電子背散射衍射技術在Mg/Al金屬焊接中的應用

周 瑩， 王 虎， 吳 偉， 曾 毅

(1.上海市計量測試技術研究院，上海 201203； 2.中國科學院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

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電子背散射衍射技術在Mg/Al金屬焊接中的應用

周 瑩1， 王 虎1， 吳 偉2， 曾 毅2

(1.上海市計量測試技術研究院，上海 201203； 2.中國科學院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

電子背散射衍射(EBSD)可以提供晶體結構、晶體取向、相分布及鑒別、晶界、應力應變分析等信息，是有效的材料分析方法。離子束截面拋光具有無剪切應力殘留，無磨料污染，無劃痕，試樣損傷小等優點，適合于Mg/Al異種金屬焊接層試樣的制備。利用EBSD可以快速準確地觀察Mg/Al異種金屬焊接層母材Al相、Al側過渡區、擴散區的晶粒形狀、尺寸及分布情況。根據Mg/Al異種金屬焊接層各相的EBSD菊池衍射花樣及能譜的定性定量結果，實現了對焊接層的相鑒定、織構、晶界角的分析。

場發射掃描電鏡; 電子背散射衍射; 離子束截面拋光; 相鑒定

0 引 言

配備電子背散射衍射(Electron Back-Scattering Diffraction，EBSD)附件的掃描電子顯微鏡可以獲得晶體材料的微觀組織形貌、晶粒取向、不同相分布、晶界類型等信息，對于全面了解材料制備過程機理和本質至關重要。

EBSD技術是基于掃描電鏡中電子束在傾斜樣品表面激發出并形成的衍射菊池帶的分析，從而確定晶體結構、取向及相關信息的方法[1]。與傳統的透射電鏡電子衍射分析、X 射線衍射分析相比，透射電鏡電子衍射分析范圍通常過小，結果不具有代表性；X射線衍射分析不能與微觀組織形貌相對應，也無法確定不同相的分布狀況。EBSD技術不僅具有掃描電子顯微分析技術常規特點，而且具有幾十nm級的高空間分辨率，可以準確地分析晶體微區組織結構和織構，獲得晶體結構、晶體取向、晶粒尺寸統計與分布、相分布及鑒別、晶界、應力應變分析等大量信息，解決了宏觀統計性分析與微觀局域性分析之間的矛盾，是一種有效的材料分析方法[2-7]。

EBSD技術為快速、高效、定量統計研究材料的微觀組織結構和織構奠定了基礎，在金屬和合金、陶瓷、半導體、超導體、地質礦物等領域，在凝固、變形、相變、界面性能(腐蝕、裂紋、熱裂等)、相鑒定等方面都得到了廣泛的應用。

1 實驗與討論

Mg/Al異種金屬焊接復合結構具有較高的比強度,較好的耐蝕性、導熱性、價格低廉等優點，被廣泛應用于在汽車制造、航空航天、電子通信等領域。鎂鋁焊接構件存在母材極易氧化，易產生裂紋和氣孔等焊接缺陷，且極易產生金屬間化合物等問題。因此，研究Mg/Al異種金屬焊接材料的微觀形貌、結構與取向分布、成分分布對分析焊接組織性能、改進焊接技術具有十分重要的意義。

1.1 Mg/Al異種金屬焊接試樣的制備

EBSD只發生在試樣幾十個nm的極淺表層，試樣表面的殘余應變層、氧化膜以及腐蝕坑等缺陷都會影響EBSD檢測結果的質量，因此，試樣的制備是EBSD分析的前提和關鍵。EBSD要求試樣表面無應力(彈、塑性應力)層，無氧化層，無連續的腐蝕坑，具有良好的導電性，表面平整，且高度光潔無污染。

對于常規EBSD試樣的制備，盡量選用機械拋光、化學拋光、電解拋光方法。但對于Mg/Al異種金屬焊接試樣的制備，由于試樣硬度較小，機械拋光易在試樣表面產生劃痕，較難得到平整光潔的試樣；鎂化學性質活潑，易氧化，也易被化學試劑腐蝕，無法進行化學拋光或者電解拋光。因此，常用制樣方法均不適用該試樣的制備。離子束截面拋光具有無剪切應力殘留，無磨料污染，無劃痕，試樣損傷小等優點，適合于Mg/Al異種金屬焊接EBSD樣品的制備[8-13]。

使用日本日立公司E3500氬離子截面拋光機制備Mg/Al異種金屬焊接EBSD樣品，制備參數：加速電壓6 kV，氬離子束流400 μA，樣品臺擺動角度-60°～60°，擺動速率4檔。圖1是Mg/Al異種金屬焊接試樣離子束截面拋光原理圖。試樣超出擋板50 μm，超過部分被加速、集束后的離子束轟擊，離子束的能量傳遞給試樣截面的金屬原子，從而形成離子束拋光面。該方法制得的試樣表面光潔無污染，滿足了EBSD的測試要求。

