應(yīng)用分享 | AES在鈦合金增材制造中的應(yīng)用

Ti-6Al-4V是一種典型的α+β型兩相鈦合金，在航空、醫(yī)療器械、艦船等方面應(yīng)用普遍。鑒于鈦對(duì)氧的親和性好，電子束熔煉（EBM）是鈦合金增材制造推薦工藝。然而，在EBM工藝中，只有部分粉末會(huì)熔化和凝固，為節(jié)省成本，合理利用資源，對(duì)于用過(guò)的且符合特定化學(xué)成分的Ti-6Al-4V 粉末需要進(jìn)行篩分、回收和重復(fù)利用。為進(jìn)一步研究Ti-6Al-4V粉末在重復(fù)使用過(guò)程中表面局部位置形貌和化學(xué)變化，本案例對(duì)多次回收的粉末做了詳盡的AES（PHI 700）和XPS（PHI 5000 VersaProbe III）表征。該工作以題為“Surface modification of Ti-6Al-4V powder during recycling in EBM process”發(fā)表于《Surface Interface and Analysis》。[1]

值得注意的是，超過(guò)90 wt%的Ti-6Al-4V顆粒尺寸在45 ~ 106 μm之間。顆粒表面整體的化學(xué)成分和化學(xué)態(tài)可利用XPS進(jìn)行表征。但是，顆粒的局部特征需要借助具有更高空間分辨能力的設(shè)備來(lái)探索。對(duì)此，具有高空間分辨率的AES表面分析技術(shù)，在對(duì)這類亞微米/納米尺度的微區(qū)特征的識(shí)別和分析上可以發(fā)揮明顯優(yōu)勢(shì)。 

圖1. 利用高分辨AES分別表征原始、回收5次和回收10次的粉末顆粒上不同位點(diǎn)的氧化層厚度。（刻蝕速率：25.6 Å/min，相對(duì)于標(biāo)樣Ta2O5）

如圖1所示，SEM圖像展示了原始（A）、回收5次（B）和回收10次（C）的顆粒表面形貌上的差異。借助高空間分辨的SEM圖像，導(dǎo)航定位到感興趣的區(qū)域，結(jié)合離子濺射技術(shù)(Ar+, 2kV 3×3 mm)對(duì)這些微區(qū)特征進(jìn)行了AES深度分析，從而獲取不同位點(diǎn)的氧化層厚度。結(jié)果表明：局部上，同一顆粒不同位點(diǎn)上氧化層的厚度存在差異；整體上，顆粒氧化層的厚度與回收次數(shù)成正比。

圖2. 回收5次粉末的AES深度曲線（分析位置分別對(duì)應(yīng)于圖1中4(A,C) 和7(B,D)標(biāo)記點(diǎn)）。

此外，AES深度曲線（見(jiàn)圖2）也表明在回收后的同一顆粒不同位置，其深度方向的化學(xué)組分/氧化物厚度各不相同。

圖3. 回收10次粉末顆粒局部區(qū)域的AES分析。

如圖3所示，進(jìn)一步對(duì)回收10次的粉末顆粒的局部區(qū)域進(jìn)行AES分析。AES結(jié)果顯示圖3中區(qū)域1和2表面的化學(xué)組分有著明顯差異，區(qū)域2幾乎是純的Al氧化物，而區(qū)域1還含有Ti-6Al-4V中常見(jiàn)的雜質(zhì)Fe。該結(jié)果再次證實(shí)了回收顆粒在化學(xué)組分上存在局部差異，且這種不均勻性隨著循環(huán)利用次數(shù)而增加。

圖4. 電子束熔化過(guò)程中Al原子行為的示意圖。

根據(jù)XPS和AES實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了電子束熔化過(guò)程中Al原子行為的模型（見(jiàn)圖4）。一方面，Al的蒸發(fā)導(dǎo)致表面Al濃度降低。另一方面，由于Al與氧的高親和力，引起局部氧化而形成富鋁的氧化物，這也解釋了為何不同粉末顆?；蛲活w粒的不同位置上的局部化學(xué)組分/氧化物厚度存在差異。但平均而言，由于氧化鈦在表面占主導(dǎo)地位，因而在回收后，顆粒表面的氧化層變厚。由此可見(jiàn)，借助AES可探索重復(fù)使用對(duì)Ti-6Al- 4V粉末表面特性的影響，并分析回收次數(shù)&可用性的標(biāo)準(zhǔn)，從而指導(dǎo)生產(chǎn)?？傊?，該工作充分體現(xiàn)了AES技術(shù)在解決實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中相關(guān)問(wèn)題的能力，在工藝調(diào)控、成本縮減和資源再利用等方面起到重要作用。

AES簡(jiǎn)介

俄歇電子能譜儀（Auger Electron Spectroscopy, AES）采用場(chǎng)發(fā)射電子源入射樣品的表面，激發(fā)出二次電子（用于形貌觀察）以及俄歇電子（用于成分分析）。AES主要用于分析固體材料表面納米深度的元素（部分化學(xué)態(tài)）成分組成，可以在納米級(jí)尺度下對(duì)表面形貌進(jìn)行觀察和成分表征。AES的分析深度通常為4-50 Å，二次電子成像的空間分辨可達(dá)3 nm，成分分布像空間分辨可達(dá)8 nm，可分析材料表面元素組成（Li～U），是真正的納米級(jí)表面成分分析設(shè)備。可滿足合金材料、催化劑、半導(dǎo)體、新能源材料、電子器件等材料和產(chǎn)品的分析需求。

圖5. AES基本原理

PHI AES在表面元素鑒定和元素成像上具有突出優(yōu)勢(shì)，尤其是在針對(duì)具備納米尺度特征的樣品的表征上擁有不可替代的表面分析能力。歡迎聯(lián)系我們，了解更多詳情！

參考文獻(xiàn)

[1] Cao Y, et al. Surface modification of Ti-6Al-4V powder during recycling in EBM process. Surf Interface Anal. 2020;1–5. DOI: 10.1002/sia.6847.