一种钛铝基合金EBSD分析用样品的电解抛光制备方法与流程

本发明属于有色金属分析技术领域，具体涉及一种钛铝基合金ebsd分析用样品的电解抛光制备方法。

背景技术：

自上世纪90年代，以扫描电镜技术为基础的电子背散射花样晶体微区取向和晶体结构分析技术发展迅猛，并实现其在材料微观组织结构表征中的广泛应用。该技术被称为电子背散射衍射技术，英文名称electronbackscattereddiffraction，以下简称ebsd技术。关于该技术的起源可以追溯至上世纪20年代左右，人们在扫描电子显微镜中观察方解石时，无意中发现了二次衍射花样，称之为菊池花样，该发现奠定了ebsd技术的理论基础。在之后的40～50年里，该技术的发展似乎一直被搁置。直到上世纪70年代，该技术开始突飞猛进地发展，人们首先发现了背散射电子衍射高角菊池带，80～90年代，dingley和hjelen等人将计算机技术应用于标定取向的ebsd设备，推动了该技术的商业化应用。到上世纪90年代，该技术与能谱技术、原位技术以及计算机技术的结合更加紧密，使得ebsd成为在材料组织结构方面一种不可替代的重要的分析测试技术。

几乎与ebsd技术的发展在同一阶段，钛铝基合金也走入了实验室，其作为一种金属间化合物，具有低密度、高强度、高比强、高自振频率、抗高温氧化、高使用温度等优良特点，被认为是可以替代ni基高温合金而大量应用的最具前景的高温结构材料。钛铝基合金发展到今日已经颇具规模，并实现工业应用。然而，也正是由于其金属间化合物的本征脆性特征，在其研发和应用过程中一直面临着一些制备加工方面的困难。当材料的发展遇到瓶颈时，需要以强大的理论研究进行攻坚，实践-理论-实践-理论的交替前进模式是材料科学发展的永恒路径。ebsd技术广泛应用于钛铝基合金组织分析表征也是在近十年左右，该技术对于钛铝基合金的加工制备，无论是铸造、热变形加工，还是粉末冶金等，通过对相、晶界、取向、织构行为等的考察，对该合金的加工制备具有重要指导意义，已经成为该合金研发过程中不可或缺的分析表征手段。

根据ebsd技术原理，为获得可行的高质量的ebsd数据和图像，ebsd样品制备是非常关键的步骤。在ebsd测试过程中，入射能量与样品表面呈70°倾斜角，在样品表层约50nm厚度范围内形成一个衍射区，要求该区域内晶格没有应变、没有污染以及氧化层等，否则将无法进行检测或者图像质量极差而无法使用。对于金属或合金的ebsd样品，表面处理方法包括机械抛光法、化学腐蚀法、离子减薄法和电解抛光法。机械抛光法对样品表层应力祛除效果相对较差，对于钛铝基合金而言，需较长抛光时间；化学腐蚀法极易造成钛铝基合金各相腐蚀不均的情况，使得表层高低不平，严重影响ebsd测试结果；离子减薄法成功率很高，标定率通常可以达到90％以上，但该方法处理面积较小，尤其对于铸造钛铝基合金等大晶粒或者要求在较大范围内寻找典型组织的测试情况不适用；相比之下，电解抛光法不失为钛铝基合金ebsd试样理想的制备方法，该方法设备成本低、简单便携，操作容易，可根据测试需求制备较大尺寸样品，通过合理控制电解抛光过程中的工艺参数，制样成品率可接近100％。

