CN109406556A

CN109406556A - 制备gh4169高温合金透射电镜样品的方法

Info

Publication number: CN109406556A
Application number: CN201811275887.XA
Authority: CN
Inventors: 李佳莲; 唐静; 谢霖
Original assignee: Chengdu Advanced Metal Materials Industry Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Chengdu Advanced Metal Materials Industry Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-03-01

Abstract

本发明属于合金材料检测分析技术领域，具体涉及一种制备GH4169高温合金透射电镜样品的方法。本发明要解决的是现有制备GH4169高温合金TEM样品方法效率低下，质量不够好的技术问题。解决该问题的技术方案是提供一种经济、高效、便捷的制备GH4169高温合金TEM样品的方法。制备GH4169高温合金透射电镜样品的方法，其特征在于包括以下步骤：将GH4169高温合金样品厚度减至70～80μm后使用电解双喷法减薄。所用电解液为10％高氯酸+90％无水乙醇的混合溶液。本发明的方法所制备的TEM样品表面质量好、薄区大，非常适用于大批量制备高质量GH4169高温合金TEM样品。

Description

制备GH4169高温合金透射电镜样品的方法

技术领域

本发明属于合金材料检测分析技术领域，具体涉及一种制备GH4169高温合金透射电镜样品的方法。

背景技术

GH4169高温合金是一种Ni-Cr-Fe基耐热金属材料，它能在较高温度范围及一定应力条件下长期服役，具有优异的高温强度，良好的断裂韧性、疲劳性能和抗热腐蚀性能，已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料，被誉为“先进发动机的基石”。

微观组织是材料性能的决定性因素。近年来，透射电子显微镜(TransmissionElectron Microscopy，TEM)作为材料微观组织的强有力的表征手段，已被广泛的应用于GH4169高温合金的相关研究领域。试样制备在TEM表征中起着非常重要的作用，它要求样品要足够薄(10～100nm)，能提供需要观察的、有代表性的视场，不能改变样品的结构与成分(如机械损伤、化学反应及组织转变等)，且满足真空环境的要求、具一定导电性、可经受电子束的辐照等。由此可见，样品制备质量在TEM表征中具有举足轻重的作用。

在针对GH4169高温合金的TEM样品制备方面，由于其拥有较好的耐蚀性，传统的方法通常是将试样厚度减至30～40μm，然后在10％高氯酸+90％甲醇溶液或者10％高氯酸+10％甘油+80％冰醋酸溶液中以50～70V的较高电压进行电解双喷。一方面，较薄的样品厚度及较高的电解电压会有效增加材料的腐蚀效率，促进薄区的形成；但另一方面，由于对样品的初始厚度的要求较为苛刻，会导致制备效率的低下及制备过程中样品的损坏。同时，电解电压过高会使得样品的腐蚀速率不易控制，影响薄区的质量。此外，甲醇是剧毒，冰醋酸则有浓烈的刺激性气味，在溶液的配制、贮存及处理过程中均存在着一定的安全隐患。

发明内容

本发明要解决的是现有制备GH4169高温合金TEM样品方法效率低下，质量不够好的技术问题。解决该问题的技术方案是提供一种经济、高效、便捷的制备GH4169高温合金TEM样品的方法。

制备GH4169高温合金透射电镜样品的方法，其特征在于包括以下步骤：将GH4169高温合金样品厚度减至70～80μm后使用电解双喷法制样。

电解双喷法减薄至出现厚度为100nm左右的薄膜区域，仪器会根据系统设定自动结束减薄完成制样。

其中，上述方法中所述的电解双喷法减薄包括以下步骤：将厚度为70～80μm的样品放置于电解双喷设备中进行电化学减薄制样，所用电解液由体积百分数10～15％的高氯酸和85～90％的无水乙醇组成。

其中，上述方法中电化学减薄的电解电压为30～35V。

其中，上述方法中电解液温度控制在-15～-10℃。

其中，上述方法中减薄完成后的样品用酒精充分清洗。

其中，上述方法中所述GH4169高温合金样品是由机械减薄法减至70～80μm。

其中，上述方法中的机械减薄法是由自动磨抛设备进行，以200～250N的压力和250～300转/分的转速将薄片依次经400#、600#、800#、1200#、1600#的金相砂纸机械减薄至70～80μm。

