EPMA在金屬材料分析與研究中的應(yīng)用

提供來源:上海百賀日期：2019年10月22日

簡述了微束分析儀器電子探針（EPMA）和掃描電鏡（SEM）的原理、功能及不同的特點。使用島津EPMA測試了低合金鋼表面的碳氮共滲、鎂合金表面腐蝕、鋁合金不同熱處理工藝下元素分布情況以及鎳合金表面滲碲的研究實驗，展示了微區(qū)原位分析儀器EPMA具有高分辨率和高靈敏度的特點。這些功能與特點使之在日常產(chǎn)品的測試、產(chǎn)品的及失效分析、工藝的制定和確認(rèn)以及基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域等各個層面都可以發(fā)揮重要的作用。

關(guān)鍵詞：電子探針碳氮共滲失效分析鎂鋁合金鎳基合金

前言

微束分析儀器比較常用和有代表性的是EPMA和SEM。它們都是使用聚焦很細(xì)的電子束照射被檢測樣品表面，使用波譜儀（WDS）或能譜儀（EDS）測量電子與樣品相互作用所產(chǎn)生的特征 X 射線的波長或能量與強(qiáng)度，從而對微小區(qū)域所含元素進(jìn)行定性或定量分析，并用二次電子或背散射電子等進(jìn)行形貌觀察。它們是現(xiàn)代材料顯微分析(微區(qū)成份、形貌和結(jié)構(gòu)分析)的有用儀器之一，應(yīng)用十分廣泛^[1]。

與SEM側(cè)重圖像觀察不同，EPMA以成分分析為主，采用WDS進(jìn)行元素成分分析。成分分析時電子束電流大，通常 EPMA 二次電子像分辨率較SEM略低，為6nm，EPMA-1720H配備高亮度CeBix燈絲分辨率達(dá)到5nm，EPMA-8050G場發(fā)射型可達(dá)3nm。EPMA 配有光學(xué)顯微鏡，用于直接觀察和尋找樣品分析區(qū)域，使樣品分析位置處于聚焦圓（羅蘭圓）上，以保證成分定量分析的準(zhǔn)確度。

島津具有多年的EPMA研發(fā)經(jīng)驗，其52.5°高檢出角及兼顧高靈敏度和高分辨率的全聚焦晶體，可在數(shù)μｍ級的微小區(qū)域到大90×90mm的廣域范圍中可進(jìn)行分析^[2]。

1 產(chǎn)品檢測

碳素鋼或低合金鋼通過表面處理，如滲碳處理后，在保持內(nèi)部具有一定韌性的基礎(chǔ)上，可以使表面具有更好的耐磨性。碳素鋼或低合金鋼經(jīng)過碳氮共滲后，表面的耐蝕性也得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，這種表面處理工藝在齒輪和軸等機(jī)械零部件中應(yīng)用非常廣泛。根據(jù)使用目的不同，表面碳和氮的表面濃度與滲層深度也會有所不同，測試和分析表面處理狀態(tài)是對產(chǎn)品檢驗基本的要求。

鋼中低碳的電子探針定量分析有一定的困難^[3]，而島津EPMA較高的檢出角對于低含量輕元素的測量具有明顯的優(yōu)勢。鋼中微量元素的定量分析使用EPMA的工作曲線法，通過建立工作曲線，可以把面分析和線分析的計數(shù)值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的質(zhì)量百分含量。

張曉菊等^[4]利用EPMA及OES等儀器測試對比，說明EPMA不僅能準(zhǔn)確測定滲碳層碳元素的含量,而且能直觀地反映出各滲碳工藝條件下樣件整個滲碳層碳元素含量的分布狀況。

通過面分析結(jié)果可知，C和N從表面到內(nèi)部，其微量濃度逐漸變化反映出其滲透過程；從對應(yīng)的線分析結(jié)果，也可以確認(rèn)其不同滲透深度及相應(yīng)的含量濃度，即表面層C含量約0.88%，N含量0.40%，硬化層深度約0.85mm（如圖1、圖2所示）。

2 失效分析

鎂合金AZ91D，屬于AZ系中AZ91系列合金，是高純牌號。它具有均衡的力學(xué)性能、鑄造性能和耐蝕性。某用戶此牌號薄壁件產(chǎn)品在放置一段時候后表面出現(xiàn)了點狀腐蝕暗斑。取表面試樣，使用島津EPMA進(jìn)行測試分析。

對不同位置處的點狀腐蝕暗斑測試，在腐蝕位置都檢測出集中分布的腐蝕性元素Cl、S等，合金鑄件中的這些元素溶劑可導(dǎo)致合金制品的耐腐蝕性能大幅度降低^[5]。

