制取鑄造Al-Si合金EBSD樣品的方法

孫 剛，虞秀勇，劉 昊，陸 政，高文理，毛郭靈

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.北京市先進(jìn)鋁合金材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，北京 100095；3.中建八局第一建設(shè)有限公司，濟(jì)南 250000；4.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410082)

電子背散射衍射(Electron Backscattered Diffraction，EBSD)，又稱為取向成像顯微技術(shù)，可以用來分析樣品的晶體學(xué)取向，分析樣品的晶界、亞晶以及孿晶的性質(zhì)；定量分析晶粒尺寸及晶粒形狀等[1-3]。Al-Si合金具有良好的流動性，較低的熱膨脹系數(shù)，良好的耐腐蝕性、耐磨性及綜合力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和建筑行業(yè)，比如發(fā)動機燃油殼體，發(fā)動機缸套，新型建筑儲能材料等[4-7]。鑄造Al-Si合金的組織特征如圖1所示，Si相(包括共晶Si和初生Si)遍布在合金基體中[8]。EBSD是一種常見的觀察和分析組織的方法[9-12]。在進(jìn)行EBSD分析時，樣品制備是很關(guān)鍵的步驟，而由于Si相的存在，制取鑄造Al-Si合金EBSD樣品的難度較大，且在制樣過程中的注意事項不同于其他合金[13-16]。雖然目前利用EBSD分析鑄造Al-Si合金組織的研究較多，但還沒有關(guān)于對比分析各種EBSD制樣方法優(yōu)缺點的相關(guān)研究，因此，為更加深入理解和應(yīng)用各種EBSD制樣方法，本文對比分析了各種制取鑄造Al-Si合金EBSD樣品方法的優(yōu)點與不足，并以ZL114A合金為例，指出了各種方法對不同研究目的的適用性，希望能為之后鑄造Al-Si合金組織的研究提供一些值得借鑒的經(jīng)驗。

圖1 Al-Si合金的組織特征

1 制取鑄造Al-Si合金EBSD樣品的方法

1.1 電解拋光法

EBSD信息采集系統(tǒng)對樣品表面的應(yīng)力十分敏感，樣品表面若有很大的殘余應(yīng)力，則會導(dǎo)致EBSD觀察失敗，因此需要將EBSD樣品表面的殘余應(yīng)力盡可能減小。相比于變形合金，鑄造Al-Si合金鑄錠中的殘余應(yīng)力很小，因此，在樣品制取的過程中要盡可能避免在樣品表面生成應(yīng)力。電解拋光是應(yīng)用最為廣泛的制取鋁合金EBSD樣品的方法，該方法實驗周期短，操作簡單，成本低廉，圖2所示的是電解拋光所使用的電磁攪拌器、恒電位儀等儀器。電解拋光制取EBSD樣品的具體步驟如下：首先用標(biāo)準(zhǔn)金相制樣的方法制取樣品。需要對樣品表面進(jìn)行至少10 min的機械拋光，盡可能的去除由于砂紙打磨所留下的殘余應(yīng)力；其次電解拋光。電解拋光前，將樣品放置于超聲震蕩儀中震蕩幾分鐘，利用超聲波減少樣品表面的殘余應(yīng)力，同時清洗樣品表面，之后進(jìn)行電解拋光，腐蝕液為硝酸甲醇混合溶液，硝酸和甲醇的體積比為3∶7，實驗的最佳溫度為-25 ℃左右，電解拋光結(jié)束后，迅速將樣品放入超聲震蕩儀中清洗樣品。

圖2 電解拋光所使用的電磁攪拌器和恒電位儀

圖3給出了電解拋光方法制取的Al-Si合金EBSD樣品的表面形貌。從圖中可見，樣品表面存在很多凸起的Si相，這是由于硝酸和甲醇的混合溶液對Si的腐蝕作用很小而對基體的腐蝕作用很大，因此樣品被電解拋光之后，基體被大面積腐蝕，而Si相則會保留，便在樣品表面凸出，形成很多小平面。EBSD信息采集系統(tǒng)對不同平面十分敏感，鑄造Al-Si合金微觀組織中Si的凸出平面對EBSD所收集到的信息干擾很大，同時凸出的Si會阻擋部分信息的接收，因此所收集到的EBSD信息不能完全反映樣品表面的真實情況，存在比較多的壞點。同時，鑄造Al-Si合金中的Si相多分布于晶界處，因此，利用電解拋光的方法制取的EBSD樣品也不適宜被用來觀察和分析鑄造Al-Si合金的晶界組織。

