一种高温合金微量元素分布状态的测定方法技术

本发明专利技术提供一种高温合金微量元素分布状态的测定方法，所述方法通过扫描电子显微分析、二次离子质谱分析结合能谱分析、原子探针分析、透射电子显微分析以及电子衍射分析相结合的手段，确定高温合金微量元素分布状态及富微量元素相的晶体结构信息。本发明专利技术的测定方法具有操作简单、分析速度快、检测限灵敏、空间分辨率高的特点，可以一次并行采集给定合金元素种类范围内的全部原子信息，同时测定高温合金样品中多种微量元素的分布状态，尤其适用于高温合金微量元素分布的检测、表面涂层分析以及深度分析。深度分析。深度分析。

【技术实现步骤摘要】
一种高温合金微量元素分布状态的测定方法


[0001]本专利技术涉及金属材料显微组织分析
，具体地，涉及一种高温合金微量元素分布状态的测定方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着我国航空航天事业的迅速发展，对涡轮盘、涡轮叶片等关键热端部件所用高温合金的性能要求不断提高。以镍基高温合金为例，在其制备过程中，合金元素在优化微观组织结构和力学性能方面起着至关重要的作用。根据Jena等人1984年的综述报道，镍基高温合金中的主要合金元素可分为固溶体形成元素(Fe、Co、Cr等)、析出相形成元素(Al、Ti、V、Nb等)、碳化物形成元素(Cr、Mo、W等)和界面稳定化元素(B、S、P、Zr等)。在上述合金元素中，微量元素在多晶镍基高温合金中普遍存在，它们来自高温合金不同的制备阶段，在合金生产过程中是难以避免的。虽然微量合金元素对应的含量仅为ppm(百万分之一)级，但它们在高温合金服役过程中对其使用性能起到的作用不可忽略，并且根据元素含量不同，这些微量合金元素对高温合金会产生有益或有害的影响。例如，此前普遍认为镍基高温合金在凝固过程中，由于Zr和B元素在晶界处的偏析稳定了晶界，同时降低了扩散速率，使得蠕变抗性和热加工性得到显著提高。此外，先前研究还表明，Zr元素的存在可以有效净化晶界，减少O、S等有害微量元素含量，对高温力学性能产生有益的作用。
[0003]尽管人们对高温合金中微量合金元素的作用已经有了广泛深入的研究，包括其对合金凝固特性、显微组织、析出行为、力学性能的影响等，但目前仍缺乏对高温合金中微量合金元素作用机制的深入研究。其中，确定微量合金元素的分布及赋存状态成为被关注的主要问题之一。以Zr元素为例，尽管人们普遍认为，在镍基高温合金中，由于γ/γ'相中的特定尺寸和相对较低的溶解度，Zr倾向于在晶界或界面处偏析，但到目前为止，几乎没有直接的实验表征报道。Huang等人(H.
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E.Huang,C.
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H.Koo,Effect of Zirconium on Microstructure and Mechanical Properties of Cast Fine
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Grain CM 247LC Superalloy,Mater.Trans.45(2004)554
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561.)利用俄歇电子能谱表征手段确定了CM 247LC高温合金中Zr的偏析状态。张等人(Z.Jie,J.Zhang,T.Huang,H.Su,Y.Zhang,L.Liu,H.Fu,Effects of boron and zirconium additions on the fluidity,microstructure and mechanical properties of IN718C superalloy,J.Mater.Res.31(2016)3557
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3566.)使用电子探针发现IN718C合金中的Zr元素倾向于偏析成在Laves相中。然而，他们的工作并没有呈现出高温合金中富Zr相的清晰形态和准确分布。
[0004]因此，需要开发一种新的方法确定高温合金中微量合金元素的准确分布状态，该方法应满足制样简单、表征范围全、分辨率高、检测限灵敏、全谱系等要求，从而为高温合金母合金微量元素含量的控制提供准确实验依据和数据支撑。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种高温合金微量元素分布状态的
测定方法，通过电子显微分析、二次离子质谱分析结合能谱分析、原子探针分析、透射电子显微分析以及电子衍射分析相结合的手段，确定目标高温合金中微量元素的分布特征与赋存状态。
[0006]根据本专利技术的一个方面，提供一种高温合金微量元素分布状态的测定方法，包括：