當(dāng)然，影響鎂鋁合金耐蝕性能的因素有許多，除腐蝕元素夾雜外，合金中的夾雜元素Fe、Ni、Co、Cu對鎂鋁合金的耐蝕性影響大；鎂鋁合金在海洋氣候環(huán)境下或酸雨環(huán)境中的抗蝕性也會大大降低；與合金本身的加工工藝、組織狀態(tài)等也有關(guān)系。

EPMA作為微區(qū)分析儀器，觀察和分析腐蝕位置處的特征，可以輔助評估究竟在原材料、工藝、處理狀態(tài)、運(yùn)輸、倉儲等哪一個具體的環(huán)節(jié)不符規(guī)范，終導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)失效現(xiàn)象或質(zhì)量問題。

另外，此鎂鋁合金中，用來提高拉伸性能的Zn和改善耐腐蝕性的Mn相對分布均勻，符合產(chǎn)品當(dāng)初設(shè)計要求。

3 工藝制定

作為汽車空調(diào)板外殼材料，鋁合金中添加了約5%含量的鋅，為了使得鋅在基體分布均勻，保持基體的連續(xù)和一致性，后續(xù)將進(jìn)一步進(jìn)行熱處理。使用不同溫度、時間和其他條件進(jìn)行熱處理試驗，為實際的生產(chǎn)尋找合適的工藝條件。每種試驗條件下的各元素特別是鋅的分布情況都需要測試，以確認(rèn)工藝的效果，并可藉此優(yōu)化下次試驗的工藝參數(shù)。

從Zn的面分布結(jié)果可以看出：相同的保溫時間20min，在其他工藝條件一致的情況下，隨著熱處理溫度的增加，Zn在整體趨勢上由聚集狀態(tài)逐漸向擴(kuò)散分布過度。在低溫階段Zn的變化尤為明顯，即從400到420再到450℃的溫度變化過程中，Zn的擴(kuò)散尤為迅速，到470℃基本分布均勻，此后隨溫度繼續(xù)升高Zn的擴(kuò)散速率減慢，分布更加均勻?；谶@樣的結(jié)果，結(jié)合實際的需求，即可選擇恰當(dāng)?shù)臏囟葏?shù)。

4 基礎(chǔ)研究

新型鎳鉻合金以的耐高溫、耐腐蝕和更好的高溫抗氧化性能受到廣泛關(guān)注，在核電應(yīng)用尤其是新一代反應(yīng)堆材料方面亦有著良好的應(yīng)用前景。研究發(fā)現(xiàn)核燃料裂變產(chǎn)物Te會導(dǎo)致鎳基合金產(chǎn)生晶間裂紋，因此作為基礎(chǔ)實驗，研究碲與鎳基合金的相互作用行為就顯得非常重要^[6]。實驗材料為鎳及鎳基合金，表面電鍍碲膜，在真空狀態(tài)中，通過不同時間不同溫度的熱處理，研究碲Te向基體的滲透情況。

從Te的面掃描結(jié)果來看，表層的Te在此種試驗條件下易向晶界偏聚，并沿著晶界向基體滲入，隨著滲入深度的不同，Te含量的輕微變化也能夠明顯的看的出來。這是因為EPMA具有更低的含量測試能力和更好的靈敏度，使其在微區(qū)微量的測試中可以得到廣泛的應(yīng)用，特別是在微量元素以及微量元素微小變化的檢測方面優(yōu)勢。

5 結(jié)語

1).零件表面碳氮共滲處理后，使用EPMA可直觀測出其表面硬化層深度約0.85mm；

2).腐蝕性元素Cl、S等富集存在，造成鎂鋁合金表面耐蝕性能降低；

3).20min控溫工藝條件下，熱處理溫度達(dá)到470℃可使鋁合金中添加的5%的Zn基本呈均勻分布狀態(tài)；

4).表面附著的Te在適當(dāng)?shù)臒崽幚砬闆r下，會向鎳合金的晶界偏聚，并沿著晶界向基體滲透；

5).EPMA的面分析結(jié)果具有很強(qiáng)的直觀性，其原位分析特征使之在金屬材料領(lǐng)域中，不管是基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)、工藝優(yōu)化、產(chǎn)品檢測及失效件分析等各方面都能發(fā)揮效用。

參考文獻(xiàn)

[1]龔沿東.電子探針(EPMA)簡介[J].電子顯微學(xué)報,2010,29(6):578

[2]島津.EPMA-1720樣本,EPMA-8050G樣本[M].京都:島津制作所

[3]毛允靜.鋼中低碳的電子探針定量分析[J].冶金分析.2003,23(1):59

[4]張曉菊等.齒輪滲碳層碳含量分布的電子探針定量分析方法探討[J].冶金分析,2016(1):1

[5]張新等.鎂合金腐蝕行為及機(jī)理研究進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2015,27(1):78-83