目前，根据专利显示，国内对金属及合金ebsd样品电解抛光方法的研究相对较少，现有的资料中也大部分是关于fe基合金和al基合金，也有少量关于有色金属和特种合金的报道。桂林电子科技大学研发的用于ebsd测试的42crmo钢铸辗成形环件试样的制备方法，专利公开号为cn106896009a，试样首先进行标准金相处理，电解抛光采用自制设备进行，电压为25v～30v，电流为0.6ma～0.8ma，时间为50s～60s；河钢股份有限公司研发的一种低碳钢ebsd分析用样品的制备方法，样品首先也进行标准金相处理，然后采用高能氩离子束轰击样品待测面40min～120min，该方法设备昂贵，制备面积较小；二重集团(德阳)重型装备股份有限公司研发的镍基合金电解电解液及其抛光方法，磷酸50％～75％(体积比)，硫酸8％～15％、硫氰酸铵1％～5％、1,4丁炔二醇5％～15％、丁二酮肟1％～8％、聚乙二醇1％～5％、瓜尔豆胶1％～3％，该电解液配合以合适的抛光工艺使得抛光后可的装备耐腐蚀性能得以提高，但并未提及处理后样品用于ebsd检测分析；重庆理工大学研发的一种电解抛光制备双相锆合金ebsd样品的方法，样品同样首先进行标准金相处理，接下来于5％～12％高氯酸、65％～80％甲醇、10％～25％乙二醇单丁醚以及-25℃左右、20v电压和20s～100s条件下进行电解抛光，ebsd测试可获得高标定率。目前，尚无关于钛铝基合金电解抛光制备样品方法的详细解说，鉴于ebsd分析测试技术在钛铝基合金中的重要应用价值，亟待建立一套完整的钛铝基合金ebsd测试用试样的电解抛光制备方法。

技术实现要素：

本发明旨在建立一套完整的ebsd用钛铝基合金试样电解抛光制备方法，该方法设备体系简单，实用性强，操作简便，制备效果好，具有很好的经济效益和推广价值。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种钛铝基合金ebsd分析用样品的电解抛光制备方法，包括如下步骤：

(1)样品前期处理

采用线切割或水刀切取试样，线切割慢走丝；切取样品尺寸在10mm×10mm×5mm以下，其中5mm为样品高度的极限值，该方向即样品测试过程中的nd方向；擦拭掉表面油污，两个底面采用40#～400#砂纸打磨，其中一个面即测试面按照标准金相制备法继续采用800#～7000#砂纸打磨，并先进行机械抛光；接下来，采用酒精、丙酮超声振荡彻底清洗表面油污；

(2)便携装置搭建

电解抛光设备的组成部分包括电源、磁力搅拌器、导线及不锈钢板、温度计、腐蚀液及液氮；搭建方法为：导线一端连接不锈钢板置于烧杯底部，该导线另一端连接电源负极，烧杯中放入电解液，并采用液氮进行降温和温度计测温、采用磁力搅拌器对电解液搅拌，电源正极通过导线和镊子连接待抛光试样；

(3)电解液配置

按照体积比，高氯酸4％～12％，甲醇55％～65％，正丁醇余量；

(4)电解处理和清洗干燥

钛铝基合金样品作为阳极，不锈钢板作为阴极，开启电源和磁力搅拌器，样品采用镊子夹持，置于电解液中，将待抛光面与不锈钢板相对；电解抛光过程中，温度控制在-30℃～-20℃，电压控制在25v～35v，抛光时间控制在40s～55s；抛光后立刻放入无水乙醇中，并立即进行超声振荡，再置于丙酮中进行超声振荡；最后用镊子夹起并快速用风机吹干表面。

优选的，步骤(1)中切取的样品尺寸(5～7)mm×(3～6)mm×(2～4)mm，其中(2～4)mm为高度方向，即ebsd测试的nd方向，样品长宽不一致以利于识别ebsd测试的rd方向。

优选的，步骤(2)中，根据样品大小和试样具体情况，烧杯容积为1l，电解液总共配置700ml，配合10cm直径不锈钢板置于电解液底部作为阴极，不锈钢板与导线连接部分采用生胶带和防腐蚀胶布两层以上包裹。

优选的，阴极不锈钢板选择304不锈钢材质。

优选的，步骤(3)中，按照体积比，高氯酸5％～7％，甲醇60％，正丁醇余量。

优选的，步骤(4)中，电压控制为30v。

优选的，步骤(4)中，电解抛光开始时温度控制在-30℃～-25℃，电解抛光时间为45s～50s。

优选的，步骤(4)中，电解抛光过程中，磁力搅拌器位于电解液底部，调节磁力搅拌器，使转子带动电解液形成上下贯穿的漩涡，带去抛光过程中附着于样品表面的气泡，改善抛光效果。

