案例分析 | 利用光学显微镜和激光光谱的2合1解决方案对带涂层的环状螺旋弹簧执行深度剖析和分层分析

除了同时进行视觉和化学检查外，结合了光学显微镜和激光诱导击穿光谱技术（LIBS）的2合1材料分析解决方案还可用于高效执行深度剖析。深度剖析可以成为整个材料分析工作流程的其中一环。本文讨论了用2合1解决方案对涂层材料进行快速深度剖析的方法。检测具有多层涂层，或散装材料内有多种成分的部件或零件时，深度剖析是非常有效的方法。印刷电路板（电子）上的涂层和车辆（汽车和运输）上的油漆和防腐蚀涂层就很适合进行深度剖析。2合1解决方案可以大幅节省材料分析的成本和时间。在生产、质量控制、故障分析或研发过程中，如果数据足够相关、准确、可靠，那么决策者就能更快、更有信心地作出决策。

介 绍

金属合金、汽车、航空航天、运输和电子等行业的产品和应用，以及金相学、地球科学和材料科学等领域都离不开材料分析[1-3]。面对日益激烈的竞争和日益严苛的标准，如何选择经济高效的方式来保障产品的质量或研究结果的可靠性，以进行后续创新已然成为了一个严峻的问题。

采用多种技术对材料进行目视检查，然后确定其局部成分的方法，需耗费大量的时间和成本[1-3]。高分辨率、高对比度的显微镜可用于执行目视检查，化学/元素光谱分析可用于确定材料成分。制定具体应用的后续行动方案之前，通常要先了解材料的微观结构和成分的可靠数据。如果时间和预算有限，迫使人们必须采取有效的方法来迅速做出正确决策时，获取这些数据就更加重要了。

在部分检查中，如质量控制（QC）和故障分析（FA），人们必须要能识别多层涂层，以及从基材到表面的成分变化情况[4-6]。这些需求广泛分布于各行各业，如电子（焊接和PCB表面涂层）和汽车/运输和建筑（油漆和防腐蚀涂层）行业，以及法医领域（事故调查）。材料涂上涂层后，可以赋予零部件特定的机械或电气性能，或者仅仅是保护它们免受磨损、风化和腐蚀。涂层可以有多个层次，分别由多种材料构成。检测具有多层涂层，或从基材到表面有多种成分的零部件时，深度剖析可以确定每层材料或特定深度的成分。此外，甚至还可以显示关键层是否存在。

下面介绍使用徕卡显微系统的DM6 M LIBS材料分析解决方案进行深度剖析和分层分析的情况。

材料的深度剖面分析

LIBS方法利用激光烧蚀，对涂层和组件材料进行微钻（µ-drill）。微钻的作用包括：

• 深度剖析，以确定成分随材料深度变化的情况；

• 对多层油漆或涂层材料进行分层分析；

• 表面清洗，以去除氧化物或污染物。

图1为在钢合金上进行微钻的示例。

图1：A) 示意图显示了具有多层涂层材料的横截面和一个微钻钻孔，其中宽度和深度已标明。B）带有微钻钻孔的钢材图像（用红色箭头标记）。

涂层材料的分层分析

一个由铜（Cu）制成，并涂有镍（Ni）和银（Ag）的环状螺旋弹簧经过了深度剖面分析。分析采用的是DM6 M LIBS解决方案的微钻和LIBS功能。弹簧的各层和基材都经过了分析。

环状螺旋弹簧是在两端连接的盘状弹簧，外观呈圆形，常用于电机密封、皮带驱动的电机和电气连接器中。图2显示了环状螺旋弹簧的照片和材料截面的示意图。

环状螺旋弹簧的深度剖面分析数据如下所示。我们在弹簧材料上共进行了8次激光微钻，以分析从表面到基材的成分。每次激光微钻大约可以在焦点位置烧蚀5微米，具体视材料性质而定。进行8次激光微钻，并获取3份光谱数据的总用时在1到2分钟之间。

图2中的结果显示了以下光谱：

• 顶层是第1次激光微钻时打开的，材质是银；

• 下一层是第4次激光微钻时打开的，材质是镍；

• 第8次微钻打开的材质是铜。

图2：A) 涂有银和镍层的铜质环状螺旋弹簧的图片，我们采用LIBS和微钻对其进行深度剖析。B) 显示铜质弹簧材料截面的示意图。

为确定弹簧各层和基材的LIBS光谱数据与数据库中的参考元素光谱的匹配程度，我们计算了两者的匹配度。下表1为各层和基材材料的数值。然后我们选择了与测量光谱匹配度最 高的元素参考光谱来确定材料成分。

