基于TiAl合金TEM样品的低毒双喷液及其薄区的制备方法与流程

基于tial合金tem样品的低毒双喷液及其薄区的制备方法
技术领域
1.本发明涉及tial合金组织表征技术领域，具体涉及一种基于tial合金tem样品的低毒双喷液及其薄区制备方法。


背景技术：

2.航空发动机叶片长期处于高温、高压、高转速、交变负载等十分恶劣的服 役环境而被认为是第一关键件，被誉为“皇冠上的明珠”。减重是航空发动机永恒不变的主题，发动机高转速使每个叶片承受十几吨的离心载荷，叶片减重一半，可使离心力相应降低一半，对盘和轴的承力要求也降低一半。
3.tial合金是目前唯一能够在600℃以上氧化环境长期使用的轻质金属材 料，其理论密度只有3.9，而 ni 基高温合金约为8.5，用tial替代 ni 基高温合金减重效益巨大。2011 年，美国波音公司率先使用ti-48al-2nb-2cr（即4822 合金）替代 ni 基高温合金用作波音787飞机 genx tm
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1b 发动机最后两级低压涡轮叶片，使发动机减重约400磅。该发动机与之前的同级别不用tial 合金叶片发动机相比，节油20%，降噪50%，氮氧化物排放减少80%，成为当时航空界和材料界的轰动性进展。
4.tial合金成功应用于叶片前需要大量性能考核和组织分析，tem表征分析是组织分析中的重要部分。tial合金进行tem样品减薄的传统双喷液的配比为高氯酸：正丁醇：甲醇=5~7：33~35：60（体积比）（p, shang, t. t , et al. high-resolution electron microscopy of steps on misfitting lamellar γ-α2 interfaces in a ti-44at.% al-8at.% nb alloy[j]. philosophical magazine letters, 2000.）（li d , zhang g , lu g , et al. precipitation of ti 2 al phases at lamellar interfaces in a high-nb-containing tial alloy during thermal exposure[j]. journal of materials science & technology, 2022.）（zhang d y , li h z , liang x p , et al. microstructure characteristic for high temperature deformation of powder metallurgy ti
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47al
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2cr
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0.2mo alloy[j]. materials & design, 2014, 59(jul.):415-420.）。该配方中，正丁醇具有轻毒性，沸点117.6 ℃。大鼠吸入正丁醇26428mg/m3，4h中毒（急性毒性）；大鼠吸入0.8mg/m3，每周24h，4个月后它们的肝肾功能会异常（慢性毒性）。甲醇具有轻毒性，沸点64.8℃，易挥发，甲醇蒸气能损害人的呼吸道粘膜和视力。大鼠吸入甲醇50mg/m3，3个月内每天吸12h，在8～10周内可见到气管、支气管粘膜损害，大脑皮质细胞营养障碍等（慢性毒性）。高氯酸虽然具有强腐蚀性，但沸点高达203 ℃，不易挥发，就不容易被人体吸入，长期使用相对安全。传统配方中甲醇含量最高，且挥发性最强，最易被人体吸入，使用者连续使用传统双喷液减薄3h就会出现呼吸道不适和喉咙疼痛等症状。