优选的，步骤(4)中，电解抛光过程中，采用镊子夹持样品，距离不锈钢板的高度应使得截面积0.6cm²～1cm²的样品，其初始电流在0.9a～1.2a范围。

本发明的优点及有益效果是：

(1)本发明处理样品面积大，适合于不同加工方法制备的各成分和各测试目的的钛铝基合金。

(2)本发明操作简便灵活，不受场地设施等限制，抛光效果好，成品率高。

(3)本发明设备便携，可移动性强，成本低，便于推广。

附图说明

图1为机械抛光和电解抛光样品宏观形貌：其中试样“①”为热模拟压缩实验后切取的片状试样经标准金相处理、机械抛光后表面形貌；试样“②”为热模拟压缩实验后切取的片状试样经标准金相处理、机械抛光、电解抛光后表面形貌；试样“③”为室温拉伸实验后选取的片状试样经标准金相处理、机械抛光、电解抛光后表面形貌；试样“④”为高温拉伸实验后长条片状试样经标准金相处理、机械抛光、电解抛光后表面形貌。

图2为②号样品中心区域ebsd测试结果：(a)衬度图；(b)唯一晶粒颜色图；(c)γ主相极图。

图3为③号样品中心区域ebsd测试结果：(a)欧拉角图；(b)相图。

图4为④号样品中心区域ebsd测试结果：(a)动态再结晶图；(b)反极图。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明钛铝基合金ebsd分析用样品的电解抛光制备方法包括如下步骤：

(1)样品前期处理：

钛铝基合金作为一种金属间化合物质地坚硬，硬度可达hrc50～hrc60，且室温下较脆，可采用线切割或水刀切取试样(线切割时慢走丝，以便于后续打磨)，样品不宜采用铣床、车床和磨床加工。切取的besd样品尺寸通常在10mm×10mm×5mm以下，其中的5mm为样品高度的极限值，样品的高度方向也是测试过程中的nd方向(法向)。优选的，切取的besd样品尺寸(5～7)mm×(3～6)mm×(2～4)mm，其中(2～4)mm为高度方向，样品长宽尺寸差异利于识别“rd”方向。

接下来，擦拭掉表面油污，采用磨盘或砂带机或手工方式将样品两个底面采用40#～400#砂纸打磨，其中的一个面在ebsd测试过程中接触导电胶(打磨掉线切割痕迹可保证测试过程中导电性良好)，另一个面继续采用800#～7000#砂纸打磨后备于电解抛光。优选的，步骤(1)中样品测试面最终采用7000#砂纸打磨，并首先进行机械抛光至表面光亮无划痕，这样有利于进一步提升后续电解抛光效果。事实表明，该面处理越光亮则越有利于后来的电解抛光效果。接下来，采用酒精、丙酮在超声振荡下彻底清洗表面油污。

(2)便携装置搭建：

电解抛光设备搭建简易，便携性强。主要组成部分包括便携电源(最高输出电压超过50v)、便携式磁力搅拌器、导线及不锈钢板、温度计等。搭建方法为：不锈钢板置于烧杯底部并连接外部带有绝缘包裹的导线，该导线的另一端连接电源负极，烧杯中放入电解液并采用液氮对其进行降温、温度计对其测温，电源正极通过导线和镊子等连接待抛光试样。

根据样品大小和具体试样情况，经验优选烧杯容积为1l，配合合适的电解液体积(达到理想的液面高度)700ml，利于电解抛光效果。阴极不锈钢板选择304不锈钢材质即可，直径为10cm。不锈钢板与导线连接部分一定包裹好，可采用生胶带和防腐蚀胶布多层包裹，一旦电解液渗入，则导线将变为阴极，严重影响电解抛光效果。

