一种纳米梯度结构材料表层EBSD样品的制备方法与流程

本发明属于电镜样品制备技术领域，具体涉及一种纳米梯度结构材料表层ebsd样品的制备方法。

背景技术：

上世纪九十年代以来，装配在扫描电镜上的电子背散射花样(electronback-scatteringpatterns，简称ebsp)晶体微区取向及晶体结构的分析技术取得了较大发展，已在材料微观组织结构及微织构表征中得到广泛应用。该技术又被称为电子背散射衍射(electronbackscattereddiffraction，简称ebsd)。该技术是基于扫描电镜中电子束在倾斜样品表面激发出并形成的衍射菊池带的分析，进而确定晶体结构、取向及相关信息的方法，在晶体材料的组织表征和分析中有着重要的作用。在钢铁材料中，ebsd主要应用于物相、组织鉴定、取向分析、微织构分析、晶界分析、晶粒度测量等。

纳米梯度结构材料是通过对材料结构单元的多级筑构，使材料的结构单元尺寸(如晶粒尺寸或层片厚度)在空间上呈现梯度变化，从纳米尺度连续增加到宏观尺度。材料一部分由纳米结构组成，一部分由粗晶结构组成，这种结构尺寸的梯度变化有别于不同特征尺寸结构(如纳米晶粒、亚微米晶粒、粗晶粒)的简单混合或复合，有效避免了结构特征尺寸突变引起的性能突变，使材料的整体性能和使役行为得到优化和提高。因此，纳米梯度结构材料成为近年来新的研究热点。

ebsd技术对样品表面要求较为严格，表面清洁平整、有良好的导电性、不存在应力，因此不容易制备。然而，纳米梯度结构材料表层ebsd样品的制备则难度更大。这是因为，对于纳米梯度结构材料，材料表层的梯度结构是研究的重点，这就要求研究者在制备纳米梯度结构材料表层ebsd样品的过程中，首先要保证材料表层的梯度结构在整个样品制备过程中不被破坏，其次要能够完全去除样品表面的应力层，以确保梯度结构材料表层的纳米晶区域也可以获得清晰的ebsd花样。目前ebsd的样品制备方式主要有：机械抛光、电解抛光、氩离子抛光、聚焦离子术(fib)、振动抛光等等。其中，氩离子抛光、fib、振动抛光均可以较好的去除样品表面的应力层获得较好的菊池花样，是制备纳米梯度结构材料表层ebsd样品的理想方式，但是存在制样时间长、价格昂贵、对样品尺寸要求苛刻等问题；机械抛光操作起来较为简单且成本很低，但是存在易划伤试样表面、存在残余应力等问题，对于梯度结构材料表层的细晶区域，ebsd花样识别率很低；电解抛光是ebsd制样比较常用的手段，但是对于纳米梯度结构材料，研究者需要在制样前对样品进行电镀或者镶嵌处理，以保护材料表面的梯度结构，但是经镶嵌或者电镀后的梯度结构样品若再经电解抛光处理，会造成保护层(镀层或镶嵌材料)与基体有若干个微米的高度差，导致ebsd在样品最表层几个微米标定的时候引起信号遮挡，损失表面梯度层内极为有价值的信息。

技术实现要素：

鉴于纳米梯度结构材料表层ebsd样品制备的特殊性和目前这种材料表层ebsd样品制备上的不足，本发明提供一种操作简单、快速、成本低、抛光效果好的纳米梯度结构材料表层ebsd样品的制备方法，解决了纳米梯度材料最表层微米尺度区域内标定时保护层遮挡信号的问题。

本发明提供的一种纳米梯度结构材料表层ebsd样品的制备方法，包括如下步骤：

(1)电镀：配制镀液，将经过清洗后样品放入镀液中进行电镀。

(2)砂纸研磨：将试样进行金相砂纸打磨，用水作为润滑剂；

(3)机械抛光：对砂纸打磨过的样品采用金刚石抛光液进行机械抛光；

(4)短时间电解抛光：配制电解抛光液，将样品表面浸入抛光液内进行短时间电解抛光。

本发明所述的梯度材料表层ebsd样品制备工艺适用于绝大多数金属材料，对于不同种类的金属，只需将步骤(1)中的镀液及步骤(4)中的电解抛光液改成适合本类金属的即可。

本发明所述步骤(1)中的镀液及电镀的具体工艺视纳米梯度材料具体的金属种类而定，电镀时间视所需求的镀层厚度而定。

本发明所述步骤(2)中碳化硅水砂纸使用型号依次为400目、800目、1000目、2000目、3000目、5000目，在磨完一道次后，要将样品研磨方向旋转90度，使下一道次样品的研磨方向与上一道次垂直，以完全去除上一道次研磨留下的划痕。