技术实现要素：

[0005]
针对以上背景技术的实际应用需求，本发明旨在提出一种基于tial合金tem样品的低毒双喷液及其薄区的制备方法，保证tem图片组织衬度优异，无腐蚀坑的同时保证双喷
液绿色环保，适合实验人员长期安全使用。
[0006]
为了实现上述技术目的，本发明提出一种基于tial合金tem样品的低毒双喷液，该双喷液由如下体积比的组分组成，高氯酸：无水乙醇=（8~12）:（88~92）。
[0007]
一种基于tial合金tem样品的薄区的制备方法，包括以下步骤：（1）配制双喷液，双喷液由如下体积比的组分组成，高氯酸：无水乙醇=（8~12）:（88~92）；（2）tem小圆片制备：将tial合金样品打磨至80μm以下，压片机压成φ3mm的小圆片；（3）双喷制备薄区：以双喷液进行减薄，减薄器作阴极，上述小圆片放入模具中作阳极，电流设置10~20ma，两个相对的喷头流出的水流在下方5-10mm处汇聚，向减薄器水池中加液氮使温度为-30~-20℃，插入带小圆片的模具开始减薄，待小圆片透光穿孔后结束减薄。
[0008]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）高氯酸挥发性低，不易被实验人员吸入损害健康，易挥发的无水乙醇毒性也低，该双喷液绿色环保。
[0009]
（2）制备的tem样品薄区质量好，片层界面清晰，各片层衬度明显，满足tem明场像、hr-tem明场像等照片质量要求；薄区面积大，可进行多种统计方面研究。
附图说明
[0010]
图1是实施例1中减薄后的钛铝合金样品拍摄的tem明场像拼图。
[0011]
图2是实施例1中减薄后的钛铝合金样品拍摄的hr-tem明场像。
[0012]
图3是对比例1中减薄后的钛铝合金样品拍摄的tem明场像。
具体实施方式
[0013]
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
[0014]
本发明从绿色环保着手，致力于摸索出一种低毒的双喷液配方及合适的减薄工艺，且能达到良好的tem表征效果，保证tem图片组织衬度优异，没有腐蚀坑。发明人致力于寻找低毒性的替换溶剂。对传统双喷液而言，对金属小圆片起抛光和腐蚀作用的主要是高氯酸。甲醇作为一种溶剂，与强酸有很好的相容性（h2o不能达到这个效果），它另一个主要作用是充当导热介质，给混合液体降温（高氯酸是一种易制爆化学品，不宜剧烈振动及加热）。正丁醇的存在是减少甲醇的挥发性，并作为助溶剂更好的混合甲醇与高氯酸。本发明人在保留强腐蚀性高氯酸的前提下，试图用各种醇类溶剂替换甲醇，并做了保留正丁醇和不保留的对比实验，最终发现无水乙醇和高氯酸两种溶剂混合的低毒双喷液也能达到良好的减薄效果。易挥发的无水乙醇毒性极低，大鼠在37620mg/m3浓度环境下吸入10h才会急性中毒，毒性小于甲醇与正丁醇，发明人连续使用新双喷液减薄3h无任何不适症状。
[0015]
本发明双喷液由如下体积比的组分组成，高氯酸：无水乙醇=（8~12）:（88~92），其中，高氯酸挥发性低，不易被实验人员吸入损害健康，易挥发的无水乙醇毒性也低，该双喷液绿色环保。若高氯酸比例过高，腐蚀性过强，制备的薄区组织会有腐蚀坑。
[0016]
使用mtp
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磁力驱动双喷电解减薄器制备薄区时，电流设置为10~20ma，电流过大会使小圆片很快被腐蚀穿孔且孔隙较大，薄区制备成功率低，电流过大还会给样品带来腐蚀坑，影响tem照片质量；电流太小腐蚀出的孔太小，可tem表征的薄区面积小。两个相对的喷头流出的水流在下方5-10mm处汇聚，水流流速若过快，对小圆片冲击腐蚀效果大，容易使小圆片很快穿孔且孔隙较大，没有薄区。减薄温度设置为-30~-20℃，温度高于-20℃，腐蚀液腐蚀速率过高，容易使小圆片很快穿孔且孔隙较大，没有薄区。温度若过低，腐蚀速率极慢，影响透光观察和样品减薄效率。