圖3 電解拋光所制取的ZL114A合金樣品圖片

1.2 離子銑削法

離子銑削法也是制取鑄造Al-Si合金EBSD樣品的一種手段，它是利用離子槍激發(fā)離子束，在一定的角度下轟擊樣品表面，去除樣品表面的殘余應(yīng)力層而制得樣品的方法。具體步驟如下：首先將樣品線切割至0.5 mm厚度；其次利用砂紙打磨至30～100 μm，將樣品沖壓為Φ3 mm的小圓片，并將小圓片置于超聲震蕩儀中處理，去除樣品表面殘余應(yīng)力并清洗表面；最后將樣品置于離子減薄儀中進(jìn)行離子銑削。注意離子的能量要適宜，如果能量過大，會導(dǎo)致樣品溫度過高，樣品組織發(fā)生變化；選擇的角度要合適，若角度過大，會引起樣品彎折；若離子能量過小或角度過小，都會導(dǎo)致銑削速度變慢，實驗周期變長。離子銑削的方法是利用離子轟擊，將樣品表面的應(yīng)力層一點一點地剝離，實驗周期較長。圖4是離子減薄儀。在離子銑削過程中，離子轟擊對鑄造Al-Si合金樣品中組織的作用是相同，因此只要參數(shù)選擇合理，轟擊之后的樣品表面平整度好，不會出現(xiàn)如圖3所示的Si相凸起，EBSD信息采集系統(tǒng)所得到的信息能夠如實反映樣品表面的組織。然而，離子銑削的EBSD樣品可用于觀察的區(qū)域很小，如果需要對某些合金的特定組織進(jìn)行定量統(tǒng)計，則該方法可能不適用，例如鑄造Al-Si合金的晶粒尺寸粗大，而EBSD樣品的可觀察的區(qū)域較小，因此很難被用來統(tǒng)計晶粒的尺寸。而且，離子銑削制取鑄造Al-Si合金EBSD樣品時選擇離子束的能量大小和角度需要較豐富的經(jīng)驗，操作有一定的難度，樣品制取的周期相對較長，也需要專業(yè)的離子減薄設(shè)備，制樣成本較高。

圖4 離子減薄儀

1.3 震動拋光法

震動拋光是指將樣品放于工作容器中，研磨介質(zhì)經(jīng)過機器的不斷震動翻滾研磨樣品表面，去除樣品表面的毛刺、氧化皮雜質(zhì)以及應(yīng)力層等，使樣品表面足夠光亮，從而能被用來進(jìn)行EBSD觀察與分析。具體步驟如下：首先將鑄錠線切割到EBSD觀察指定尺寸，鑲制樣品使其尺寸滿足震動拋光儀所需尺寸并用標(biāo)準(zhǔn)金相制樣的方法制取樣品。需要對樣品表面進(jìn)行至少10 min的拋光；其次進(jìn)行震動拋光；最后將制備好的樣品從鑲制的模具中取出來，放入EBSD信息采集系統(tǒng)中觀察，圖5為實驗中使用的震動拋光儀。研磨介質(zhì)在對鑄造Al-Si合金表面進(jìn)行研磨時，對不同組織的作用是相同的，因此震動拋光后的樣品表面平整度好，且光潔度高，不會出現(xiàn)如圖3所示的Si相凸起，EBSD信息采集所得到的信號能夠如實反映樣品表面的信息。樣品尺寸較大，可以用于組織的定量分析。但由于研磨介質(zhì)是通過不斷震動翻滾對樣品進(jìn)行打磨，速度較慢，除了要打磨掉毛刺、氧化皮，還要將樣品表面的應(yīng)力層打磨干凈，因此實驗周期相比于前兩種方法長。震動拋光后取出鑲制樣品的過程中需要注意對樣品表面的保護(hù)，操作復(fù)雜；同樣需要專用的震動拋光設(shè)備，制樣成本介于電解拋光和離子銑削之間。此外，由于Si相的硬度較高高，所以實驗的成功率最低。