其中，上述方法中的GH4169高温合金样品在机械减薄前加工成厚度≤0.5mm的薄片。

其中，上述方法中的GH4169高温合金样品在电化学减薄前加工成直径3mm的圆形薄片。

本发明的有益效果在于：本发明在传统制样方法的基础上，针对此类材料的具体特点，从样品厚度、电解溶液、电解电压、温度等方面着手进行优化，得到了一种非常优秀的优化GH4169合金TEM样品制备方法。而本发明创造性开发的高氯酸+乙醇的电解液配方无论对人体还是对环境都更加安全，同时也使得电解电压较传统的50～70V大幅降低，且电解液温度也较传统方案(-20～-15℃)更加易于控制。由于优化了电化学减薄，前期样品只需要机械减薄至70～80μm就可进行后继操作，可以大幅缩短制样时间，提高样品制备效率。整个样品制备过程安全、可靠，具有制备过程高效、质量可控性强等特点。本发明的方法所制备的TEM样品表面质量好、薄区大，非常适用于大批量制备高质量GH4169高温合金TEM样品。

附图说明

图1为经机械减薄至30μm，在-15℃的10％高氯酸+90％甲醇溶液中以60V的电压进行电化学减薄后的薄区组织。

图2为经机械减薄至40μm，在-20℃的10％高氯酸+10％甘油+80％冰醋酸溶液中以70V的电压进行电化学减薄后的薄区组织。

图3为经机械减薄至70μm，在-10℃的10％高氯酸+90％乙醇溶液中以35V的电压进行电化学减薄后的薄区组织。

具体实施方式

因此，本发明旨在传统制样方法的基础上，针对此类材料的具体特点，从样品厚度、电解溶液、电解电压、温度等方面着手，进一步优化GH4169合金TEM样品的制备方案。本发明优化了传统的机械减薄加电化学减薄的两步减薄法。

本发明主要是优化了电化学减薄步骤，利用电解双喷设备对预先减薄的试样进行电化学减薄以制备薄区。

本发明优化后的电化学双喷液为10～15％高氯酸+85～90％无水乙醇的混合溶液(指由体积百分数10～15％的高氯酸和85～90％的无水乙醇组成)，优化后的工作电压为30～35V，优化后的电化学双喷液的工作温度为-15～-10℃。而在使用本发明电化学减薄步骤的情况下，前期样品只需要机械减薄至70～80μm就可进行后继操作。一般电解双喷法减薄至出现厚度为100nm左右的薄膜区域，本领域公知电解双喷设备会根据腐蚀电流的变化自动判定减薄终点，并停止减薄过程。

采用无水乙醇配合高氯酸，整个过程对操作者无害，对环境无污染。若无水乙醇含量过高，会导致电解双喷效率降低，甚至无法出现薄区；另一方面，若无水乙醇含量过低，则会导致高氯酸的浓度过高，增快样品在电解双喷过程中的腐蚀速率，同样不利于薄区的形成。10％高氯酸+90％无水乙醇的混合溶液在配制方面经济、便捷。

电解双喷时若电压过低，会导致样品腐蚀速率过慢，延长双喷时间，极大的影响了薄区制备效率；若电压过高，样品的腐蚀速率过快，会导致样品局部区域电流密度骤升，进一步导致样品出现烧蚀。本发明方法优化后的工作电压为30～35V。最优的，工作电压为35V。由于样品在电解双喷过程中会持续产生一定的热量，会加速样品的腐蚀速率，适宜的温度可以使得双喷过程更加平稳，温度过高或过低均不利于薄区的制备。本发明优化后的电化学双喷液的工作温度为-15～-10℃。最优的，电化学双喷液的工作温度为-10℃。

具体而言，前期样品需要由机械减薄法减至70～80μm，且双面剖光。

进一步的，所述的机械减薄是由自动磨抛设备进行，减薄至70～80μm即可。优选的，可以在自动磨抛设备上以200N的压力和300转/分的转速将薄片依次经400#、600#、800#、1200#、1600#的金相砂纸机械减薄至要求的厚度。

