum alloy prepared by ion beam CP method

雖然離子束截面拋光方法制備試樣的過程是離子束注入、切割的過程，會有一定程度的熱影響，但由于在每一個時刻離子束注入體積較整個試樣相差很大，使熱量能夠以較快的速率傳導(dǎo)出去，所以離子束截面拋光方法制備試樣的表面變形層會較研磨-拋光試樣的有明顯改善。離子束截面拋光過程中形成的難以完全消除的加工條紋雖然在采集圖片時會影響圖像質(zhì)量，但這對結(jié)構(gòu)或成分的電子顯微分析——背散射電子衍射(EBSD)或波譜儀(WDS)分析并不會構(gòu)成顯著影響。

電子探針X射線分析儀(EPMA)是一種專門檢測微區(qū)化學(xué)成分的分析儀器，利用經(jīng)過加速和聚焦的、極窄的電子束作為能量注入源，轟擊試樣表面激發(fā)近表層的材料，通過檢測特征X射線的波長和強度對該微區(qū)的元素成分進行定性或定量分析，目前可檢測5～92號元素[14-16]。由于采用波長信號，該類設(shè)備分辨能力很強，能量分辨率為8 eV，遠低于能譜儀的130 eV，金屬元素的檢出限為0.001%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最優(yōu)檢測條件下)，即當(dāng)可檢范圍內(nèi)的金屬元素含量超過0.001%時，均可通過調(diào)整設(shè)備參數(shù)達到適當(dāng)條件對其含量進行分析。

在實際的檢測工作中，電子探針X射線分析儀可以輸出多種形式的檢測結(jié)果，其中元素面分布結(jié)果(即某種元素在材料檢測表面的分布情況以圖片的方式記錄下來)為研究以某種元素為標(biāo)的的結(jié)構(gòu)單元在材料中的分布情況，以及兩種或多種結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系提供了一種直觀的方法。

由于離子束截面拋光制備的試樣較為平整，因而可以減少或避免電子探針分析中由于z軸變化引起的檢出角變化，進而造成結(jié)果失真的現(xiàn)象。

2 試驗結(jié)果與討論

離子束截面拋光方法制備的SiCp/Al復(fù)合材料試樣表面平整，滿足電子探針儀各種成像模式對試樣的要求，通過分析反映材料高低起伏的EBSD形貌像表面信號，可知復(fù)合材料中各相結(jié)構(gòu)之間的高度差已不顯著，如圖4(a)～(b)所示。由圖4(c)～(d)可以確認,SiCp/Al復(fù)合材料中至少含有3種以上的相結(jié)構(gòu)。

圖4 離子束CP方法制備SiCp/Al復(fù)合材料的電子顯微形貌及表面粗糙度曲線Fig.4 The electron microscopical morphologies and surface roughness curve of SiCp/Al composite prepared by ion beam CP method:(a) EBSD topograph; (b) surface roughness curve; (c) secondary elecron image; (d) EBSD composition image

圖5 SiCp/Al復(fù)合材料中硅和碳元素的分布Fig.5 The distribution of Si and C elements in SiCp/Al composite:(a) EBSD composition image; (b) distribution of element Si; (c) distribution of element C

SiCp/Al復(fù)合材料中增強相顆粒的分布規(guī)律對復(fù)合材料的性能存在至關(guān)重要的影響[17]。分別以硅和碳兩種元素作為標(biāo)的進行EPMA面分布分析，由圖5可以看到，試驗用復(fù)合材料中增強相顆粒的分布相對均勻，兩種元素作為標(biāo)的的分析結(jié)果與反映材料結(jié)構(gòu)的背散射電子成分像的對應(yīng)性很好，說明該方法是可靠的。

由于試驗采用的基體材料是一種工業(yè)鋁合金，在加工過程中會形成一定數(shù)量的析出相，試驗證明這種析出相為Al17(Fe3.2Mn0.8)Si2。分別以鐵和錳兩種元素作為這一結(jié)構(gòu)單元的標(biāo)的進行EPMA面分布分析，結(jié)果如圖6所示，可見析出物沿擠壓方向呈條帶狀分布，兩種元素作為標(biāo)的的分析結(jié)果與反映材料結(jié)構(gòu)的EBSD成分像的對應(yīng)性很好，同時還剝離了復(fù)合材料中增強相顆粒的影響，得到了純粹的析出物分布結(jié)果。

