表层高残余应力样品横截面透射电镜试样的制备方法

摘要

本发明涉及的是一种表面自身纳米化后横截面透射电镜样品的制备方法。是将样品机械预减薄至约30μm后，用高强度热固化树脂把样品粘到钼环上，在树脂热固化时用Teflon板夹持固定以矫正和限制变形，再直接用单向模式离子减薄至最终，得到薄区由表及里的适合于透射电镜观测的横截面样品。采用本发明所确定的方法可以克服样品由于较高残余应力造成的弯曲变形和消除机械预减薄过程中造成的损伤和缺陷，得到适合于透射电镜观察的横截面样品。本发明所述的制样方法同样适用于研究表面涂层、镀膜等有关界面问题的横截面电镜样品的制备，所得样品变形小，污染少，具有实用、成功率高等特点。

说明书

技术领域

本发明属于透射电镜横截面样品的制备领域，具体的说是一种制备变形小、损伤和缺陷少、污染少的横截面透射电镜样品的方法，特别适用于经严重塑性变形后在表层存在较高残余应力的样品的横截面透射电镜样品制备，也同样适用于表面涂层、镀层等有关界面研究的横截面电镜样品的制备。

背景技术

1999年卢柯和吕坚提出了“表面纳米化”这一新概念，其中表面自身纳米化主要是通过在材料表面进行反复的严重塑性变形使晶粒细化，从而在材料的表面制备纳米表层(K.Lu and J.Lu，“Surface nanocrystallization(SNC)of metallic materials—presentation of the concept behind a newapproach”，J.Mater.Sci.Tech.，15(3)，1999，P193-197)。该项技术一经提出即引起国内外同行的关注，近10年来，国内外的学者在制备方法、结构表征、机理以及表面纳米化后材料在性能上的改变等方面作了广泛的研究。此外，工业上常用的喷丸、滚压等表面处理也都是在材料的表面及近表层进行塑性变形，这些处理方法都会在材料的表层造成较高的残余应力。

在对上述材料近表层进行结构表征和塑性变形机理研究方面，透射电镜是不可缺少的工具，如何制备出适合于透射电镜观察的样品是关键技术之一。以往的研究(K.Y.Zhu，A.Vassel，F.Brisset，K.Lu and J.Lu.，“Nanostructure formation mechanism of α-titanium using SMAT”，ActaMaterialia，Volume 52，No.14，16 August 2004，Pages 4101-4110)大多是采用平面样品，即由表及里，平行于被处理表面从不同深度取样，经机械预减薄、凹坑研磨和最终的离子减薄制成电镜样品。这种方法存在两个问题，一是由于测量的精确度和最终减薄时穿孔位置的不确定性造成具体深度不准确；二是在表面纳米化处理过程中样品内不同深度的应变速率不同，由于在不同应变速率下组织转变机制可能不同，如果用不同深度的样品来代替不同处理时间的最表层样品来研究晶粒细化过程略失严密。另外，如果利用平面样品分析不同深度的组织特征需要制备多个样品。但利用横截面样品，只要一个样品就可进行不同深度组织的连续观察。

也有的研究曾做过横截面样品，如文献H.W.Zhang等(H.W.Zhang，Z.K.Hei，G.Liu，J.Lu and K.Lu，“Formation of nanostructured surfacelayer on AISI 304 stainlesssteel by means of surface mechanical attritiontreatment”，Acta Materialia，Volume 51，Issue 7，18 April 2003，Pages1871-1881)介绍先把两个取下的表面对粘，然后再以对粘面为中心进行机械研磨-凹坑-离子减薄处理，K.Wang等(K.Wang，N.R.Tao，G.Liu，J.Lu andK.Lu，“Plastic strain-induced grain refinement at the nanometer scalein copper”，Acta Materialia，Volume 54，Issue 19，November 2006，Pages5281-5291)介绍是先在表层处电镀一层1.5mm厚的Ni，然后以镀层与表面的界面为中心进行机械研磨-凹坑-离子减薄处理。上述制备横截面样品的方法都要用到凹坑仪，操作时如果控制不当很容易造成形变甚至穿孔等机械损伤。为避免这一间题，目前把横截面样品通过机械研磨成楔形的方法正在被更多的人采用，即在样品表面粘上一薄层硅片等材料保护表面，切割成横截面样品后，沿垂直于界面的方向的一侧磨成楔形，通常利用三角架(Tripod)或者专用的可调角度的磨抛机实现。但是由于样品的表层有很高的残余应力，当样品机械研磨到很薄的时候，会由于失稳而发生弯曲变形，表面的保护层会因此脱落，制备起来相当困难。