[0017]
实施例1（1）配制双喷液，双喷液由如下体积比的组分组成，高氯酸：无水乙醇=10:90；（2）tem小圆片制备：将tial合金样品打磨至80μm以下，压片机压成φ3mm的小圆片；（3）双喷制备薄区：使用mtp
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磁力驱动双喷电解减薄器进行减薄，减薄器作阴极，小圆片放入模具中作阳极。电流设置20ma，两个相对的喷头流出的水流在下方8mm处汇聚，向减薄器水池中加液氮使温度为-30℃，插入带小圆片的模具开始减薄，待小圆片透光穿孔后结束减薄。
[0018]
如图1，减薄后拍摄的tem明场像拼图视场很大，表明可拍摄的薄区面积大，这对统计类的组织研究帮助极大。片层组织清晰，各片层衬度差异明显，组织没有腐蚀坑。图2的高分辨tem图片也显示了清晰可辨的原子排列，说明减薄的样品也能满足高分辨表征的需求。使用该配方的双喷液连续减薄3h无身体不适症状。
[0019]
实施例2（1）配制双喷液，双喷液由如下体积比的组分组成，高氯酸：无水乙醇=12:88；（2）tem小圆片制备：将tial合金样品打磨至80μm以下，压片机压成φ3mm的小圆片；（3）双喷制备薄区：使用mtp
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磁力驱动双喷电解减薄器进行减薄，减薄器作阴极，小圆片放入模具中作阳极。电流设置20ma，两个相对的喷头流出的水流在下方8mm处汇聚，向减薄器水池中加液氮使温度为-30℃，插入带小圆片的模具开始减薄，待小圆片透光穿孔后结束减薄。
[0020]
结果发现，减薄后tem可拍摄的薄区面积大。片层组织清晰，各片层衬度差异明显，组织没有腐蚀坑。减薄的样品也能满足高分辨表征的需求。使用该配方的双喷液连续减薄3h无身体不适症状。
[0021]
实施例3（1）配制双喷液，双喷液由如下体积比的组分组成，高氯酸：无水乙醇=8:92；（2）tem小圆片制备：将tial合金样品打磨至80μm以下，压片机压成φ3mm的小圆片；（3）双喷制备薄区：使用mtp
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磁力驱动双喷电解减薄器进行减薄，减薄器作阴极，小圆片放入模具中作阳极。电流设置20ma，两个相对的喷头流出的水流在下方8mm处汇聚，向减薄器水池中加液氮使温度为-30℃，插入带小圆片的模具开始减薄，待小圆片透光穿孔后结束减薄。
[0022]
结果发现，减薄后tem可拍摄的薄区面积大。片层组织清晰，各片层衬度差异明显，
组织没有腐蚀坑。减薄的样品也能满足高分辨表征的需求。使用该配方的双喷液连续减薄3h无身体不适症状。
[0023]
实施例4（1）配制双喷液，双喷液由如下体积比的组分组成，高氯酸：无水乙醇=10:90；（2）tem小圆片制备：将tial合金样品打磨至80μm以下，压片机压成φ3mm的小圆片；（3）双喷制备薄区：使用mtp
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磁力驱动双喷电解减薄器进行减薄，减薄器作阴极，小圆片放入模具中作阳极。电流设置10ma，两个相对的喷头流出的水流在下方8mm处汇聚，向减薄器水池中加液氮使温度为-30℃，插入带小圆片的模具开始减薄，待小圆片透光穿孔后结束减薄。
[0024]
结果发现，减薄后tem可拍摄的薄区面积大。片层组织清晰，各片层衬度差异明显，组织没有腐蚀坑。减薄的样品也能满足高分辨表征的需求。使用该配方的双喷液连续减薄3h无身体不适症状。
[0025]
实施例5（1）配制双喷液，双喷液由如下体积比的组分组成，高氯酸：无水乙醇=10:90；（2）tem小圆片制备：将tial合金样品打磨至80μm以下，压片机压成φ3mm的小圆片；（3）双喷制备薄区：使用mtp