本发明所述步骤(3)中金刚石抛光液使用的粒度依次为2.5μm、1μm、0.25μm，其中，粒度2.5μm和1μm的抛光时间为1-2分钟，粒度0.25μm的抛光时间适当延长至3-4分钟。同样，在抛光完一道次后，要将样品旋转90度。

本发明所述步骤(3)中抛光采用全自动磨抛机，润滑剂为水，抛光机的转速为70-80rpm，抛光过程中每间隔1min加入20ml的水。

本发明所述步骤(4)中的电解抛光液及抛光电流密度视纳米梯度材料具体的金属种类而定，但抛光时间需作控制，取该种金属传统电解抛光工艺抛光时间的1/3-1/5。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：样品的纳米梯度结构在整个样品制备过程中得到很好的保护，抛光后的样品待测面呈镜面状态，平整清洁无污染、不存在应力层、ebsd花样识别率高，且在标定表面细晶区时不再存在信号遮挡问题，使研究者不会损失样品表面有价值的信息；而且，此综合抛光工艺操作简单、制样周期短、成本低廉、抛光稳定性好、适用于大批量的样品制备。

附图说明

图1为经电镀后的纳米梯度结构材料表层样品示意图

图2为纳米梯度结构材料样品经传统电解抛光后的表层扫描照片

图3为纳米梯度结构材料样品经传统电解抛光后的ebsd标定结果(图中白色部分是背散射电子信号被保护层遮挡的结果)

图4为纳米梯度结构材料样品经本发明方法抛光后的ebsd标定结果

具体实施方式

下面以具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本发明提供的一种纳米梯度结构齿轮钢表层ebsd样品的制备方法，钢的牌号为18crnimo7-6，该钢的化学成分质量百分比如下：c:0.15-0.21％、si:0.17-0.35％、mn:0.5-0.9％、s:≤0.015％、cr：1.5-1.8％、ni：1.4-1.7％、mo:0.25-0.35％、h≤2.0ppm，具体包括如下步骤：

(1)电镀：配制纳米晶镀液，以镍板为阳极，经清洗后的样品为阴极，与直流稳压电源相连，将样品放入镀液中进行电镀，将样品的待测面正对镍板。纳米晶镀液的配方为硫酸镍280g/l、氯化镍15g/l、硼酸35g/l、十二烷基硫酸钠0.2g/l、1.4-丁炔乙醇0.7g/l、糖精1g/l，所有化学药品都采用分析纯试剂，质量分数分别为98.5％、98％、99.5％、85％、98％、98％。电镀电流密度为2.5a每平方微米，电镀时间12h。

(2)砂纸研磨：采用手工磨制试样，用水作为润滑剂，将试样依次经过400目、800目、1000目、2000目、3000目、5000目碳化硅水砂纸磨光，每次所用不同型号的砂纸粗磨的时间为1min，在研磨时每换一次砂纸要将试样沿同一方向转动90度。

(3)机械抛光：对砂纸打磨过的样品进行机械抛光，抛光采用自动抛光机，用不同粒度的金刚石抛光液进行抛光，依次用2.5μm、1μm、0.25μm粒度的抛光液，抛光时间前两个粒度为1-2min，粒度0.25μm的抛光时间可适当延长至3-4min，抛光过程中每间隔1min加入20ml的水，抛光机的转速为70-80rpm，注意，试样在整个抛光过程中不能用力过大，手持试样主要以水平方向固定试样为主，试样的抛光主要以试样自身的重力为主。同样，在抛光时每换一个粒度的抛光液后，要将试样沿同一方向转动90度。

(4)短时间电解抛光：配制电解抛光液，以不锈钢片为阴极，经清洗后的样品作为阳极，与直流稳压电源相连，将样品表面浸入抛光液内进行抛光。电解抛光液配方为1:9的高氯酸酒精溶液，其中，高氯酸、酒精均采用化学纯或分析纯的试剂，体积分数为分别为8％和99.7％。电解抛光的电流密度控制在1.25-2.5a/cm²，抛光时间控制在3-5s。

将清洗吹干后的试样采用jeoljsm-7800f场发射扫描电镜的ebsd系统对纳米梯度18crnimo7-6齿轮钢表层试样的表层区域进行标定。测试结果如图3，试样最表面不存在信号遮挡，细晶区花样良好，样品整体标定率达90％以上，效果良好。

最后要说明的是，以上实施案例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施案例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。