高质量硬质合金ebsd样品的制备

高质量硬质合金ebsd样品的制备

电子反射源（ebsd）。普通硬质合金金相实验对样品的表面平整度和清洁度等要求不甚严格,轻微的划痕、污染或应力对物相分析、晶(相)界和晶粒生长方式的影响并非决定性;然而对于EBSD样品,则要求表面平整无划痕、“新鲜”无污染、无应力或氧化、导电性能良好等。相对而言普通金相制样是“粗矿式”的,而EBSD样品则是“超精细式”的。如何获取精细的硬质合金EBSD样品是将EBSD技术应用于硬质合金领域内亟待解决的问题。目前,常用的EBSD制样方法有机械制样、化学腐蚀、电解抛光、离子减薄、聚焦离子束等1研磨/抛光仪实验采用的主要仪器设备有装配EBSD系统的场发射扫描电镜,金相镶样仪,自动研磨/抛光仪,切割机,振动抛光仪等。制备硬质合金EBSD样品的主要流程包括:金属切割,金相镶样,机械研磨,机械抛光,振动抛光,样品清洗,样品保存,样品夹固。2.1样品表面距离的测定对于压制的硬质合金样品,EBSD实验对其尺寸、形状及方向没有必须的规定,但综合考虑镶样在SEM样品室内活动空间局限性,探头到样品表面距离(DD)有固定的校准位置以及最佳工作距离(WD)等因素,如图1中样品、极靴及EBSD探头三者之间的位置关系,通常要求样品形状规正,大小在毫米尺寸范围内。将切割好的样品放入镶样仪,保持测试面水平放置,镶样尺寸要求与后续步骤的夹具配套。可同时制备多个样品,成排放置,以便在电镜腔室内换样操作。镶样厚度依赖于电镜系统的几何位置关系(图1b),通常要求低于15mm。2.2复合非ebsd金相制样磨盘的制备机械研磨和抛光是制备EBSD样品的关键步骤。表面无划痕、无污染物、无破损的EBSD硬质合金样品制备过程中,要求不与其他非EBSD金相制样混用磨盘和抛光布,每完成一道研磨/抛光用清洁剂和水彻底清洁样品、夹具和研磨/抛光盘。研磨盘及研磨时间对wc晶粒破碎的影响机械研磨涉及的重要参数有磨盘粒度、研磨转速、加载压力和研磨时间。硬质合金具有高硬度但韧性较差的特点,且相对矿物、钢材等其他材料硬质合金晶粒尺寸较小(通常为微米级),因而参数选择很重要。经多次的试验获得了如下参数:采用金刚石研磨盘(70μm,45μm,20μm)逐级研磨,研磨时间为3~10min/道(时间逐级略增,以消除划痕,例如3min,5min,8min);加载压力过大易造成WC晶粒的破碎,如图2(a)所示,30~25N最优;磨盘转速200~300n/min。要求每完成一道研磨,认真清洗磨盘、夹具、样品。超精细织物抛光抛光是由具有不同回弹性的抛光布配合不同磨料实现的。硬性抛光布使试样表面平整且抛光效率高,软性抛光布使样品表面细腻、缺陷少。抛光布面料多样,以STRUER抛光布为例,通常采用硬性抛光布配合大尺寸抛光液(如金刚石,15~3μm)高效抛光,如帆布、尼龙、粗纤维织物等;采用软抛光织物配合小尺寸抛光液(如金刚石,3~1μm)精细抛光,如100%羊毛织物、呢绒、天然丝绸等;最后选择柔软且高回弹性的合成短绒毛织物或多孔氯丁橡胶进行超精细氧化物抛光。本实验采用:缎面机织物抛光布配9μm金刚石抛光液、机织纤维醋织物抛光布配3μm金刚石抛光液、合成毛绒抛光布配1μm金刚石抛光液,依次抛光。抛光时间5min/道,加载压力15~30N,抛光盘转速200~300n/min;最后,采用多孔氯丁橡胶抛光布配0.02μm硅溶胶悬浮液,手动或低速(~180n/min)抛光5min。抛光要求彻底清洁每一道抛光之后的样品和夹具,避免将磨料带入下一道抛光,造成难以消除的大尺寸划痕,如图2(b)所示。2.3振动抛光时间对表面质量的影响振动抛光的作用:1)去除机械研磨和抛光带来的表面应力;2)去除氧化层;3)依据抛光液的规格,略带腐蚀作用。机械抛光后,硬质合金的表面质量受振动抛光时间影响非常大。时间太短,达不到去除机械应力及晶界轻微腐蚀效果;时间过长,造成Co明显流失或相界过度腐蚀,同时样品表面粘附的杂质颗粒难以彻底清洁。