高質(zhì)量硬質(zhì)合金ebsd樣品的制備

高質(zhì)量硬質(zhì)合金ebsd樣品的制備

電子反射源（ebsd）。普通硬質(zhì)合金金相實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品的表面平整度和清潔度等要求不甚嚴(yán)格,輕微的劃痕、污染或應(yīng)力對(duì)物相分析、晶(相)界和晶粒生長(zhǎng)方式的影響并非決定性;然而對(duì)于EBSD樣品,則要求表面平整無(wú)劃痕、“新鮮”無(wú)污染、無(wú)應(yīng)力或氧化、導(dǎo)電性能良好等。相對(duì)而言普通金相制樣是“粗礦式”的,而EBSD樣品則是“超精細(xì)式”的。如何獲取精細(xì)的硬質(zhì)合金EBSD樣品是將EBSD技術(shù)應(yīng)用于硬質(zhì)合金領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的問(wèn)題。目前,常用的EBSD制樣方法有機(jī)械制樣、化學(xué)腐蝕、電解拋光、離子減薄、聚焦離子束等1研磨/拋光儀實(shí)驗(yàn)采用的主要儀器設(shè)備有裝配EBSD系統(tǒng)的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡,金相鑲樣儀,自動(dòng)研磨/拋光儀,切割機(jī),振動(dòng)拋光儀等。制備硬質(zhì)合金EBSD樣品的主要流程包括:金屬切割,金相鑲樣,機(jī)械研磨,機(jī)械拋光,振動(dòng)拋光,樣品清洗,樣品保存,樣品夾固。2.1樣品表面距離的測(cè)定對(duì)于壓制的硬質(zhì)合金樣品,EBSD實(shí)驗(yàn)對(duì)其尺寸、形狀及方向沒(méi)有必須的規(guī)定,但綜合考慮鑲樣在SEM樣品室內(nèi)活動(dòng)空間局限性,探頭到樣品表面距離(DD)有固定的校準(zhǔn)位置以及最佳工作距離(WD)等因素,如圖1中樣品、極靴及EBSD探頭三者之間的位置關(guān)系,通常要求樣品形狀規(guī)正,大小在毫米尺寸范圍內(nèi)。將切割好的樣品放入鑲樣儀,保持測(cè)試面水平放置,鑲樣尺寸要求與后續(xù)步驟的夾具配套。可同時(shí)制備多個(gè)樣品,成排放置,以便在電鏡腔室內(nèi)換樣操作。鑲樣厚度依賴于電鏡系統(tǒng)的幾何位置關(guān)系(圖1b),通常要求低于15mm。2.2復(fù)合非ebsd金相制樣磨盤的制備機(jī)械研磨和拋光是制備EBSD樣品的關(guān)鍵步驟。表面無(wú)劃痕、無(wú)污染物、無(wú)破損的EBSD硬質(zhì)合金樣品制備過(guò)程中,要求不與其他非EBSD金相制樣混用磨盤和拋光布,每完成一道研磨/拋光用清潔劑和水徹底清潔樣品、夾具和研磨/拋光盤。研磨盤及研磨時(shí)間對(duì)wc晶粒破碎的影響機(jī)械研磨涉及的重要參數(shù)有磨盤粒度、研磨轉(zhuǎn)速、加載壓力和研磨時(shí)間。硬質(zhì)合金具有高硬度但韌性較差的特點(diǎn),且相對(duì)礦物、鋼材等其他材料硬質(zhì)合金晶粒尺寸較小(通常為微米級(jí)),因而參數(shù)選擇很重要。經(jīng)多次的試驗(yàn)獲得了如下參數(shù):采用金剛石研磨盤(70μm,45μm,20μm)逐級(jí)研磨,研磨時(shí)間為3~10min/道(時(shí)間逐級(jí)略增,以消除劃痕,例如3min,5min,8min);加載壓力過(guò)大易造成WC晶粒的破碎,如圖2(a)所示,30~25N最優(yōu);磨盤轉(zhuǎn)速200~300n/min。要求每完成一道研磨,認(rèn)真清洗磨盤、夾具、樣品。超精細(xì)織物拋光拋光是由具有不同回彈性的拋光布配合不同磨料實(shí)現(xiàn)的。硬性拋光布使試樣表面平整且拋光效率高,軟性拋光布使樣品表面細(xì)膩、缺陷少。