表1：对比LIBS获得的环状螺旋弹簧光谱与数据库中特定元素Ag、Ni和Cu的参考光谱，其匹配度如上表所示。

小 结

本文介绍了使用徕卡显微系统DM6 M LIBS材料分析解决方案对带涂层的环状螺旋弹簧（电机或电子元件）进行深度剖析的方法。对材料进行微钻后，即可获得弹簧的2个涂层和基材的光谱，整个过程仅需1到2分钟。

材料分析对各类产品开发（R&D）、质量控制（QC）、故障分析（FA）和技术应用都很重要，并且广泛应用于许多行业和领域中。通常这种分析的时间和预算都是有限的，但获得可靠结果和保障产品质量始终非常重要[1-3]。

对于具有多层涂层，或材料内部包含多种成分的部件执行检查、质量控制或FA时，有时需要做深度剖析。比如，油漆和防腐涂层就需要进行深度剖析。深度剖析可以确定各层材料或特定深度的成分。

相关产品

徕卡DM6 M LIBS

简介

       岩石、土壤、玻璃、陶瓷、焚烧灰等的主要组成成分是元素的氧化物。

       进行这些元素分析，对学术研究、材料的功能性和实用性评估非常重要。

       X射线荧光光谱仪能提供快速、无损的元素分析。下面显示两种分析结果:简便分析只需一触按钮就可获得，手动分析是在传统的人工设置条件下进行的。通过简便分析能快速地知道各元素的浓度量级，利用手动分析可以使分析精度更高。

       各种标准样品的测试实例

       钠玻璃(NIST1831)

       火山灰（安山岩）

       火成岩（橄榄石）

简介

       分析产品中混入的或附着的异物是判明混入途径及故障原因的重要信息来源。X射线荧光分析仪(ED -XRF)对任何状态的样品不管是固体、液体或是粉末，都能提供快速、无损的元素分析，因而可以作为预筛选仪器使用。

ED-XRF

       根据ED-XRF元素分析的结果，能够确认存在Sn和Cu。但不存在和FP法简便定量分析结果一致的基底材料。为了具体分析该异物，下面利用SEM-EDS进行了EDS元素面分布。

SEM-EDS

       从SEM-EDS的背散射电子像中能够确认存在两种不同的颗粒。根据每种颗粒的EDS面分布图，判明小颗粒是Cu，大颗粒是Sn。

       ED-XRF能简便、快速地提供有关所含元素的信息，对判断异物很有帮助。对类似这样混合了两种以上元素的合金，利用SEM-EDS元素面分布便是异物分析的有效分析方法。多利用X射线萤光分析能够获得有关异物的元素种类、附着状态等信息，对判明异物附着的原因很有帮助。

       SEM（扫描电子显微镜）利用CP ( 截面抛光仪)制备的截面样品，能直接观察、分析镀层的横截面。XRF（X射线荧光光谱仪）虽然不能观察截面的状态，但可以快速、简便地测量膜厚，在评估大批量生产时的不确定度、膜厚的均匀性等测试大量样品的时候非常有效。将用于观察的SEM和用于膜厚分析的XRF结合起来使用，可以实现GX率的质量管理。

分析实例：镍镀层的交叉检查分析

       镀层厚度是决定产品的特性、质量的重要因素。因此，对膜厚有着多种测试、分析和评定方法。化学镀镍被广泛应用于电子/电器部件的表面处理，下面是对镀镍层进行的交叉检查：利用扫描电子显微镜(SEM)直接观察截面、利用X射线荧光光谱仪(XRF)进行膜厚分析。

1.用XRF测试膜厚

60秒钟测试

分析结果 

3.74 μm

定量结果

P：8.3 mass%

Ni：91.7 mass%

无需前处理，能快速测试。

还能对Ni、P的成分同时进行定量分析。

2.用SEM观察截面

膜厚测量结果

平均 3.73 μm

能在放大观察镀层截面的同时进行测长。

安装选配件EDS，还能进行镀层截面的元素分析。

简介

       合金中所添加元素的种类及浓度是决定材料特性的要素，尽管外观可能相同，但其种类或特性却有差异，合金分析在制造过程及质量管理中起着重要作用。

       X射线荧光光谱仪能提供快速、无损的元素分析，是合金分析的有效方法之一。下面显示两种分析结果：简便分析只需一触按钮就可获得，手动分析是在传统的人工设置条件下进行的。

各种标准样品的测试实例

铝合金(A5083)

不锈钢(SU S316)

铜合金(CDA642)

钛合金(TI16-2-4-2)