离子束截面抛光-电子探针仪分析在SiCp/Al复合材料相结构研究中的应用

胡 莹, 张澜庭(. 上海交通大学 材料科学与工程学院, 上海 200240; 2. 宝山钢铁集团 中央研究院, 上海 20900)

离子束截面抛光-电子探针仪分析在SiCp/Al复合材料相结构研究中的应用

胡 莹1,2, 张澜庭1
(1. 上海交通大学 材料科学与工程学院, 上海 200240; 2. 宝山钢铁集团 中央研究院, 上海 201900)

SiC颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al),由于其结构复杂且各组成单元之间的物理、化学性质存在明显的差异，因而在试样制备、微观结构表征等工作中存在一定困难。利用离子束截面抛光(CP)制样技术结合电子探针X射线分析仪(EPMA)分析，提出了一种适宜解析这种复合材料微观相结构的方法。试验结果证实：该方法效果明显，结果直观、可靠；并可推广到类似材料的微观结构精细解析研究中。

离子束截面抛光；电子探针仪分析;SiCp/Al复合材料；相结构解析

SiC颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料是由陶瓷性增强相SiC颗粒和轻质铝合金通过一定工艺形成的一种复合材料[1]。因其具有比强度和比模量高、耐高温、耐磨、耐疲劳、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的综合性能[2-4]，所以广泛应用于航空航天、先进武器系统、汽车、光学精密仪器、电子和体育用品等领域[5-8]。

由于SiCp/Al复合材料是由多种结构单元组成的，其中包括作为增强相颗粒的SiC、基体铝在加工过程中形成的各种析出相和反应生成相等，这些结构单元在复合材料中的分布规律及其相互关系对材料的性能都会造成直接影响，是调整工艺、控制材料性能的基础，因而被广泛关注[9-12]。

由于各结构单元之间，特别是增强相SiC颗粒和基体铝之间在硬度、耐磨性、耐蚀性等方面存在很大差异，因而在机械磨抛和化学侵蚀的制样过程中,各相高低差异(图1为振动抛光后试样金相显微镜形貌和表面粗糙度测试结果)、界面优先腐蚀等可能引入假象的制样缺陷很难避免；同时不同的结构单元之间相互区分也存在一定的难度，在金相显微镜下观察，增强相颗粒、析出相以及可能存在的反应生成相均表现为不同灰度的色块，难以确定其所属(图1)，所以真实、有效地表征SiCp/Al复合材料中的各结构单元是研究该种复合材料性能和作用机理的基础。

图1 SiCp/Al复合材料振动抛光后的金相显微镜形貌和表面粗糙度Fig.1 The (a) metallographic microscope morphology and (b) surface roughness of SiCp/Al composite after vibration polishing

鉴于SiCp/Al复合材料各结构单元的化学元素组成不尽相同，设想指定一种或几种元素作为某一结构单元的标记元素，将相结构和化学组分结合起来解析该复合材料,或许是一种可行的方法。为此，笔者采用离子束截面抛光制样技术结合电子探针仪分析研究了SiCp/Al复合材料中的各相结构。

1 试样制备与试验方法

在比较了多种电子探针试样制备方法后，离子束截面抛光(Cross-section Polishing,CP)技术被确定下来。离子束截面抛光机是以氩离子束作为加工能量源，由试样的顶部射出，借助挡板的作用仅使试样的侧面暴露在离子束下，进而达到试样侧面被离子束清扫加工的目的，如图2所示。

图2 离子束CP示意图Fig.2 The schematic diagram of ion beam CP

由于离子束截面抛光的过程类似于切割，复合材料中性能各异的组成单元在离子束下的作用平面相对比较一致，研究证实[13]采用该方法制成的试样表面平整度较研磨-抛光试样有较大程度的提高。在以往加工过的材料中存在离子束截面抛光制备的试样未经化学侵蚀显微组织就已清晰显现的现象，采用某牌号的1系铝合金进行尝试，证明该方法是可行的，如图3所示。所以采用离子束截面抛光制样技术，可以避免该类复合材料因界面优先腐蚀而造成的结构丢失现象。

图3 离子束CP方法制备的1系铝合金试样晶粒形貌Fig.3 The grain morphology of the sery 1 aluminum alloy prepared by ion beam CP method

虽然离子束截面抛光方法制备试样的过程是离子束注入、切割的过程，会有一定程度的热影响，但由于在每一个时刻离子束注入体积较整个试样相差很大，使热量能够以较快的速率传导出去，所以离子束截面抛光方法制备试样的表面变形层会较研磨-抛光试样的有明显改善。离子束截面抛光过程中形成的难以完全消除的加工条纹虽然在采集图片时会影响图像质量，但这对结构或成分的电子显微分析——背散射电子衍射(EBSD)或波谱仪(WDS)分析并不会构成显著影响。

