圖 1 電解雙噴的DOE試驗設計與分析流程示意
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制備透射電鏡試樣的方法包括電解雙噴、離子減薄和聚焦離子束等,試樣制備的質量對研究材料的顯微組織至關重要[1-2]。采用電解雙噴法制備金屬材料的透射電鏡試樣,該方法的優點是制樣效率高和成本低。目前,國內外的研究方向主要集中在透射電鏡試樣制備后的顯微組織表征與試驗分析,關于試樣制備工藝流程的系統性研究較少[3-5]。筆者利用電解雙噴儀和場發射透射電鏡,設計了透射電鏡的試樣制備工藝試驗,分析了電解雙噴試驗工藝參數對制樣結果的影響,以縮短試驗周期和提高測試效率。
1. 電解雙噴的試驗設計(DOE)
DOE試驗設計是研究多個因子變量與響應變量關系的有效方法,圖1為電解雙噴的DOE試驗設計與分析流程。流程主要包括透射電鏡試樣預制、選擇試驗因子和水平、正確的試驗設計方法以及試驗模型的驗證分析。通過以上4個步驟的試驗設計,可以對電解雙噴的試樣制備工藝進行標準化研究,形成具有實際參考價值的透射電鏡制樣流程,提供應用測試分析服務案例。
2. 電解雙噴的中心復合響應曲面方法
2.1 試樣預制備
根據JY/T 0581—2020 《透射電子顯微鏡分析方法通則》,選擇DC56D＋Z鋼為試驗對象,在電解雙噴試驗之前進行試樣預制。采用線切割方法將試樣制成尺寸(長度×寬度×高度)為50 mm×50 mm×1 mm的試樣,依次用粒度為300,600,1 000目(1目＝25.4 mm)的砂紙磨制試樣,用丙酮清洗試樣,然后進行沖片處理,使試樣的直徑為3 mm、厚度小于100 μm。利用電解雙噴方法制備透射電鏡試樣。
2.2 因子和水平選擇
在電解雙噴試驗中,選擇不同的因子會影響制備結果的主要參數。影響電解雙噴試樣制備質量的因素主要包括電解液的成分和濃度、雙噴溫度、雙噴電壓、光止值、雙噴液流速和試樣厚度等。電解雙噴液選用5%(體積分數,下同)HClO4＋95%C2H5OH溶液。將小圓片試樣固定于夾具中,并將夾具置于電解雙噴臺上,利用設備特有的預掃描功能,可獲得雙噴電壓的推薦值。將雙噴電壓的水平控制在推薦掃描值及其附近值,包括25,30,35,40,45 V。為了研究光止值對電解雙噴試驗結果的影響,電解雙噴的光止值水平包括25,50,75,100,125,光止值為設備內置相對值,無單位。不同電解雙噴溫度下的雙噴液黏滯性不同,而流速的選擇與此密切相關,選擇在某一電解雙噴液溫度(－25 ℃)條件下,分析不同電解雙噴液的流速對試樣制備結果的影響。將試樣夾具從電解雙噴臺中取出,啟動循環泵,并觀察噴口處的兩束液柱。流速的水平選擇依據兩束液柱剛好接觸時對應的流速及其附近值,分別設置為12.5,15,17.5,20,22.5,該值為設備內置相對值,無單位。在滿足試樣厚度小于100 μm的情況下,選擇試樣厚度為30,40,50,60,70 μm。電解雙噴設備顯示的試驗結果參數包括拋光時間和拋光電流,以此作為響應變量依據,來設計中心復合響應曲面試驗。
2.3 中心復合響應曲面設計方法
響應曲面試驗方法中最常用的是中心復合設計,表1為DC56D＋Z鋼的電解雙噴中心復合響應曲面試驗設計排列。基于試驗因子和水平,試驗時電解雙噴的工藝參數要根據設備精度設定與水平最接近值。試驗分析模型既包括因子主效應和交互效應的影響,又包括彎曲效應的影響。
Table 1. DC56D＋Z鋼的電解雙噴中心復合響應曲面試驗設計排列
| 標準序 | 運行序 | 試驗點類型 | 區組 | 雙噴電壓/V | 光止值 | 流速 | 試樣厚度/μm |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 11 | 1 | 1 | 1 | 30 | 100 | 15.0 | 60 |
| 6 | 2 | 1 | 1 | 40 | 50 | 20.0 | 40 |
| 9 | 3 | 1 | 1 | 30 | 50 | 15.0 | 60 |
| 13 | 4 | 1 | 1 | 30 | 50 | 20.0 | 60 |
| 15 | 5 | 1 | 1 | 30 | 100 | 20.0 | 60 |
| 7 | 6 | 1 | 1 | 30 | 100 | 20.0 | 40 |
| 1 | 7 | 1 | 1 | 30 | 50 | 15.0 | 40 |