(3)电解液配置：

按照体积比，高氯酸4％～12％，甲醇55％～65％，正丁醇余量。注意配置过程中，应将高氯酸倒入其他两种液体中以避免发生飞溅。

(4)电解处理和清洗干燥：

钛铝基合金样品作为阳极，不锈钢板作为阴极，开启电源和磁力搅拌器，样品用镊子夹持，置于电解液中，将待抛光面与烧杯底部的不锈钢板相对。温度控制在-30℃～-20℃，电压控制在25v～35v，时间控制在40s～55s。抛光后立刻放入无水乙醇中，也将抛光用镊子快速涮洗。然后立刻将样品现在无水乙醇中进行超声振荡，再移至丙酮中进行超声振荡。最后用镊子夹起并快速用风机吹干，避免表面留下污渍。样品用干净的滤纸包裹或在样品管中存放，鉴于钛铝基合金特性，不必对样品采取防氧化措施。

电解抛光过程中，采用镊子夹持样品，距离不锈钢板的高度应使得截面积大约0.6cm²～1cm²的样品其初始电流大小在0.9a～1.2a范围(样品距离不锈钢板越近则电流越大)。

现结合具体实施例来详细描述本发明，借此将本发明优点和特点描述更加清楚，但这些实施例并不对本发明的范围构成任何限制。

实施例1

本实施例中，对于采用gleeble热模拟试验机进行高温压缩的钛铝基合金，采用电解抛光方法制备ebsd分析用样品，包括如下步骤：

(1)样品准备：

首先在饼状样品中心处沿压缩方向线切割下厚度为0.5mm的薄片状试样，由于样品小而薄，需走丝缓慢以减小线切割痕迹深度；擦拭掉线切割样品表面油污，对切下的薄片状样品两面均采用40#～800#砂纸打磨，其中一面(测试面)则要求继续采用标准金相法1000#～5000#砂纸打磨；将薄样品用502胶粘于铁块表面进行机械抛光至表面光亮，然后用丙酮浸泡取下薄片样品，将其在酒精和丙酮中超声振荡充分洗净备用。机械抛光后样品形貌如图1中①号样品。

(2)电解抛光实验准备：

按高氯酸5％，甲醇60％，正丁醇35％(均为体积比)配置电解电解液700ml；按照发明内容(2)步骤搭建电解抛光实验平台，电解液至于1l烧杯中，倒入液氮使电解液冷却至-25℃左右；开启电源调至30v，开启磁力搅拌器，用镊子夹持试样，准备好秒表计时，准备进行电解抛光。沿长端方向夹持，方可对整个长条形表面有效抛光。

(3)电解处理和清洗干燥：

开始电解抛光，计时时间为45s；镊子夹持样品至于电解液中，使得初始电流为1.1a左右，抛光过程中水平移动试样，但避免进入漩涡区域，随着时间推移，发现电流逐渐减小至1a以下；到规定时间立即取出试样放入酒精中，并尽快进行超声波振荡清洗5min，接下来再置于丙酮中超声振荡5min；用干净的镊子取出样品后迅速用风筒吹干表面，避免留下印记；样品采用滤纸或者样品管收纳，备于ebsd分析。电解抛光后的样品如图1的②号样品所示。从图1的①和②号样品可以看出，电解抛光后的样品表面看起来并不比机械抛光的光亮，根据经验这属于正常现象，反倒是电解抛光后表面特殊光亮的样品无法进行后续ebsd测试。

(4)ebsd测试电解抛光效果：

采用1000×放大倍数和0.35μm步长对电解抛光样品进行分析测试。结果表明图像标定率达到95％以上(结果中的未识别区域由样品本身缺陷造成)，图2为根据测试结果做出的衬度图、唯一晶粒颜色图和主相γ相的极图。

从此实施例可以看出，该钛铝基合金ebsd分析用样品的电解抛光制备方法，操作简便，效果显著。

实施例2

本实施例中，对于经过室温拉伸的片状钛铝基合金工字件，采用电解抛光方法制备ebsd分析用样品，包括如下步骤：

(1)样品准备：

用钳子在标距处掰下小块，约6mm×5mm×1.9mm(1.9mm为样品高度，作为ebsd测试中的nd方向)，样品两个6mm×5mm面本身比较光滑(工字件两面已采用800#砂纸打磨)，如上将测试面进行标准金相处理，采用1000#～7000#砂纸打磨；采用试样夹夹持样品进行机械抛光；然后将样品在酒精和丙酮中超声振荡充分洗净备用。

