當前金相制備設備存在的問題與解決方法教學探索

[摘 要] 材料科學以實驗為基礎，在其研究和發展過程中，只有通過金相檢驗才能完整的解釋各種材料的微觀組織結構和性能之間的相互關系。結合中國民航大學材料專業金相實驗教學，總結和分析了金相試樣制備的基本過程及注意事項，梳理了當前金相教學和科研過程中金相制備設備存在的加載精度差、無法實現多種功能液的定量供給、無法實現定量磨拋及制備過程非連續性等問題。在此基礎上，結合教學和科研經驗，提出了獲得質量優良且穩定的金相試樣的方法。

[關鍵詞] 金相試樣制備;金相教學;質量優良;質量穩定

[基金項目] 2019年度中國民航大學實驗技術創新基金“多功能金相制備實驗臺的設計與研制”（2019CXJJ08）;2020年度天津市教委科研計劃項目“基于貝殼仿生結構設計和晶須增韌機理的復合結構YSZ基封嚴涂層制備及失效機理研究”（2020KJ030）

[作者簡介] 程濤濤（1987—），男，河南信陽人，碩士，中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室實驗師，主要從事材料表面工程研究。

[中圖分類號] TG113? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）21-0037-04? ?[收稿日期] 2020-11-19

一、引言

材料科學以實驗為基礎，在其研究和發展過程中，只有通過金相檢驗才能完整的解釋各種材料的微觀組織結構和性能之間的相互關系。許多具有優異性能材料的重大進展常常可追溯到對于它們微觀組織結構的確定和控制。工藝的目的是為了得到可控的微觀組織結構，從而得到所需要的性能。金相檢驗技術的進步與發展對航空航天、冶金、機械制造、動力、能源、建筑、國防等部門，無論是現在還是將來都會產生巨大的影響。

金相試樣是金相檢驗的載體，金相檢驗的準確與否取決于是否得到了合格的金相試樣[1-3]。金相試樣的制備主要包括試樣的取樣、鑲嵌、打磨（粗磨、精磨）、拋光（粗拋、精拋）、清潔處理及腐蝕處理，其中的每一個環節的操作是否恰當都會影響到最終金相試樣的質量。

二、金相教學面臨的挑戰

我校材料專業大三年級的學生，在專業基礎課“材料科學基礎”中的“金相試樣的制備及觀察”實驗項目中，第一次接觸到金相試樣制備的實驗，實驗教學過程中使用的試樣材料為45號鋼，顯微組織為鐵素體+珠光體，為傳統的金屬材料。通過本次金相實驗課程的學習和實踐，學生能夠掌握傳統金屬材料金相試樣制備的設備、原理、流程和實驗方法。

在掌握傳統金屬材料金相試樣制備的設備、原理、流程和實驗方法的基礎上，我校材料專業的學生在大四年級進入專業課的學習階段，在“航空材料”“功能材料”“表面工程技術”“材料失效分析”等實驗課程中，涉及多種非傳統金屬材料金相試樣的制備實驗項目，如飛機起落架和襟翼滑軌中常用的超音速火焰噴涂碳化鎢耐磨涂層，航空發動機壓氣機中常用的等離子噴涂鋁硅聚苯酯封嚴涂層，航空發動機燃燒室中常用的等離子噴涂氧化釔部分穩定的氧化鋯熱障涂層，航空發動機中壓/高壓渦輪氣路封嚴中常用的金屬蜂窩材料，等等。由于上述各種功能材料與傳統金屬材料（如鋼鐵材料）顯微組織結構的差異性，使得許多學生基于“材料科學基礎”中的45號鋼的金相試樣制備設備、流程和實驗方法，得到的上述各種功能材料的金相試樣中出現了多種非真實的顯微組織結構。

三、金相制備過程分析

金相試樣制備的目的是為了觀察和分析材料的顯微組織結構。在金相制備過程中，取樣、打磨和拋光等環節涉及機械力和熱載荷等影響因素，鑲嵌環節涉及熱載荷和壓力等影響因素，腐蝕環節涉及化學和電化學等影響因素。所有的金相制備環節的實施均要求盡量避免或減小對材料顯微組織結構的損傷，從而保證最終得到真實的金相組織。

1.取樣。可采用手鋸、電動無齒鋸、金相試樣切割機、高速切割機、線切割機及高壓水切割機等設備進行取樣。其中，手鋸及電動無齒鋸操作簡便，切割效率高，設備成本及取樣成本均很低，適合直接從零部件或者從較大的試樣上取樣。但是由于切割過程沒有冷切作用和切割速度較快，容易造成切割區域的高溫和變形（切割影響區），導致后續的粗磨過程需要消耗更多的時間用來去除切割影響區。金相試樣切割機、高速切割機、線切割機和高壓水切割機等四種設備在切割過程中均有冷切水的加入，并且可以不同程度地控制切割速度，因此切割影響區較小，可以節省后續粗磨的時間。其中，采用高速切割機和線切割機取樣后，甚至可以省去粗磨的步驟，但是與前兩種取樣設備相比，后四種設備的成本和取樣成本均較高。

2.鑲嵌。取樣之后，如果試樣較小或者形狀不規則，為了方便后續過程的夾持，需要進行鑲嵌處理。對于實體材料，如合金材料，通常采用的是熱鑲嵌的方法，采用的設備為金相試樣鑲嵌機，其基本過程為：將待制備的金相試樣置于金相試樣鑲嵌機的模具中，加入一定量的鑲嵌材料，然后加壓（可使用機械的方法或氣動的方法）和加熱，并保溫一定的時間，最后等待鑲嵌試樣自然冷切或使用冷切水加速冷切之后，取出試樣。對于多孔材料，其強度一般較低，如熱噴涂涂層，其粒子層間界面結合率最大約為32%，涂層中三分之二的粒子界面為未結合界面，涂層的綜合強度（性能）僅為實體材料的10%～30%[4]。多孔材料通常需要進行真空輔助的冷鑲嵌處理，一方面，可以避免熱鑲嵌過程中的熱載荷和機械力對較低強度多孔材料微觀組織結構的破壞;另一方面，冷鑲嵌樹脂在真空輔助下，可以充分地滲透和包裹在多孔材料周圍，避免在后續打磨和拋光過程中磨粒和拋光材料的切削力對多孔材料的微觀組織結構的損傷。

3.粗磨。對于切割影響區較深的試樣或者不平整的試樣表面，一般使用80目的金相砂紙進行粗磨，其目的為較快地去除切割影響區和獲得平整的試樣表面，為后續的精磨過程打好基礎。