圖1 Mg/Al異種金屬焊接試樣離子束截面拋光原理圖

離子束截面拋光可以根據材料的物理性能調節設備的參數設置，以達到最佳的制樣效果。因此，對于Mg、Al、Cu、焊料及聚合物等難以拋光的軟試樣，選用離子束截面拋光制備樣品尤為合適。該方法也同樣非常適用于難加工的硬材料(如陶瓷、玻璃等)以及軟硬復合多層材料截面的制備。

1.2 Mg/Al異種金屬焊接試樣EDS分析

對Mg/Al異種金屬焊接層中的微區進行EBSD分析，首先需要了解材料中各相的成分及元素分布情況。使用FEI公司Magellan400場發射掃描電鏡及Oxford公司X-MAX能譜儀對Mg/Al異種金屬焊接層進行形貌和元素定性、定量、面掃描測試，測試結果見圖2。分析圖2可知，該分析區域由母材Al、Al側過渡區、擴散區三種不同的相組成；Al元素的分布存在明顯3段含量不同的分布區，元素含量從母材向擴散區逐漸減少；Mg元素只在Al側過渡區和擴散區存在，且在擴散區的含量大于在Al側過渡區的含量。

1.3 Mg/Al異種金屬焊接試樣的EBSD分析

EBSD技術利用菊池衍射對材料進行結構、取向等分析。當電子束與大角度傾斜的樣品表層區作用后，入射電子束會在晶體試樣內發生散射，在背散射電子離開試樣的過程中與試樣某晶面族滿足布拉格衍射條件2dsinθ=λ時將發生衍射，形成菊池線，所有不同晶面產生菊池衍射構成菊池帶衍射花樣。菊池帶衍射花樣包含晶體對稱性、晶體取向、晶體完整性、晶格常數等與試樣相關的信息[14-15]。

(1) Mg/Al異種金屬焊接試樣的EBSD相鑒定分析。Mg/Al異種金屬焊接中往往存在熔化結晶的過程，而生成的金屬間化合物對于焊接性能有著至關重要的影響，所以了解Mg/Al異種金屬焊接層的相圖十分必要。使用FEI公司場發射掃描電鏡和Oxford公司NordlysNano電子背散射衍射設備對Mg/Al異種金屬焊接層進行EBSD分析，測試參數：加速電壓20 kV，樣品傾斜角度60°。根據試樣的EBSD菊池衍射花樣，通過Hough變化計算出晶面指數和晶帶軸指數并算出取向角(歐拉角)，最后根據能譜定性結果獲得的元素信息在晶體學數據庫中進行相檢索，實現相鑒定。

圖2 Mg/Al異種金屬焊接層的SE及Al、Mg元素的mapping

表1是Mg/Al異種金屬焊接層EBSD相鑒定統計表，圖3是該區域的相分布圖、菊池衍射花樣及對應相的晶胞結構。綜合分析表1和圖3的測試結果，該Mg/Al異種金屬焊接層中紅色區域的母材Al相為面心立方結構，綠色區域的Al側過渡區Al3.11Mg2相為立方結構，藍色區域的擴散區Al12Mg17相為立方結構，黃色區域的Mg相為密堆六方結構。同時，為了驗證EBSD相鑒定鋁側過渡區為Al3.11Mg2、擴散區為Al12Mg17的可靠性，對試樣中這兩處微區進行了EDS定量分析。EDS定量結果為Al、Mg在鋁側過渡區和擴散區的化學計量比分別是3∶2、2∶3。EBSD相鑒定結果與能譜定量基本吻合。表1中零解析為5.65%，說明本實驗采集菊池衍射花樣的標定率在94%以上，實驗結果較為可靠。

表1 Mg/Al異種金屬焊接層EBSD相鑒定統計表

因此，通過EBSD相鑒定分析可知，該Mg/Al異種金屬焊接層區域是由母材Al相、Al側過渡區Al3.11Mg2相及擴散區Al12Mg17相3個相層組成；Al側過渡區Al3.11Mg2和擴散區Al12Mg17是焊接界面區金屬間化合物的組成部分，是在材料焊接過程中元素相互擴散所形成的致密的新相化合物層；Al側過渡區Al3.11Mg2和擴散區Al12Mg17的產生是導致焊縫硬度比母材硬度高的主要原因。

圖3 相分布圖、菊池衍射花樣及對應相的晶胞結構

(2) Mg/Al異種金屬焊接試樣的EBSD晶粒分布及長徑比分析。EBSD可以快速、準確地觀察Mg/Al異種金屬焊接層及基體的晶粒形狀、尺寸及分布，從而分析焊接后母材及金屬間化合物的晶粒發育情況。圖4利用EBSD晶粒尺寸統計功能分析了各相晶粒尺寸的分布，Al相平均粒徑為9.84 μm，最大粒徑30.9 μm；Al側過渡區Al3.11Mg2相平均粒徑為4.82 μm，最大粒徑19.54 μm；擴散區Al12Mg17相平均粒徑為6.67 μm，最大粒徑36.02 μm，晶粒尺寸最不均勻；擴散區中的Mg單質相尺寸最小，平均粒徑為2.75 μm，最大粒徑7.30 μm，均以細小晶粒分布在Al12Mg17相的三角晶界。Al相、Al12Mg17相以Mg單質相均以等軸晶為主，而Al側過渡區以柱狀晶為主，圖5為Al側擴散層Al3.11Mg2相的長徑比統計。根據統計結果可知，Al側擴散層中71.5%以上的晶粒為長徑比大于2，最大長徑比為7.75。