电子探针X射线分析仪(EPMA)是一种专门检测微区化学成分的分析仪器，利用经过加速和聚焦的、极窄的电子束作为能量注入源，轰击试样表面激发近表层的材料，通过检测特征X射线的波长和强度对该微区的元素成分进行定性或定量分析，目前可检测5～92号元素[14-16]。由于采用波长信号，该类设备分辨能力很强，能量分辨率为8 eV，远低于能谱仪的130 eV，金属元素的检出限为0.001%(质量分数，最优检测条件下)，即当可检范围内的金属元素含量超过0.001%时，均可通过调整设备参数达到适当条件对其含量进行分析。

在实际的检测工作中，电子探针X射线分析仪可以输出多种形式的检测结果，其中元素面分布结果(即某种元素在材料检测表面的分布情况以图片的方式记录下来)为研究以某种元素为标的的结构单元在材料中的分布情况，以及两种或多种结构单元之间的关系提供了一种直观的方法。

由于离子束截面抛光制备的试样较为平整，因而可以减少或避免电子探针分析中由于z轴变化引起的检出角变化，进而造成结果失真的现象。

2 试验结果与讨论

离子束截面抛光方法制备的SiCp/Al复合材料试样表面平整，满足电子探针仪各种成像模式对试样的要求，通过分析反映材料高低起伏的EBSD形貌像表面信号，可知复合材料中各相结构之间的高度差已不显著，如图4(a)～(b)所示。由图4(c)～(d)可以确认,SiCp/Al复合材料中至少含有3种以上的相结构。

图4 离子束CP方法制备SiCp/Al复合材料的电子显微形貌及表面粗糙度曲线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

图5 SiCp/Al复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复合材料中增强相颗粒的分布规律对复合材料的性能存在至关重要的影响[17]。分别以硅和碳两种元素作为标的进行EPMA面分布分析，由图5可以看到，试验用复合材料中增强相颗粒的分布相对均匀，两种元素作为标的的分析结果与反映材料结构的背散射电子成分像的对应性很好，说明该方法是可靠的。

由于试验采用的基体材料是一种工业铝合金，在加工过程中会形成一定数量的析出相，试验证明这种析出相为Al17(Fe3.2Mn0.8)Si2。分别以铁和锰两种元素作为这一结构单元的标的进行EPMA面分布分析，结果如图6所示，可见析出物沿挤压方向呈条带状分布，两种元素作为标的的分析结果与反映材料结构的EBSD成分像的对应性很好，同时还剥离了复合材料中增强相颗粒的影响，得到了纯粹的析出物分布结果。

3 结论

(1) SiCp/Al复合材料中包含多个结构单元，表征不同结构单元的分布规律对研究其相互关系和作用机制是不可或缺的试验依据，以具有特征性的元素作为不同结构单元的标的，利用成分表征结构信息，进而解析复合材料的相结构，可以作为复合材料结构研究的一种方法。

(2) 离子束截面抛光结合电子探针仪分析提供了一种从试样制备到取得结果相对完整的方法，其分析结果直观、可靠，可推广到相似复合材料的分析研究中。

(3) 鉴于现有EPMA的空间分辨率一般在微米、亚微米量级，尺度在纳米量级的细小结构目前尚不能采用该种方法进行分析。

[1] 张国定,赵昌正.金属基复合材料[M].上海:上海交通大学出版社,1996.

[2] 郝元恺,肖加余.高性能复合材料学[M].北京:化学工业出版社,2004.

[3] 王广欣,刘慧民.金属基复合材料的制备及力学性能[M].杭州:浙江大学出版社,1996.

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

[5] 吴人洁.金属基复合材料的现状与展望[J].金属学报,1997,33(1):78-84.

[6] 高玉红,李运刚.金属基复合材料的研究进展[J].河北化工,2006,29(6):51-54.

[7] 樊建中,肖伯律,徐骏,等.SiCp/Al复合材料在航空航天领域的应用与发展[J].材料导报,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] 张淑英,孟繁琴.颗粒增强金属基复合的研究进展[J].材料导报,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] 董继红,董春林,栾国红.7A60-T6超高强铝合金搅拌摩擦焊接头的组织及性能[J].理化检验-物理分册,2013,49(8):516-521,537.

[14] 曾毅,吴伟,高建华.扫描电镜和电子探针的基础及应用[M].上海:上海科学技术出版社,2009.

[15] 吴园园,李玲霞,胡显军.电子探针分析方法及在材料研究领域的应用[J].电子显微学报,2010,29(6):574-577.

[16] 朱峰,伍超群,刘英坤.电子探针在6063铝合金均匀化处理中的应用[J].理化检验-物理分册,2013,49(1):34-38.

[17] 郦定强,洪淳亨.增强体颗粒尺寸对SiCp/2124Al复合材料变形行为的影响[J].上海交通大学学报,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

国家重点基础研究发展计划资助项目(2012CB619600)

胡 莹(1981-)，女，博士研究生，研究方向为复合材料。

张澜庭(1968-)，男，教授，研究方向为高温材料、能源转换相关材料和计算材料学，lantingzh@sjtu.edu.cn。

10.11973/lhjy-wl201702006

TB3; TG115.21+5.7

A

1001-4012(2017)02-0101-04