一種制備鋁合金EBSD試樣的電解拋光工藝研究

劉 艷,劉成剛

(1.吉林化工學院 理學院,吉林 吉林 132022;2.中國石油吉林石化公司 研究院,吉林 吉林 132022)

鑄造鋁合金具有比強度高、焊接性能好的特點,由于這種材料機械加工性能優良、物化性能和綜合力學性能都較好,被廣泛應用到國防航空航天、輪船、汽車等領域[1,2]。但該合金在鑄件凝固過程中易出現組織缺陷,缺陷的存在將降低材料的力學性能、物化性能,致使其應用受到限制[3]。因此,需要在微觀尺度上對其性能進行研究,來消除組織缺陷,以期待鋁合金材料得到更廣泛的應用。電子背散射衍射技術(Electron Back-Scattering Diffraction,EBSD)用來研究材料的特征及性能,如晶粒尺寸、微區結構、晶界特征、相分布及變形、應變等。是材料分析技術上的一個重要分析方法。但樣品制備過程比一般金相試樣要求更高,要求試樣表面無應力層,無氧化層,表面清潔無污染且無連續的腐蝕坑等[4]。而電解拋光技術能夠有效除去表面應力,從而保證在進行EBSD測試時產生達到要求的強衍射花樣,為鋁合金材料進行微觀組織特征和性能的研究提供有效方法[5]。

鋁合金的電解拋光方法可分為酸性、堿性以及中性電解拋光法。堿性拋光法是最早應用于工業生產的電解拋光方法,但存在拋光工作時間長、操作溫度高、材料損耗大等問題。目前國內外采用較多的是磷酸-硫酸-鉻酸,即三酸法[6]。這種方法工藝成熟、拋光質量好,但成本高且鉻酸電解拋光液在操作過程中操作環境惡劣、易產生致癌物對人體有害,溶液用后廢水處理難,造成環境污染[7]。從環保角度出發,酸性含鉻電解拋光液已逐漸被無鉻酸類型電解拋光液代替。本文主要研究采用無鉻酸性電解拋光液工藝制備鋁合金的EBSD試樣,與堿性電解拋光液相比[8,9],其無鉻酸電解液拋光過程可在室溫下進行,且拋光時間短、從而降低實驗成本。

鋁合金材料質地較軟,在加工成型過程中,由于受到機械外力作用,易造成表面磨損、劃痕、凹凸不平等表面缺陷。并且鋁合金對氧有很大的親和力,較容易形成氧化膜。而EBSD試樣要求盡量除去樣品表面殘余應力,達到表面清潔平整、無氧化膜且具有良好的導電性的效果。針對鋁合金金屬的特點及EBSD試樣的要求,探索出符合分析測試要求的最佳的電解液配比成分及電解拋光工藝參數。此電解拋光工藝與其他工藝相比,電解液材料來源比較廣泛,成本低下、效率高且操作簡單,實驗過程中不需要對溫度嚴格控制,在室溫20～25 ℃條件下操作即可。

1 電解拋光技術原理

電解拋光是一種由于金屬陽極材料表面微觀溶解而產生的電化學反應過程[9]。Jacquet首先利用電流密度-電壓曲線分析了電解拋光過程中陽極材料的溶解過程[10]。大部分材料的陽極極化曲線如圖1所示。其中A-B階段屬于金屬活性溶解階段:在外加直流電源和電解拋光液的共同作用下,電流密度隨電壓迅速增加,陽極金屬基材發生氧化反應,如圖2(a)所示。陽極基材發生活性溶解后因析氧過程及氧化作用在金屬基材表面生成一層氧化膜。氧化膜處于生成階段,無拋光效果。B-C階段屬于金屬表面鈍化階段,由于氧化作用在金屬表面生成氧化膜,從而導致電流密度下降,此階段無拋光效果,如圖2(b)所示。C-D階段平穩拋光階段:電流密度平穩,陽極基材表面基本生成氧化物,此時金屬陽極的溶解、氧化膜的生成及同時被破壞處于一種動態的平衡狀態,金屬表面逐漸平整、均勻、呈現出光澤,如圖2(c)所示。D-E屬于過腐蝕階段,隨著拋光電壓的繼續升高,陰極有大量氫氣析出,析出的氫氣容易沉積在陰極表面。這種沉積物若不及時脫離,易在金屬基材表面出現過蝕,甚至燒傷等缺陷,如圖2(d)所示。

Anode potential/V圖1 理論陽極極化曲線

圖2 電解拋光陽極材料溶解過程

2 實驗材料與方法

2.1 電解拋光實驗設備

電解拋光裝置系自行研制的電化學拋光加工系統。電源裝置采用實驗室通用的MS1003D的直流電源;鋁合金試樣為陽極,不銹鋼金屬板作為陰極;溫度計實時測電解液溫度;磁力攪拌器通過攪拌作用加強電解液對流。同時促使溶解過程中陽極表面上附著的氣泡及時脫離,避免表面氧化生成斑點。實驗裝置如圖3所示。

圖3 電解拋光示意圖

2.2 電解拋光液組成及配比

2.3 實驗試樣制備及方法

實驗試樣為鋁銅二元合金鑄錠,合金成分為Al 95%,Cu 5%。試樣尺寸為4 mm×6 mm×7 mm。取其橫截面為拋光面。試樣采用400#至2000#砂紙逐級打磨。打磨后的試樣放入丙酮溶液中超聲清洗5 min,以便除掉試樣表面污漬,清洗后吹干備用。