3 結(jié)論

(1) SiCp/Al復(fù)合材料中包含多個結(jié)構(gòu)單元，表征不同結(jié)構(gòu)單元的分布規(guī)律對研究其相互關(guān)系和作用機制是不可或缺的試驗依據(jù)，以具有特征性的元素作為不同結(jié)構(gòu)單元的標(biāo)的，利用成分表征結(jié)構(gòu)信息，進而解析復(fù)合材料的相結(jié)構(gòu)，可以作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研究的一種方法。

(2) 離子束截面拋光結(jié)合電子探針儀分析提供了一種從試樣制備到取得結(jié)果相對完整的方法，其分析結(jié)果直觀、可靠，可推廣到相似復(fù)合材料的分析研究中。

(3) 鑒于現(xiàn)有EPMA的空間分辨率一般在微米、亞微米量級，尺度在納米量級的細小結(jié)構(gòu)目前尚不能采用該種方法進行分析。

[1] 張國定,趙昌正.金屬基復(fù)合材料[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1996.

[2] 郝元愷,肖加余.高性能復(fù)合材料學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[3] 王廣欣,劉慧民.金屬基復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1996.

[4] 樊建中,肖伯律,左濤,等.適合航空航天用SiCp/Al復(fù)合材料的性能[J].宇航材料工藝,2005,35(6):17-22.

[5] 吳人潔.金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀與展望[J].金屬學(xué)報,1997,33(1):78-84.

[6] 高玉紅,李運剛.金屬基復(fù)合材料的研究進展[J].河北化工,2006,29(6):51-54.

[7] 樊建中,肖伯律,徐駿,等.SiCp/Al復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展[J].材料導(dǎo)報,2007,21(10):98-101.

[8] KACZMAR J W,PIETRZAK K,WOSINSKI W.The production and application of metal matrix composite materials[J].Journal of Materials Processing Technology,2000,106(1):58-67.

[9] 張淑英,孟繁琴.顆粒增強金屬基復(fù)合的研究進展[J].材料導(dǎo)報,1996,10(2):66-71.

[10] LIU G,ZHANG G J,WANG R H,etal.Heat treatment-modulated coupling effect of multi-scale second-phase particles on the ductile fracture of aged aluminum alloys[J].Acta Materialia,2007,55(1):273-284.

[11] THOMAS M.Improvement of the mechanical properties of 2124 Al/SiCpMMC plate by optimisation of the solution treatment[J].Composites Science and Technology,1996,56(10):1141-1149.

[12] 董繼紅,董春林,欒國紅.7A60-T6超高強鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織及性能[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(8):516-521,537.

[14] 曾毅,吳偉,高建華.掃描電鏡和電子探針的基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2009.

[15] 吳園園,李玲霞,胡顯軍.電子探針分析方法及在材料研究領(lǐng)域的應(yīng)用[J].電子顯微學(xué)報,2010,29(6):574-577.

[16] 朱峰,伍超群,劉英坤.電子探針在6063鋁合金均勻化處理中的應(yīng)用[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(1):34-38.

[17] 酈定強,洪淳亨.增強體顆粒尺寸對SiCp/2124Al復(fù)合材料變形行為的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2000,34(3):342-346.

Application of CP-EPMA in Study of Phase Constitutes of SiCp/Al Composite

HU Ying1, 2, ZHANG Lan-ting1
(1. School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2. Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

There are difficulties in sample preparation and microstructure characterization of SiC particles reinforced Al-based (SiCp/Al) composite due to the complexity of phase constitutes and large difference in physical and chemical properties of the constituted phases. Ion beam cross-sectional polishing (CP) combined with electron probe microanalysis (EPMA) was successfully applied to characterize the detailed microstructure of SiCp/Al composite. The experimental results show that this method is effective, and the results are visual and reliable. The method was thus proven to be applicable to study the phase constitutes of the materials with a similar character.

ion beam cross-sectional polishing; electron probe microanalysis; SiCp/Al composite; phase constitute analysis

2015-10-31

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2012CB619600)

胡 瑩(1981-)，女，博士研究生，研究方向為復(fù)合材料。

張瀾庭(1968-)，男，教授，研究方向為高溫材料、能源轉(zhuǎn)換相關(guān)材料和計算材料學(xué)，lantingzh@sjtu.edu.cn。

10.11973/lhjy-wl201702006

TB3; TG115.21+5.7

A

1001-4012(2017)02-0101-04