拋光布面料多樣,以STRUER拋光布為例,通常采用硬性拋光布配合大尺寸拋光液(如金剛石,15~3μm)高效拋光,如帆布、尼龍、粗纖維織物等;采用軟拋光織物配合小尺寸拋光液(如金剛石,3~1μm)精細(xì)拋光,如100%羊毛織物、呢絨、天然絲綢等;最后選擇柔軟且高回彈性的合成短絨毛織物或多孔氯丁橡膠進(jìn)行超精細(xì)氧化物拋光。本實(shí)驗(yàn)采用:緞面機(jī)織物拋光布配9μm金剛石拋光液、機(jī)織纖維醋織物拋光布配3μm金剛石拋光液、合成毛絨拋光布配1μm金剛石拋光液,依次拋光。拋光時(shí)間5min/道,加載壓力15~30N,拋光盤轉(zhuǎn)速200~300n/min;最后,采用多孔氯丁橡膠拋光布配0.02μm硅溶膠懸浮液,手動(dòng)或低速(~180n/min)拋光5min。拋光要求徹底清潔每一道拋光之后的樣品和夾具,避免將磨料帶入下一道拋光,造成難以消除的大尺寸劃痕,如圖2(b)所示。2.3振動(dòng)拋光時(shí)間對(duì)表面質(zhì)量的影響振動(dòng)拋光的作用:1)去除機(jī)械研磨和拋光帶來(lái)的表面應(yīng)力;2)去除氧化層;3)依據(jù)拋光液的規(guī)格,略帶腐蝕作用。機(jī)械拋光后,硬質(zhì)合金的表面質(zhì)量受振動(dòng)拋光時(shí)間影響非常大。時(shí)間太短,達(dá)不到去除機(jī)械應(yīng)力及晶界輕微腐蝕效果;時(shí)間過(guò)長(zhǎng),造成Co明顯流失或相界過(guò)度腐蝕,同時(shí)樣品表面粘附的雜質(zhì)顆粒難以徹底清潔。圖3(a)和(b)分別是振動(dòng)拋光60min后的硬質(zhì)合金表面和振動(dòng)拋光120min后的涂層硬質(zhì)合金表面,樣品均經(jīng)過(guò)仔細(xì)清潔。圖3(a)和(b)中紅色箭頭所示分別為過(guò)度腐蝕留下的Co坑和過(guò)度腐蝕的WC/Ti(CN)/Al2.4涂層表面的測(cè)定樣品清洗是制樣的另一關(guān)鍵步驟。樣品在機(jī)械研磨/拋光和振動(dòng)拋光之后,表面粘附有各種雜質(zhì),如磨粒、拋光劑其他成分、石蠟潤(rùn)滑劑、鑲樣粉、合金粉等。采用清潔劑、酒精、去離子水等對(duì)樣品進(jìn)行徹底清洗,獲得“一塵不染”、“新鮮”的樣品表面。圖4(a)為機(jī)械制樣方法獲得的高質(zhì)量硬質(zhì)合金表面,表面平整,晶粒清晰,晶界明顯,無(wú)劃痕,無(wú)污染物;圖4(b)為機(jī)械制樣方法獲得的涂層硬質(zhì)合金表面,表面平整,相界分明,晶粒形貌清晰,無(wú)污染物,無(wú)劃痕,無(wú)嚴(yán)重腐蝕坑。清洗工作通常需要結(jié)合掃描電鏡表面分析,再次或多次清洗,直至露出樣品本來(lái)表面形貌。2.5樣品臺(tái)側(cè)放位置及尺寸測(cè)量樣品清洗結(jié)束后,即刻放入掃描電鏡真空室內(nèi),以保持表面“新鮮”,避免氧化和污染。如果需要暫時(shí)保存,則將樣品放入真空干燥箱內(nèi)。值得注意的是長(zhǎng)時(shí)間放置影響表面質(zhì)量,最好選擇在EBSD實(shí)驗(yàn)前制備樣品。在獲得高質(zhì)量樣品表面的基礎(chǔ)上,將樣品固定牢靠、防止電子圖像漂移對(duì)獲得高質(zhì)量EBSD結(jié)果是非常重要的。由于硬質(zhì)合金樣品的質(zhì)量及鑲樣后的尺寸都比較大,在傾斜70°后重力作用、導(dǎo)電性能以及導(dǎo)電膠的變形恢復(fù)等因素的影響下,樣品圖像十分容易產(chǎn)生漂移,尤其是在高倍率下,這將造成EBSD結(jié)果發(fā)生拉伸、壓縮或扭曲等各種變形。圖5(a)~圖5(b)、圖5(c)~圖5(d)分別為某樣品A和樣品B的SEM圖像、EBSD晶粒取向圖。圖(b)中紅色箭頭1·和2·所示晶粒分別對(duì)應(yīng)圖(a)中紅色箭頭1和2所示晶粒。