參數設置對鎂/鋁合金電子探針面分析結果的影響

于鳳云，劉曉英，李春艷

(大連理工大學 材料科學與工程學院，大連 116024)

電子探針面分析是將聚焦直徑為0.1～300 μm的高能電子束輻照樣品表面，然后通過波譜儀檢測元素在某一個特定區域的分布情況。電子探針面分析可直觀地顯示合金表面元素的分布狀態，已經在各個領域得到廣泛應用[1-4]。稀土元素及其他微量元素加入鎂、鋁合金中時，可使其在成型過程中析出強化相，從而提高材料的強度[5-6]。電子探針面分析是鎂、鋁合金研究中常用的分析方法，主要用于分析合金制備過程中添加的微量元素的分布情況，進而掌握合金制備關鍵工藝參數的臨界值及其匹配關系。

筆者通過JXA-8530FPlus型電子場發射電子探針對兩種鎂、鋁合金樣品進行面分析，研究電子探針波譜儀面分析參數設置對面分析結果的影響，并分析了影響機理，以使電子探針面分析更好地在鎂、鋁合金中得到應用。同時，面分析參數設置方法可在測試其他合金時，為同行提供參考。

1 電子探針工作原理

電子探針的工作原理是將樣品中激發的特征X射線經過一個晶面間距為d的分光晶體，干涉分光后通過X射線探測器接收此信號，如圖1所示。

圖1 波譜儀工作原理圖Fig.1 The working principle of WDS

(1)

式中：L為測試點與分光晶體的距離;R為羅蘭圓半徑;d為分光晶體的晶面間距;n為整數;λ為X射線的波長。

發生干涉的必要條件，即為滿足布拉格方程，如圖2所示[7-8]，布拉格方程見式(2):

圖2 布拉格衍射定律示意圖Fig.2 Diagram of Bragg diffraction law

2dsinθ=nλ

(2)

式中:θ為入射角。

樣品被分析點、分光晶體和探測器須滿足等腰三角形關系，人為地將這三點共圓，此圓稱之為羅蘭圓[9]。

當電子束轟擊樣品時，連續輻射(韌致輻射)疊加在特征譜上同時產生，連續譜是背景譜線的主要來源，因而也是限制特征X射線檢測靈敏度的主要因素。布拉格方程條件和連續背景譜線是影響分析結果精度的重要因素[8,10]。

2 電子探針在鎂合金中的應用

圖3給出了鎂合金的電子探針面掃描分析圖像。釔元素在析出相上偏聚，基體主要為鎂元素。圖3 a)和b)是鎂元素面分布圖，可見結果明顯不同，發生了矛盾。圖3 a)為CH1通道中TAPL晶體測試結果，在析出相右側出現貧鎂區域，區域大小1.5 μm×1.5 μm。圖3 b)為CH3通道中TAPH晶體測試結果，在析出相下方出現貧鎂區域，區域大小1.5 μm×1.5 μm。圖3 c)為分析區域的二次電子圖像，可以看到此處析出相顏色亮，為凸起相，且尺寸大小約1.5 μm×1.5 μm。圖3 d)為釔元素面分布圖，主要分布在析出相中，且并沒有受到樣品表面不平的影響。

圖3 鎂合金樣品的電子探針面分析結果Fig.3 Mapping analysis results of Mg alloy sample:a)mapping of Mg element by TAPL crystal in CH1;b)mapping of Mg element by TAPH crystal in CH3;c)secondary electron diagram;d)mapping of Y element

圖3 a)和b)中鎂元素面分布圖出現不真實結果，這是樣品表面不平整及電子探針結構與工作原理所致，如圖4所示[11]。圖4 a)為電子探針橫向剖面圖，其中波譜儀的5個通道順時針按照1～5排序，每個通道有兩塊晶體用于分析元素特征X射線，晶體樣品及接收器必須在同一個羅蘭圓上。圖4 b)為CH1通道TAPL晶體信號取出位置，在析出相右側(通道相反方向)基體信號被凸起析出相遮擋，因為取出角為40°，即析出相右側約有與析出相高度為邊長的四方形區域信號接收不到，所以在鎂元素面分析時析出相右側出現了貧鎂的現象[圖3 a)]。同樣，CH3通道中TAPH晶體分析的面分析結果在晶體相反方向，即析出相下方出現貧鎂的現象[圖3 b)]。