利用自动磨抛设备对试样进行机械减薄可在较短时间内使样品厚度减至70～80μm，同时保证样品两侧表面均光滑、平整。

需要注意的是，在机械减薄前可将GH4169高温合金加工成厚度为0.5mm左右的薄片。一般来说，可以用线切割或其他合适的工艺进行。

此外上述GH4169高温合金样品在电化学减薄需前加工成直径3mm的的圆形薄片。一般可以使用冲孔仪等常用设备进行制备。冲下来的小圆片最好置于多个(≥3)酒精器皿中清洗，确保样品表面干净。

以下通过具体实例对本发明进行进一步的说明。以下实例使用的高氯酸、甲醇、无水乙醇、甘油、冰醋酸等试剂均为分析纯。使用的机械减薄设备为Buehler EcoMet250自动磨抛机；电解双喷设备为Struers TenuPol-5电解双喷仪。

对比例1

线切割将试样加工成厚度为0.5mm的薄片，对该材料经Buehler EcoMet250自动磨抛机机械减薄至30μm，利用冲孔仪将样品冲成直径为3mm的圆形薄片。使用StruersTenuPol-5电解双喷设备，在-15℃的10％高氯酸+90％甲醇溶液中以60V的电压进行电化学减薄至系统自动停止。样品制好后立即取出并置于多个酒精器皿中充分清洗。得到的薄区组织如图1所示。

对比例2

线切割将试样加工成厚度为0.5mm的薄片，对该材料经Buehler EcoMet250自动磨抛机机械减薄至40μm，利用冲孔仪将样品冲成直径为3mm的圆形薄片。使用StruersTenuPol-5电解双喷设备，在-20℃的10％高氯酸+10％甘油+80％冰醋酸溶液中以70V的电压进行电化学减薄至系统自动停止。样品制好后立即取出并置于多个酒精器皿中充分清洗。得到的薄区组织如图2所示。

实施例1

线切割将试样加工成厚度为0.5mm的薄片，利用Buehler EcoMet250自动磨抛设备以200N的压力和300转/分的转速将薄片依次经400#、600#、800#、1200#、1600#的金相砂纸机械减薄至70μm，随后再利用冲孔仪将样品冲成直径为3mm的圆形薄片。使用StruersTenuPol-5电解双喷设备进行电化学减薄，所用电解液为10％高氯酸+90％无水乙醇的混合溶液，其减薄过程的电解电压为35V，电解液温度用液氮控制在-10℃，电化学减薄至系统自动停止。样品制好后立即取出并置于多个酒精器皿中充分清洗。得到的薄区组织如图3所示，图中透光的区域即为样品的薄区。

为了进行直观的对比，图1～3为GH4169高温合金经三种不同方案制备而成的典型TEM薄区效果图。

由上述结果可见，相较于图1和图2的两样品而言，图3的样品有着更大的透光区域，意味着其薄区范围更大、质量更高。大范围的高质量薄区可以提供更加宽阔的视场，对材料在TEM下的微观组织表征有着决定性的影响。

Claims

1.制备GH4169高温合金透射电镜样品的方法，其特征在于包括以下步骤：将GH4169高温合金样品厚度减至70～80μm后使用电解双喷法减薄制样。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的电解双喷法减薄包括以下步骤：将70～80μm的样品放置于电解双喷设备中进行电化学减薄，所用电解液由体积百分数10～15％的高氯酸和85～90％的无水乙醇组成。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的电化学减薄的电解电压为30～35V。

4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于：所述电化学减薄过程中电解液温度控制在-15～-10℃。

5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于：减薄完成后的样品用酒精充分清洗。

6.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于：所述GH4169高温合金样品在电解双喷法减薄前由机械减薄法减至70～80μm，且双面剖光。

7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于：其中，上述的机械减薄法是由自动磨抛设备进行，以200～250N的压力和250～300转/分的转速将薄片依次经400#、600#、800#、1200#、1600#的金相砂纸机械减薄至70～80μm。

8.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于：所述的所述GH4169高温合金样品在机械减薄前加工成厚度≤0.5mm的薄片。

9.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于：所述的所述GH4169高温合金样品在电化学减薄前加工成直径3mm的圆形薄片。