由于EBSD數(shù)據(jù)采集過(guò)程中發(fā)生漂移,WC晶粒明顯被拉伸,且在SEM圖像上的相對(duì)位置發(fā)生偏離。圖(d)中晶粒被嚴(yán)重扭曲,且與圖(c)中晶粒形貌完全不符合。圖像漂移嚴(yán)重影響了EBSD數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。為解決圖像漂移問(wèn)題,對(duì)圖1中的兩種樣品臺(tái)進(jìn)行了改進(jìn)。如圖2(a)所示,在預(yù)傾斜樣品臺(tái)側(cè)放位置開槽,在平放位置加大了承載面,依據(jù)樣品形狀及檢測(cè)面的不同,可用分別用于金相鑲樣和未鑲嵌的小樣品,樣品臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩用的同時(shí)減小重力影響對(duì)圖像漂移的貢獻(xiàn);圖2(b)手動(dòng)傾斜樣品臺(tái)采用螺絲固定,即使在高倍率下(>10000×),有效地穩(wěn)定了樣品,大大削弱圖像漂移。2巖石結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸采用以上實(shí)驗(yàn)方法對(duì)多個(gè)硬質(zhì)合金樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,如圖7(c)~圖7(d)、圖7(e)~圖7(f)、圖7(g)~圖7(h)所示分別為超細(xì)晶、細(xì)晶、大/小尺寸混合晶和粗晶四種WC/Co硬質(zhì)合金的EBSD晶粒取向圖和晶界圖?？紤]到本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)為WC相,同時(shí)Co相所占百分含量較低,故忽略對(duì)Co相的表征。圖7(a)~圖7(f)中黑色點(diǎn)為包含Co相(和其他添加成分)在內(nèi)的零解。由于表面晶體結(jié)構(gòu)損傷或污染造成磷屏所截花樣模糊甚至無(wú)衍射花樣,或者用于采集的相中不包含與當(dāng)前花樣對(duì)應(yīng)的相,進(jìn)而無(wú)法標(biāo)定,軟件將這些無(wú)法標(biāo)定的像素位置標(biāo)記為零解。表1列出了四個(gè)樣品EBSD結(jié)果重要指數(shù)的統(tǒng)計(jì)。標(biāo)定率(Indexing)和平均角度偏差(MeanAngularDeviation,MAD)指數(shù),分別代表工作區(qū)域內(nèi)標(biāo)定的數(shù)量和質(zhì)量對(duì)四個(gè)樣品EBSD結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析得:四個(gè)樣品原始標(biāo)定率≥82%,MAD≤0.44;降噪后(2級(jí))標(biāo)定率≥85%,MAD≤0.44;平均晶粒尺寸依次為0.22、0.46、0.72、1.68μm;工作區(qū)域內(nèi)最大晶粒依次為0.70、1.68、6.29、7.10μm。以上EBSD圖及統(tǒng)計(jì)結(jié)果充分證明了本文所提出的機(jī)械制樣方法能成功地制備了廣泛WC晶粒尺寸范圍、高質(zhì)量的硬質(zhì)合金EBSD樣品。3機(jī)械拋光選擇機(jī)械方法結(jié)合振動(dòng)拋光成功制備了超細(xì)晶、細(xì)晶、大/小尺寸混合晶和粗晶等不同WC晶粒尺寸的硬質(zhì)合金EBSD樣品。制備高質(zhì)量硬質(zhì)合金EBSD樣品參數(shù)如下:1)機(jī)械研磨選擇金剛石70μm,45μm,20μm,研磨時(shí)間3~10min/道,加載壓力30~25N,磨盤轉(zhuǎn)速250~300n/min,時(shí)時(shí)清潔拋光