(2)电解抛光实验准备：

按高氯酸7％，甲醇59％，正丁醇34％(均为体积比)配置电解电解液700ml；按照发明内容(2)步骤搭建电解抛光实验平台，电解液至于1l烧杯中，倒入液氮使电解液冷却至-30℃；开启电源调制30v，开启磁力搅拌器，镊子夹持试样，准备好秒表计时，准备进行电解抛光。

(3)电解处理和清洗干燥：

开始电解抛光，开始计时，时间为50s；镊子夹持样品置于电解液中，使得初始电流为1.2a左右，抛光过程中横向移动试样，随着时间推移，发现电流也逐渐减小至1a以下；到规定时间立即取出试样放入酒精中，并超声波振荡清洗4min，接下来再置于丙酮中超声振荡5min；用干净的镊子取出样品后迅速用风筒吹干表面；样品采用滤纸或者样品管收纳，备于ebsd分析。电解抛光后的样品如图1的③号样品所示。从图1的①和③号样品也可以看出电解抛光后的样品表面并不比机械抛光的光亮，与实例1中的情况相似。

(4)ebsd测试电解抛光效果：

仍然采用1000×放大倍数和0.35μm步长对电解抛光样品进行分析测试。结果表明图像标定率达到96％以上，图3为根据测试结果做出的欧拉角图和相图。

从此实施例可以看出，该钛铝基合金ebsd分析用样品的电解抛光制备方法，操作简单，效果良好。

实施例3

本实施例中，对于经过高温拉伸的片状钛铝基合金工字件，采用电解抛光方法制备ebsd分析用样品，包括如下步骤：

(1)样品准备：

对于高温拉伸样品，由于该实验条件下发生了超塑性变形，样品的标距部分呈长条状，用钳子掰下小块，约10mm×3mm×0.5mm(10mm长度方向即rd方向，也是拉伸方向)；如上，将其中一个10mm×3mm非测试面氧化层磨去，对测试面进行标准金相处理，采用800#～7000#砂纸打磨，粘于金属块表面进行机械抛光；抛光完毕，取下样品在酒精和丙酮中超声振荡洗净备用。

(2)电解抛光实验准备：

按高氯酸6％，甲醇60％，正丁醇34％(均为体积比)配置电解电解液700ml；按照发明内容(2)步骤搭建电解抛光实验平台，电解液置于1l烧杯中，倒入液氮使电解液冷却至-27℃左右；开启电源，电压调至30v，开启磁力搅拌器，镊子夹持试样，准备好秒表计时，准备进行电解抛光。对于这类长条状样品，一定用镊子夹持样品长端方可对整个长条形表面有效抛光。

(3)电解处理和清洗干燥：

开始电解抛光，计时时间为45s；镊子夹持样品置于电解液中，使得初始电流为1.0a左右，抛光过程中横向移动试样，随着时间推移，发现电流也逐渐减小至约0.5a左右；到规定时间立即取出试样放入酒精中，并超声振荡清洗5min，接下来再置于丙酮中超声振荡4min；用干净的镊子取出样品后迅速用风筒吹干表面；样品采用滤纸或者样品管收纳，备于ebsd分析。电解抛光后的样品如图1的④号样品所示。从图1的①和④号样品也可以看出电解抛光后的样品表面看起来并不比机械抛光的光亮，与实例1中的情况相似。

(4)ebsd测试电解抛光效果：

采用1000×放大倍数和0.4μm步长对电解抛光样品进行ebsd测试结果表明，图像标定率达到98％以上，图4为根据测试结果做出的动态再结晶图和反极图。

从此实施例可以看出，该钛铝基合金ebsd分析用样品的电解抛光制备方法，操作简便，效果优良，且不受样品形状变化影响。