(3) Mg/Al異種金屬焊接試樣的EBSD取向、晶界、相界分析。材料的力學、電學和磁學等性能的各向異性，與其內部顯微組織中晶體擇優取向、晶界相關。EBSD 可以測定微區織構、選區織構，直觀地獲得各種取向在樣品中的分布情況，得到的晶粒形貌能夠和晶粒取向直接對應，測量結果精度高。EBSD測定的織構可以通過多種形式表現出來，如極圖、反極圖、取向分布函數等。晶界可以通過計算相鄰晶粒的晶界取向差進行分析。

圖4 Mg/Al異種金屬焊接層EBSD各相晶粒尺寸分布

圖5 Al側擴散層Al3.11Mg2相的長徑比統計

圖6是Mg/Al異種金屬焊接層EBSD取向分析圖。由圖6(a)取向分布圖和圖6(b)、(c)、(d)各相極圖分析可知，母材Al相的Z方向大量為[111]取向(藍色區域)和少量的[001]取向(紅色區域)，存在一定的織構；Al側過渡區為柱狀晶，取向紊亂，與母材晶粒存在sigma 3的孿生關系；擴散區取向也較為紊亂，無明顯織構；結合能譜結果可以發現，擴散區晶粒的三角晶界處存在小尺寸的單質鎂相(擴散區中的小黑點)。對[111]取向的相鄰晶粒進行取向差的線分析，由圖6(e)、(f)可知，相鄰晶粒的晶界取向差小于3°，母材Al中存在大量的小角晶界。

圖6 Mg/Al異種金屬焊接層EBSD取向分析圖

2 結 語

(1) 根據Mg/Al異種金屬焊接構件的物理、化學性質，常用的機械拋光、化學拋光、電解拋光的制樣方法均不適合本試樣的制備；離子束截面拋光具有無剪切應力殘留，無磨料污染，無劃痕，試樣損傷小等優點，適合于Mg、Al合金焊接構件、聚合物等難以拋光的軟試樣，陶瓷、玻璃等難加工的硬材料以及軟硬復合的多層材料截面的制備。

(2) EBSD可以快速、準確地觀察Mg/Al異種金屬焊接層及基體的晶粒形狀、尺寸及分布情況，母材Al相、擴散區Al12Mg17相及Mg單質相均以等軸晶為主，而Al側過渡區Al3.11Mg2相以柱狀晶為主。

(3) 進行EBSD表征時，根據Mg/Al異種金屬焊接層母材Al相、Al側過渡區、擴散區各相的EBSD菊池衍射花樣，通過Hough變化計算出各相的晶面指數、晶帶軸指數及取向角，并根據能譜定性結果獲得的元素信息在晶體學數據庫中進行相檢索，實現了對焊接層的相鑒定、織構、晶界角的分析。

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The Application of EBSD Technology in the Research of the Mg/Al Alloy Welding

ZHOUYing1,WANGHu1,WUWei2,ZENGYi2

(1. Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology, Shanghai 201203, China;2. Shanghai Institute of Ceramics Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)

Electron channeling contrast imaging and electron back-scattering diffraction can provide the crystal structure, crystal orientation, phase distribution and identification, grain boundary, stress analysis and other information, hence, they are effective methods for analysis of materials. Ion cross-sections milling has the advantages of no shear stress residual, no abrasive contamination, no scratches, and small sample damage, therefore, it is suitable for the specimen preparation of Mg/Al dissimilar alloy welding layer. The grain shape, size and distribution of the base material Al, Al transition zone, and diffusion zone of Mg/Al dissimilar metal welding layer can be observed rapidly and accurately by EBSD. According to the Kikuchi diffraction patterns of EBSD and the qualitative and quantitative results of EDS in each phase of the specimen, phase identification, texture, and grain boundary angle of the welding layer can be analyzed.

field emission scanning electron microscopy; electron back-scattering diffraction(EBSD); ion cross-sections milling; phase identification

2015-02-03

上海市質量技術監督局科研項目(I00RJ1414)

周 瑩(1982-)，女，江蘇南通人，碩士，工程師，研究方向為材料顯微結構和微區成分表征。

Tel.：18019070635;E-mail：zhouy@simt.com.cn

曾 毅(1973-)，男，江西宜春人，研究員，博士生導師,研究方向為材料顯微結構和微區域分表征。

Tel.:021-52413107；E-mail: zengyi@mail.sic.ac.cn

TN 16

A

1006-7167(2016)01-0027-04