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磁力驱动双喷电解减薄器进行减薄，减薄器作阴极，小圆片放入模具中作阳极。电流设置20ma，两个相对的喷头流出的水流在下方8mm处汇聚，向减薄器水池中加液氮使温度为-20℃，插入带小圆片的模具开始减薄，待小圆片透光穿孔后结束减薄。
[0026]
结果发现，减薄后tem可拍摄的薄区面积大。片层组织清晰，各片层衬度差异明显，组织没有腐蚀坑。减薄的样品也能满足高分辨表征的需求。使用该配方的双喷液连续减薄3h无身体不适症状。
[0027]
实施例6（1）配制双喷液，双喷液由如下体积比的组分组成，高氯酸：无水乙醇=10:90；（2）tem小圆片制备：将tial合金样品打磨至80μm以下，压片机压成φ3mm的小圆片；（3）双喷制备薄区：使用mtp
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磁力驱动双喷电解减薄器进行减薄，减薄器作阴极，小圆片放入模具中作阳极。电流设置20ma，两个相对的喷头流出的水流在下方5mm处汇聚，向减薄器水池中加液氮使温度为-30℃，插入带小圆片的模具开始减薄，待小圆片透光穿孔后结束减薄。
[0028]
结果发现，减薄后tem可拍摄的薄区面积大。片层组织清晰，各片层衬度差异明显，组织没有腐蚀坑。减薄的样品也能满足高分辨表征的需求。使用该配方的双喷液连续减薄3h无身体不适症状。
[0029]
对比例1（1）配制双喷液，双喷液由如下体积比的组分组成，高氯酸：无水乙醇=10:90；（2）tem小圆片制备：将tial合金样品打磨至80μm以下，压片机压成φ3mm的小圆片；
（3）双喷制备薄区：使用mtp
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磁力驱动双喷电解减薄器进行减薄，减薄器作阴极，小圆片放入模具中作阳极。电流设置30ma，两个相对的喷头流出的水流在下方8mm处汇聚，向减薄器水池中加液氮使温度为-30℃，插入带小圆片的模具开始减薄，待小圆片透光穿孔后结束减薄。
[0030]
结果发现，该工艺减薄成功率低，减薄成功的样品的tem明场像有密集的微小腐蚀坑，照片质量差，如图3。这是因为电流过大，过腐蚀的结果。
[0031]
对比例2（1）配制双喷液，双喷液由如下体积比的组分组成，高氯酸：无水乙醇=15:85；（2）tem小圆片制备：将tial合金样品打磨至80μm以下，压片机压成φ3mm的小圆片；（3）双喷制备薄区：使用mtp
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磁力驱动双喷电解减薄器进行减薄，减薄器作阴极，小圆片放入模具中作阳极。电流设置20ma，两个相对的喷头流出的水流在下方8mm处汇聚，向减薄器水池中加液氮使温度为-30℃，插入带小圆片的模具开始减薄，待小圆片透光穿孔后结束减薄。
[0032]
结果发现，该工艺减薄成功率低，减薄成功的样品的tem明场像有密集的微小腐蚀坑，照片质量差。这是因为双喷液配方中高氯酸比例过大，过腐蚀的结果。
[0033]
对比例3（1）配制双喷液，双喷液由如下体积比的组分组成，高氯酸：正丁醇：无水乙醇=10:33:57；（2）tem小圆片制备：将tial合金样品打磨至80μm以下，压片机压成φ3mm的小圆片；（3）双喷制备薄区：使用mtp
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磁力驱动双喷电解减薄器进行减薄，减薄器作阴极，小圆片放入模具中作阳极。电流设置20ma，两个相对的喷头流出的水流在下方8mm处汇聚，向减薄器水池中加液氮使温度为-30℃，插入带小圆片的模具开始减薄，待小圆片透光穿孔后结束减薄。
[0034]
结果发现，减薄后tem可拍摄的薄区面积大。片层组织清晰，各片层衬度差异明显，组织没有腐蚀坑。减薄的样品也能满足高分辨表征的需求。但是该配方中正丁醇毒性大于无水乙醇，再不影响使用效果情况下，尽量不使用正丁醇。