| 12 | 8 | 1 | 1 | 40 | 100 | 15.0 | 60 |
| 29 | 9 | 0 | 1 | 35 | 75 | 17.5 | 50 |
| 2 | 10 | 1 | 1 | 40 | 50 | 15.0 | 40 |
| 24 | 11 | －1 | 1 | 35 | 75 | 17.5 | 70 |
| 3 | 12 | 1 | 1 | 30 | 100 | 15.0 | 40 |
| 27 | 13 | 0 | 1 | 35 | 75 | 17.5 | 50 |
| 26 | 14 | 0 | 1 | 35 | 75 | 17.5 | 50 |
| 5 | 15 | 1 | 1 | 30 | 50 | 20.0 | 40 |
| 28 | 16 | 0 | 1 | 35 | 75 | 17.5 | 50 |
| 25 | 17 | 0 | 1 | 35 | 75 | 17.5 | 50 |
| 19 | 18 | －1 | 1 | 35 | 25 | 17.5 | 50 |
| 30 | 19 | 0 | 1 | 35 | 75 | 17.5 | 50 |
| 31 | 20 | 0 | 1 | 35 | 75 | 17.5 | 50 |
| 21 | 21 | －1 | 1 | 35 | 75 | 12.5 | 50 |
| 4 | 22 | 1 | 1 | 40 | 100 | 15.0 | 40 |
| 18 | 23 | －1 | 1 | 45 | 75 | 17.5 | 50 |
| 8 | 24 | 1 | 1 | 40 | 100 | 20.0 | 40 |
| 14 | 25 | 1 | 1 | 40 | 50 | 20.0 | 60 |
| 22 | 26 | －1 | 1 | 35 | 75 | 22.5 | 50 |
| 16 | 27 | 1 | 1 | 40 | 100 | 20.0 | 60 |
| 17 | 28 | －1 | 1 | 25 | 75 | 17.5 | 50 |
| 20 | 29 | －1 | 1 | 35 | 125 | 17.5 | 50 |
| 10 | 30 | 1 | 1 | 40 | 50 | 15.0 | 60 |
| 23 | 31 | －1 | 1 | 35 | 75 | 17.5 | 30 |
3. 電解雙噴的響應曲面試驗結果
3.1 電解雙噴的試驗分析模型
根據表1安排完成電解雙噴試驗,對因子變量和響應變量進行回歸分析。試樣性質差異等因素會影響試驗結果的誤差,因此需要對試驗分析結果的異常點至少進行3次重復試驗,并取其平均值,得到置信度為95%的DC56D＋Z鋼電解雙噴試驗結果分析模型。對拋光時間和拋光電流的擬合值和實際值進行對比,并繪制系統散點圖,結果如圖2所示。由圖2可知：散點圖的響應變量擬合值和實際值基本分布在45°線附近,驗證了試驗分析模型的準確性。
圖 2 DC56D＋Z鋼的電解雙噴試驗系統散點圖
為了指導實際電解雙噴工藝試驗,在此試驗工藝條件的95%預測區間,對拋光時間和拋光電流范圍進行預測,結果如圖3所示。由圖3可知：拋光時間預測為1.6～102.4 s,拋光電流預測為23.6～58.8 A,結果可為電解雙噴的試驗工藝提供參考。
圖 3 DC56D＋Z鋼的電解雙噴響應變量預測范圍
3.2 透射電鏡分析
為了驗證電解雙噴試驗后的試樣制備效果,對電解雙噴后的DC56D＋Z鋼試樣進行透射電鏡分析,結果如圖4所示。由圖4可知：在低倍下可以觀察到試樣薄區形態,找到試樣薄區的合適位置,可以在較高倍數下明顯地分辨出DC56D＋Z鋼的晶界特征。
圖 4 DC56D＋Z鋼的透射電鏡形貌
4. 結論
(1) 選擇DC56D＋Z鋼的電解雙噴主要影響因子,包括雙噴電壓、光止值、流速、試樣厚度等,響應變量包括拋光時間和拋光電流。綜合考慮因子的主效應、交互效應和彎曲效應的影響,制定了中心復合響應曲面試驗方案。
(2) 通過回歸分析建立了響應變量和因子變量的關系模型,并利用散點圖進行試驗分析模型檢驗。在該試驗參數選擇條件下,對響應變量進行了范圍預測,得到拋光時間預測為1.6～102.4 s,拋光電流預測為23.6～58.8 A。在該條件下對DC56D＋Z鋼進行透射電鏡分析,可以清晰地分辨出材料的晶界特征。
文章來源——材料與測試網
浙公網安備 33042402000106號