圖4 電子探針結構及晶體信號取出位置Fig.4 Structure of EPMA and the emerging position of crystal signal:a)cross section of EPMA;b)the emerging position of channel CH1 crystal signal

JXA-8530F plus型電子場發射電子探針上的波譜儀配有5個通道，每個通道2塊晶體，共有10塊晶體，晶體分布情況如圖4 a)所示。筆者選擇CH1和CH3通道中的TAPL和TAPH兩塊晶體同時測試鎂元素的面分布，通過最大值法彌補由于析出相凸起與晶體通道方向不同造成的信號減弱的現象，從而更真實地反映鎂元素分布情況，結果如圖5所示。

圖5 經由最大值法彌補獲得的鎂元素面分布圖Fig.5 The obtained Mg element mapping compensated by maximum method

3 電子探針在鋁合金中的應用

圖6為鋁合金中基體元素鋁與超輕元素硼的面分布結果。可見白色顆粒析出相中超輕元素硼發生偏聚，在基體中硼元素分布在圖6 a)和圖6 b)中表現不同。圖6 a)中面分析參數選擇為Peak時，只檢測了峰值counts值，基體明顯有硼元素分布。圖6 b)中面分析參數選擇為Peak/BG-時，檢測了峰值和峰背景兩點counts值，試驗時間翻倍，扣除了峰背景信號，鋁基體中固溶硼元素低于灰色析出相區域硼元素含量，反映出合金真實情況。

圖6 鋁合金樣品的電子探針面分析結果Fig.6 Mapping analysis results of Al alloy sample:a)mapping of B element when the analysis parameter was set to Peak;b)mapping of B element when the analysis parameter was set to Peak/BG-;c)backscattering electron diagram;d)mapping of Al element

圖6 a)表明基體明顯存在硼元素，這是由于硼元素在面分析過程中受鋁基體影響較大，測得的硼元素真實峰值沒有扣除峰背景影響造成的。Peak Ture真實峰值等于實測Peak峰值減去BG-基線數值，如圖7所示[12]。如若不扣除BG-，會因為不同區域峰背景高低不同造成偏離真實分布規律的情況。

圖7 測試峰值與真實峰值的關系Fig.7 Relationship between the peak and the peak ture

在進行面分析時，建議首先在硼元素偏聚相和鋁基體上對硼元素進行尋峰處理，位置如圖6 c)中的1和2所示。尋峰結果如圖8所示。

圖8 硼元素尋峰結果Fig.8 The peak finding results of B element:a)location 1 of Fig.6 c);b)location 2 of Fig.6 c)

圖8 a)為鋁基體處尋峰結果，可以看到BG-強度為2 400。圖8 b)為析出相處尋峰結果，顯示BG-強度為1 500，不同區域BG-強度值對峰值貢獻不同，面分析試驗時參數設置選擇Peak/BG-或者Peak/BG+模式，避免BG-(BG+)強度值對峰值貢獻不同所產生的偏差。當元素含量少時，如若選擇Peak模式進行面分析，則

IPeak=IPeak Ture+IBG-，

(3)

式中：IPeak為峰位置計數強度；IBG-為基線位置計數強度；IPeak Ture為峰位置真實計數強度。

元素含量少，IPeak Ture值小，假設可以忽略，則IPeak≈IBG-，BG強度IBG-對峰值IPeak影響大。如圖8所示，峰背景BG-達到2 400，數值較大，故鋁基體面分析硼元素分布規律容易出錯，這時面分析請選用Peak/BG-或者BG+模式。這一現象主要發生在波長較長的微量元素測試中。

4 結論

(1)鎂基體中釔元素形成的硬質凸起析出相會使得基體在進行面分析時由于凸起物遮擋信號導致析出相附近出現貧鎂假象。通過設置同一元素，不同通道晶體進行面分析，可以有效解決樣品表面不平整而引起假象的問題。

(2)鋁合金中微量超輕元素硼在電子探針面分析時，分析條件選用Peak效率高，但是很有可能出現假象，建議在初次試驗時，先進行超輕元素尋峰判斷或者直接選用Peak/BG+或者Peak/BG-分析條件，來提高試驗結果的可靠性。