電解電壓、拋光時間以及電解液溫度是影響電解拋光效果的可調因素。本實驗主要研究在溫度一定條件下,采用恒壓法拋光工藝,通過調節電壓、拋光時間等電解實驗可調參數來確定此電解拋光液的最佳工藝。實驗過程中電解液溫度為室溫(20～25 ℃)。

2.4 陽極極化實驗曲線

在進行陽極極化曲線測定時,分別選取電壓16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29 V對應每組電壓測出三組電流值,得出三組電流的平均值作為穩定電流值。實驗測定的陽極極化曲線見圖4,與圖1比較,實驗所得的電解拋光曲線分布正常。分別選擇陽極鈍化區、溶解區及過腐蝕區為實驗拋光電壓范圍,進行探索實驗。

Anode potential/V圖4 陽極極化實驗曲線

3 實驗結果分析與討論

3.1 拋光電壓對試樣表面微觀組織影響

當鋁銅合金中Cu含量為5wt.%時,凝固過程中發生L→α(Al)+θ(Al2Cu)二元共晶反應。θ相是合金的主要析出強化相,與鋁基體不共格,鋁合金鑄態由樹枝狀α-Al基體、晶界及枝晶之間的析出物組成。析出第二相為α-Al和θ-Al2Cu片層骨骼狀共晶組織。整體呈白色連續網狀分布。

拋光電壓是電解拋光效果的主要可控制影響因素。圖5為選取不同的電壓,通過掃描電鏡測試樣品的微觀組織形貌對比圖。從圖5(a)中可以看出電壓為22 V時,試樣表面層還未能完全溶解,表面凹凸不平、可見輕微原始劃痕,表面粗糙程度改善不大。當電壓增大到24 V時,試樣表面變得干凈、平滑光亮。組織晶界清晰連續,整體可見在α-Al基體上分布的白色網狀結構即析出共晶相α-Al和θ-Al2Cu,如圖5(b)所示。經掃描電鏡觀測放大1 000倍的試樣,清晰地看到析出相呈完整的魚骨狀片層共晶形態且形貌較為平整。當電壓為26 V時,白色網狀結構大面積被腐蝕掉,魚骨狀共晶組織基本消失不見,呈現過腐蝕后的灰色孔洞狀的α-Al基體組織,同時試樣表面由于過度腐蝕出現散落的凹坑,如圖5(c)所示。

(a) 拋光電壓22 V

當電壓為22 V時,陽極試樣表面處于活性溶解狀態,從表面缺陷、晶界處等易溶解處開始溶解,但不足以完全生成黏膜。僅有浸蝕現象發生,電解拋光僅處于陽極表面活性溶解階段,無拋光效果。若此時電壓恒定則電流密度始終保持一個較小值,未到達穩定拋光區電流密度,導致試樣陽極表面氧化膜不易形成,拋光效率低、光亮度差。

當電壓增大到24 V,陽極表面氧化膜逐漸全部生成,金屬表面逐漸平整。陽極同時發生劇烈的析氧反應,氧氣的析出促進了表面的光亮度,表面變得平整、均勻、光亮,達到了較好的拋光效果。電壓繼續增大到26 V,陽極析氧反應加劇,表面氧化物進一步氧化導致氧化膜被破壞,試樣表面溶解速度增加。表面出現雜散腐蝕和可辨別點蝕坑等表面缺陷。

3.2 拋光時間對試樣表面微觀組織影響

當電壓選取最佳值24 V時改變拋光參數,拋光時間選擇2～8 s進行測試。當拋光時間為2 s時,表面粗糙度改善不大,產生的拋光效果很弱,見圖6(a)。拋光時間增大到5 s時,試樣表面平滑光亮,微觀組織清晰連續,見圖6(b)。繼續增大到8 s,白色網狀結構變得稀疏,析出相腐蝕過度破壞了其連續狀態,表面白色的Al2Cu相部分被腐蝕掉而使α-Al基體呈現出來,出現表面斑點等缺陷,見圖6(c)。共晶組織的過度腐蝕影響了EBSD對鋁合金第二相的觀測。因此,拋光時間5 s時拋光效果最佳。

(a) 2 s

電解拋光的時間受多種因素影響,與拋光樣品的材料、表面狀況及粗糙程度等因素有關。拋光時間過短,未完全進行電化學反應,試樣表面生成的鈍化膜沒有完全溶解,試樣表面存在未平整好的劃痕及凸點。當拋光時間為5 s時,試樣已達到最佳的拋光效果。繼續延長拋光時間,對提高拋光效果沒有作用,還會破壞試樣表面已拋光的平整度和光亮度。因此在拋光實驗過程中,達到最佳拋光時間應及時將試樣從電解液中取出。

3.3 最佳實驗參數下的EBSD測試圖樣

圖7為拋光時間5 s,拋光電壓24 V下測得的EBSD試樣的菊池帶圖樣,圖樣較為清晰,有明顯的暗帶和亮帶,標定率達到80%以上。將最佳工藝下的試樣在掃描電子顯微鏡下拍攝圖像,可清晰看到觀察范圍內晶粒的取向(圖8),說明此實驗中最佳工藝參數的可行性。

圖7 電解拋光表面菊池帶

圖8 晶粒取向圖

4 結 論

采用自行研制的電解拋光系統及電解拋光液配比,分別研究拋光電壓、拋光電流密度及拋光時間對EBSD試樣拋光效果及微觀形貌的影響。該鋁合金EBSD電解拋光液最佳工藝參數為電壓24 V,拋光時間5 s。在此電解拋光參數下得到的EBSD試樣成像質量較好。