应用分享 | AES在钛合金增材制造中的应用

Ti-6Al-4V是一种典型的α+β型两相钛合金，在航空、医疗器械、舰船等方面应用普遍。鉴于钛对氧的亲和性好，电子束熔炼（EBM）是钛合金增材制造推荐工艺。然而，在EBM工艺中，只有部分粉末会熔化和凝固，为节省成本，合理利用资源，对于用过的且符合特定化学成分的Ti-6Al-4V 粉末需要进行筛分、回收和重复利用。为进一步研究Ti-6Al-4V粉末在重复使用过程中表面局部位置形貌和化学变化，本案例对多次回收的粉末做了详尽的AES（PHI 700）和XPS（PHI 5000 VersaProbe III）表征。该工作以题为“Surface modification of Ti-6Al-4V powder during recycling in EBM process”发表于《Surface Interface and Analysis》。[1]

值得注意的是，超过90 wt%的Ti-6Al-4V颗粒尺寸在45 ~ 106 μm之间。颗粒表面整体的化学成分和化学态可利用XPS进行表征。但是，颗粒的局部特征需要借助具有更高空间分辨能力的设备来探索。对此，具有高空间分辨率的AES表面分析技术，在对这类亚微米/纳米尺度的微区特征的识别和分析上可以发挥明显优势。 

图1. 利用高分辨AES分别表征原始、回收5次和回收10次的粉末颗粒上不同位点的氧化层厚度。（刻蚀速率：25.6 Å/min，相对于标样Ta2O5）

如图1所示，SEM图像展示了原始（A）、回收5次（B）和回收10次（C）的颗粒表面形貌上的差异。借助高空间分辨的SEM图像，导航定位到感兴趣的区域，结合离子溅射技术(Ar+, 2kV 3×3 mm)对这些微区特征进行了AES深度分析，从而获取不同位点的氧化层厚度。结果表明：局部上，同一颗粒不同位点上氧化层的厚度存在差异；整体上，颗粒氧化层的厚度与回收次数成正比。

图2. 回收5次粉末的AES深度曲线（分析位置分别对应于图1中4(A,C) 和7(B,D)标记点）。

此外，AES深度曲线（见图2）也表明在回收后的同一颗粒不同位置，其深度方向的化学组分/氧化物厚度各不相同。

图3. 回收10次粉末颗粒局部区域的AES分析。

如图3所示，进一步对回收10次的粉末颗粒的局部区域进行AES分析。AES结果显示图3中区域1和2表面的化学组分有着明显差异，区域2几乎是纯的Al氧化物，而区域1还含有Ti-6Al-4V中常见的杂质Fe。该结果再次证实了回收颗粒在化学组分上存在局部差异，且这种不均匀性随着循环利用次数而增加。

图4. 电子束熔化过程中Al原子行为的示意图。

根据XPS和AES实验结果，建立了电子束熔化过程中Al原子行为的模型（见图4）。一方面，Al的蒸发导致表面Al浓度降低。另一方面，由于Al与氧的高亲和力，引起局部氧化而形成富铝的氧化物，这也解释了为何不同粉末颗粒或同一颗粒的不同位置上的局部化学组分/氧化物厚度存在差异。但平均而言，由于氧化钛在表面占主导地位，因而在回收后，颗粒表面的氧化层变厚。由此可见，借助AES可探索重复使用对Ti-6Al- 4V粉末表面特性的影响，并分析回收次数&可用性的标准，从而指导生产。总之，该工作充分体现了AES技术在解决实际生产过程中相关问题的能力，在工艺调控、成本缩减和资源再利用等方面起到重要作用。

AES简介

俄歇电子能谱仪（Auger Electron Spectroscopy, AES）采用场发射电子源入射样品的表面，激发出二次电子（用于形貌观察）以及俄歇电子（用于成分分析）。AES主要用于分析固体材料表面纳米深度的元素（部分化学态）成分组成，可以在纳米级尺度下对表面形貌进行观察和成分表征。AES的分析深度通常为4-50 Å，二次电子成像的空间分辨可达3 nm，成分分布像空间分辨可达8 nm，可分析材料表面元素组成（Li～U），是真正的纳米级表面成分分析设备。可满足合金材料、催化剂、半导体、新能源材料、电子器件等材料和产品的分析需求。

图5. AES基本原理

PHI AES在表面元素鉴定和元素成像上具有突出优势，尤其是在针对具备纳米尺度特征的样品的表征上拥有不可替代的表面分析能力。欢迎联系我们，了解更多详情！

参考文献

[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.