[0007]S1、获取待测高温合金样品；
[0008]S2、对所述待测高温合金样品进行扫描电子显微镜观察，根据观察结果定位目标区域后利用离子源进行大束流轰击，样品表面经清洁处理后，再调整离子束流进行二次离子飞行时间的信号采集，得到高温合金微量元素的偏聚状态；
[0009]S3、根据所述高温合金微量元素的偏聚状态选定目标富微量元素相区域，利用聚焦离子束将所述目标富微量元素相区域原位切割取样；
[0010]S4、将取样后的样品置于透射电子显微镜或三维原子探针设备中，对富微量元素区域进行形貌观察与合金成分分析，并对所述富微量元素区域进行选区电子衍射分析，得到高温合金微量元素分布状态及富微量元素相的晶体结构信息。
[0011]优选地，所述S1包括：对高温合金铸件取样后，加工成上下表面平行的规则片状或块状样品，将所述样品置于无水乙醇或丙酮溶剂超声清洗后，再经镶样、研磨后进行抛光处理，得到所述待测高温合金样品。
[0012]优选地，在S2中，所述目标区域为富微量元素相区域；根据观察结果定位目标区域包括：在扫描电子显微镜下利用飞行时间二次离子质谱分析仪确定出富微量元素相区域。
[0013]优选地，在S2中，利用离子源进行大束流轰击的条件包括：加速电压为30kV，电流为6～8nA。
[0014]优选地，在S2中，调整离子束流进行二次离子飞行时间的信号采集包括：调整离子束流的电流为500pA～1nA。
[0015]优选地，在S3中，根据所述高温合金微量元素的偏聚状态选定目标富微量元素相区域包括：在扫描电子显微镜下利用飞行时间二次离子质谱分析仪确定出目标富微量元素相区域，所述目标富微量元素相区域为在飞行时间二次离子质谱分析中信号强度高于总强度50％且呈现明显聚集的区域。
[0016]优选地，在S3中，利用聚焦离子束将所述目标富微量元素相区域原位切割取样包括：
[0017]S31、在电子束窗口下找到感兴趣区域，在所述感兴趣区域沉积Pt得到厚片；
[0018]S32、经过加工刻蚀将所述厚片与样品本体切割分离，将分离后的厚片转移至铜网上；
[0019]S33、加固所述厚片与所述铜网的连接处，并在所述厚片的顶部沉积Pt进行保护；
[0020]S34、按照由高到低的顺序选择不同的束流反复对所述厚片进行正反面减薄，直至所述厚片达到预设厚度。
[0021]优选地，在S34中，所述束流的电流为40pA～1nA，所述预设厚度小于10nm。
[0022]优选地，所述高温合金为镍基高温合金、钴基高温合金、铁基高温合金和耐热合金钢中的任意一种。
[0023]优选地，所述微量元素包括Zr、Y、B、C、N、O、Si、P、S以及稀土元素中的至少一种。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0025]本专利技术的高温合金微量元素分布状态的测定方法，利用飞行时间二次离子质谱分析对高温合金中进行微量合金元素的分布状态进行表征分析，能够分析ppm级微量元素的分布情况，得到比常规能谱分析更为清晰的微量元素分布特征，结合聚焦离子束切割取样进行具体富元素相的合金成分和晶体结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温合金微量元素分布状态的测定方法，其特征在于，包括：S1、获取待测高温合金样品；S2、对所述待测高温合金样品进行扫描电子显微镜观察，根据观察结果定位目标区域后利用离子源进行大束流轰击，样品表面经清洁处理后，再调整离子束流进行二次离子飞行时间的信号采集，得到高温合金微量元素的偏聚状态；S3、根据所述高温合金微量元素的偏聚状态选定目标富微量元素相区域，利用聚焦离子束将所述目标富微量元素相区域原位切割取样；S4、将取样后的样品置于透射电子显微镜或三维原子探针设备中，对富微量元素区域进行形貌观察与合金成分分析，并对所述富微量元素区域进行选区电子衍射分析，得到高温合金微量元素分布状态及富微量元素相的晶体结构信息。2.根据权利要求1所述的高温合金微量元素分布状态的测定方法，其特征在于，所述S1包括：对高温合金铸件取样后，加工成上下表面平行的规则片状或块状样品，将所述样品置于无水乙醇或丙酮溶剂超声清洗后，再经镶样、研磨后进行抛光处理，得到所述待测高温合金样品。3.根据权利要求1所述的高温合金微量元素分布状态的测定方法，其特征在于，在S2中，所述目标区域为富微量元素相区域；根据观察结果定位目标区域包括：在扫描电子显微镜下利用飞行时间二次离子质谱分析仪确定出富微量元素相区域。4.根据权利要求1所述的高温合金微量元素分布状态的测定方法，其特征在于，在S2中，利用离子源进行大束流轰击的条件包括：加速电压为30kV，电流为6～8nA。5.根据权利要求4所述的高温合金微量元素分布状态的测定方法，其特征在于，在S2中，调整离子束流进...

【专利技术属性】
技术研发人员：周阳，周菲，王俊，梁加淼，康茂东，王晨拓，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：