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(lèi)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粒或同一顆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),。總之,,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,??蓾M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.
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