圖5 震動拋光儀

綜上所述，3種制備Al-Si合金EBSD樣品的方法各有優(yōu)缺點。電解拋光制取鑄造Al-Si合金樣品的實驗周期短、操作簡單容易實現(xiàn)、成本低廉，是一種簡單方便的制取鑄造Al-Si合金EBSD樣品的方法，但該樣品不適宜被用來觀察和分析晶界組織。離子銑削制取的鑄造Al-Si合金EBSD樣品質(zhì)量好，EBSD信息采集系統(tǒng)所得到的信號能夠如實反映樣品表面的信息，但不適合用于某些組織的定量分析，制樣周期較長，操作需要較豐富經(jīng)驗且有一定的難度，成本最高。震動拋光制取的鑄造Al-Si合金EBSD樣品質(zhì)量好，EBSD信息采集系統(tǒng)所得到的信號能夠如實反映樣品表面的信息，樣品尺寸大，可以用于組織的定量分析，成本中等，但操作較為復(fù)雜，儀器最不常見，制樣周期最長，實驗成功率最低。

2 ZL114A合金EBSD分析

ZL114A合金是由我國北京航空材料研究院自主研發(fā)的亞共晶Al-Si合金，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)和汽車制造工業(yè)，如導(dǎo)彈掛架、發(fā)動機齒輪箱、汽車輪轂等。現(xiàn)以ZL114A合金為例，采用上述方法制取EBSD樣品，并對樣品的組織進(jìn)行對比分析。

2.1 電解拋光法制取ZL114A合金EBSD樣品

選擇硝酸甲醇混合溶液作為電解拋光腐蝕液，硝酸和甲醇的體積比為3∶7，參數(shù)選擇：電壓為13 V，時間為17～18 s，溫度為-25 ℃左右。第二步砂紙打磨和機械拋光的質(zhì)量直接影響實驗的成敗。圖6(低倍數(shù))和7(高倍數(shù))是采用電解拋光方法制取的樣品的EBSD圖。

圖6 采用電解拋光的方法制取的ZL114A合金的EBSD圖(低倍數(shù))[14]

如圖6所示，晶粒的大小和形貌都可以很清楚的識別，利用常用的晶粒統(tǒng)計方法和軟件(如IPP軟件、隨機線切割法等)便可以定量分析晶粒尺寸。如圖7(a)黑色方框所標(biāo)記，樣品表面有很多Si相凸起，EBSD圖中Si相的顏色有可能是其本身的顏色，也有可能是EBSD系統(tǒng)沒有識別出來的壞點。重力鑄造得到的ZL114A合金鑄錠，其EBSD圖中Si相的顏色不同，表明其形核核心不同[15,17-19]。圖7(b)是添加了0.18wt.%Y的ZL114A合金的EBSD圖，其Si相的顏色增加，表明添加Y后共晶Si的形核核心增多。有研究表明利用該方法制取Al-Si合金的EBSD樣品，其Si相的信息只有一半可以作為分析的依據(jù)[17]，因此只能定性分析共晶Si的形核核心。晶界由圖7(a)黑色箭頭標(biāo)示，如圖7(a)黑色方框所示，凸起的共晶Si導(dǎo)致晶界處有很多不該出現(xiàn)的色塊，因此該方法制取的EBSD樣品不適合用來觀察與分析晶界組織。

圖7 采用電解拋光的方法制取的ZL114A合金的EBSD圖(高倍數(shù))