图3(a)和(b)分别是振动抛光60min后的硬质合金表面和振动抛光120min后的涂层硬质合金表面,样品均经过仔细清洁。图3(a)和(b)中红色箭头所示分别为过度腐蚀留下的Co坑和过度腐蚀的WC/Ti(CN)/Al2.4涂层表面的测定样品清洗是制样的另一关键步骤。样品在机械研磨/抛光和振动抛光之后,表面粘附有各种杂质,如磨粒、抛光剂其他成分、石蜡润滑剂、镶样粉、合金粉等。采用清洁剂、酒精、去离子水等对样品进行彻底清洗,获得“一尘不染”、“新鲜”的样品表面。图4(a)为机械制样方法获得的高质量硬质合金表面,表面平整,晶粒清晰,晶界明显,无划痕,无污染物;图4(b)为机械制样方法获得的涂层硬质合金表面,表面平整,相界分明,晶粒形貌清晰,无污染物,无划痕,无严重腐蚀坑。清洗工作通常需要结合扫描电镜表面分析,再次或多次清洗,直至露出样品本来表面形貌。2.5样品台侧放位置及尺寸测量样品清洗结束后,即刻放入扫描电镜真空室内,以保持表面“新鲜”,避免氧化和污染。如果需要暂时保存,则将样品放入真空干燥箱内。值得注意的是长时间放置影响表面质量,最好选择在EBSD实验前制备样品。在获得高质量样品表面的基础上,将样品固定牢靠、防止电子图像漂移对获得高质量EBSD结果是非常重要的。由于硬质合金样品的质量及镶样后的尺寸都比较大,在倾斜70°后重力作用、导电性能以及导电胶的变形恢复等因素的影响下,样品图像十分容易产生漂移,尤其是在高倍率下,这将造成EBSD结果发生拉伸、压缩或扭曲等各种变形。图5(a)~图5(b)、图5(c)~图5(d)分别为某样品A和样品B的SEM图像、EBSD晶粒取向图。图(b)中红色箭头1·和2·所示晶粒分别对应图(a)中红色箭头1和2所示晶粒。由于EBSD数据采集过程中发生漂移,WC晶粒明显被拉伸,且在SEM图像上的相对位置发生偏离。图(d)中晶粒被严重扭曲,且与图(c)中晶粒形貌完全不符合。图像漂移严重影响了EBSD数据的真实性和可靠性。为解决图像漂移问题,对图1中的两种样品台进行了改进。如图2(a)所示,在预倾斜样品台侧放位置开槽,在平放位置加大了承载面,依据样品形状及检测面的不同,可用分别用于金相镶样和未镶嵌的小样品,样品台实现两用的同时减小重力影响对图像漂移的贡献;图2(b)手动倾斜样品台采用螺丝固定,即使在高倍率下(>10000×),有效地稳定了样品,大大削弱图像漂移。2岩石结构和晶粒尺寸采用以上实验方法对多个硬质合金样品进行实验分析,如图7(c)~图7(d)、图7(e)~图7(f)、图7(g)~图7(h)所示分别为超细晶、细晶、大/小尺寸混合晶和粗晶四种WC/Co硬质合金的EBSD晶粒取向图和晶界图。考虑到本实验的重点为WC相,同时Co相所占百分含量较低,故忽略对Co相的表征。图7(a)~图7(f)中黑色点为包含Co相(和其他添加成分)在内的零解。由于表面晶体结构损伤或污染造成磷屏所截花样模糊甚至无衍射花样,或者用于采集的相中不包含与当前花样对应的相,进而无法标定,软件将这些无法标定的像素位置标记为零解。表1列出了四个样品EBSD结果重要指数的统计。标定率(Indexing)和平均角度偏差(MeanAngularDeviation,MAD)指数,分别代表工作区域内标定的数量和质量对四个样品EBSD结果统计分析得:四个样品原始标定率≥82%,MAD≤0.44;降噪后(2级)标定率≥85%,MAD≤0.44;平均晶粒尺寸依次为0.22、0.46、0.72、1.68μm;工作区域内最大晶粒依次为0.70、1.68、6.29、7.10μm。以上EBSD图及统计结果充分证明了本文所提出的机械制样方法能成功地制备了广泛WC晶粒尺寸范围、高质量的硬质合金EBSD样品。3机械抛光选择机械方法结合振动抛光成功制备了超细晶、细晶、大/小尺寸混合晶和粗晶等不同WC晶粒尺寸的硬质合金EBSD样品。制备高质量硬质合金EBSD样品参数如下:1)机械研磨选择金刚石70μm,45μm,20μm,研磨时间3~10min/道,加载压力30~25N,磨盘转速250~300n/min,时时清洁抛光