发明内容

本发明的目的是针对上述样品中表层存在较高残余应力，在制备横截面电镜试样时容易发生弯曲变形的特点，提出一种可行的横截面电镜样品制备方法。由该方法制备的样品变形小、缺陷少、污染少，适用于表面涂层、镀层等有关界面研究的横截面电镜样品的制备。

本发明技术解决方案为：在制备过程中用Teflon板夹持固定矫正和控制样品的弯曲制变形，机械预减薄到一定厚度后直接用离子减薄方法减薄至最终来消除机械损伤和缺陷，并通过单向离子减薄模式保护表面层，以及采取适当措施减小污染，得到变形小、缺陷少、污染少的横截面透射电镜样品。

所述表层高残余应力样品横截面透射电镜试样的制备方法，其工艺过程包括机械预减薄——热固化粘贴——剪切——离子减薄等，其关键技术的特征在于：

(1)当样品机械预减薄至30μm后，用Gatan G2热固化树脂把样品粘贴到钼环上，此时采用Teflon板夹持固定的方式矫正和限制样品的弯曲变形；

(2)为防止和减少沉积污染，在进行离子减薄前把样品对面的小半个钼环剪掉；

(3)将(2)直接用离子减薄方法减薄至电子束透明以减少其它机械减薄方法可能引入的损伤和缺陷；

(4)为保护欲研究的表面层或者界面，离子减薄时采用单向模式，即离子束只在垂直于样品表面从样品内部向外的方向上入射。

附图说明

图1为本发明横截面样品制备过程示意图

本方法的具体实施步骤如图1的图解说明：

图1从被处理表面切割厚度和宽度分别为1.5mm和2mm的小样品；

(1)用Gatan G2树脂将厚度为0.5mm的硅片粘贴在表面；

(2)待树脂热固化后用低速锯切割下0.5mm厚的薄片；

(3)把薄片用平行磨样模具机械研磨到30μ左右厚；

(4)用Gatan G2树脂把磨好的薄片粘贴在内径为1.5mm的单孔钼环上，在树脂热固化时，为限制样品的弯曲变形，两侧用Teflon板固定；

(5)树脂固化后，得到了平直的样品；

(6)利用Gatan PIPS 691离子减薄仪的单向模式(Single modulator)减薄，为尽量减小离子减薄过程中的沉积污染，把钼环的上半部分剪掉；

(7)当减薄出豁口时，样品制成。

图2是按本发明所述的方法制备的横截面电镜样品用透射电镜从最表层开始向内连续拍摄的照片。Bar＝1μm

具体实施方式

实例1

TC4钛合金通过高能喷丸实现表面自身纳米化后，按上述方法制备的横截面电镜样品用透射电镜从最表层开始向内连续拍摄的照片如图2所示，由图可知，上述制样方法在样品的不同深度可以得到薄区。

值得指出的是：

所用的Gatan G2树脂属热固化树脂，通常使用的热固化温度在80~120℃，固化时间30~90min，这个温度不会对钛合金晶体缺陷的组态产生很大影响，对残余应力的松弛有一定作用，热固化后样品弯曲变形的问题也得到缓解。G2树脂不会粘结在光滑的Teflon表面，所以在树脂热固化时使用Teflon板夹紧，得到尽量平直的样品，这为后续离子减薄时离子束入射角度的准确设定提供了保障。但由于离子减薄的样品台是夹持在钼环的边缘上，样品的高度就偏离中心位置，所以在实际操作中上下离子枪入射角度的设定应有1~2°的差别。

由于采用单向离子束入射，靠近样品对面的物质会被入射离子束轰击下来，再反弹回来而沉积在样品表面造成污染，因此，在进行离子减薄前把样品对面的小半个钼环剪掉。为减小污染，也应尽量减少离子减薄时间，一旦样品出现小的豁口即停止。但这样可能可观察的深度不够，可以先观测这部分，然后用离子减薄仪继续减薄至更深的区域，这样就可以用一个样品把每一深度的组织特征都观测到。