可見，與前文相符，采用電解拋光的方法制取的ZL114A合金EBSD樣品，可以用來定量分析晶粒形貌與尺寸，定性分析Si相形核核心，但不適合用來觀察與分析晶界組織。

2.2 離子銑削制取ZL114A合金EBSD樣品

將準(zhǔn)備好的Φ3 mm，厚80 μm的ZL114A合金樣品放入離子減薄儀中進(jìn)行離子銑削，在離子銑削過程中，需通過不斷觀察，根據(jù)當(dāng)次實驗的實際情況調(diào)節(jié)參數(shù)，所以參數(shù)不是一成不變的，其調(diào)節(jié)的原則為電壓逐漸變小，角度逐漸變小，時間逐漸變短。本文的實驗過程電壓-角度-時間參數(shù)調(diào)整順序為：4.5 V-±10°-4 h→4.2 V-±8°-3 h→4.0 V-±6°-2 h→3.5 V-±3°-1 h。圖8是采用離子銑削方法制取的ZL114A合金樣品的EBSD圖。如圖8所示，初生α-Al和Si相的顏色很明顯，樣品的EBSD圖片質(zhì)量好，沒有凸起Si相，可以準(zhǔn)確的分析Si相的取向關(guān)系，即可以定量分析共晶Si形核核心。對比圖8(a)和(b)，隨著Y的加入，Si相的色塊變多，表明添加Y引起Si相的形核核心增多；如圖8(b)黑色方框所示，色塊大小、形狀、分布清晰，可以準(zhǔn)確分析晶界組織。但可以用于觀察的位置很小且晶粒尺寸大，很難采集多組數(shù)據(jù)而對晶粒進(jìn)行定性分析，即不適合用來觀察與分析晶粒形貌和尺寸。

圖8 采用離子銑削的方法制取的ZL114A合金的EBSD圖[15]

可見，與前文相符，采用離子銑削方法制取的ZL114A合金EBSD樣品，可以用來定量分析共晶Si的形核核心，可以準(zhǔn)確分析晶界組織，但不適合用來觀察與分析晶粒形貌和尺寸。

對比圖7和圖8，樣品相同，所采用的制取EBSD樣品的方法不同，但在定性分析ZL114A合金共晶Si形核核心時，所得到結(jié)論相同，添加Y，ZL114A合金共晶Si的形核核心增多。

2.3 震動拋光制取ZL114A合金EBSD樣品

將鑲制好的樣品放入震動拋光儀中，用0.05 μm的氧化鋁拋光介質(zhì)拋光6 h，之后再用20 nm的硅膠拋光液進(jìn)行精拋18 h。震動拋光所需時間取決于當(dāng)次實驗樣品砂紙打磨和機械拋光的質(zhì)量。圖9是采用震動拋光的方法制取的合金EBSD圖。

圖9 采用震動拋光的方法制取的EBSD圖[16]

可見，樣品表面沒有如圖3所示的Si相凸起存在，色塊清晰，樣品的質(zhì)量好，晶粒的大小和形貌可以很清楚地識別。如圖9(a)和(b)中白色方框所示，Si相所對應(yīng)的色塊邊界、大小、形狀清晰，可以用來定量分析Si相的形核核心；晶界如圖9(a)和(b)中白色箭頭所示，可以準(zhǔn)確分析晶界組織。與前文相符，震動拋光是3種方法中對樣品信息分析最全面(晶粒尺寸、形核核心及晶界組織)，但受限于操作復(fù)雜，周期長，實驗成功率低。

綜上所述，EBSD是常用的觀察和分析Al-Si合金組織(比如晶粒形貌、大小，共晶Si形核核心等)的方法，但目前存在的3種BESD樣品制備方法，各有利弊，因此需要研究者在觀察與分析Al-Si合金組織時，依據(jù)不同的分析對象、不同的分析精度選擇不同的EBSD樣品制備方法。

3 結(jié) 論

1)電解拋光法實驗周期短、操作簡單、成本低廉，但不適宜觀察和分析合金的晶界組織；離子銑削法能獲得完全的樣品表面信息，但不適合用于某些組織的定量分析，且制樣周期較長，操作有一定的難度，成本最高；震動拋光法制備的EBSD樣品能如實反映樣品表面的全部信息，但操作較為復(fù)雜，儀器不常見，制樣周期長，實驗成功率相對較低。

2)以ZL114A合金為例，實測了3種方法制備的樣品的EBSD分析，結(jié)果表明：與上述的描述相符，3種方法制備的樣品所能完成的組織分析不同，因此，在觀察與分析Al-Si合金組織時，應(yīng)依據(jù)不同的分析對象、不同的分析精度選擇不同的BESD制樣方法。