鈦及其合金因具有低密度、高比強(qiáng)度、耐蝕和生物相容性良好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在航空航天、船舶、石油化工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-4]。工業(yè)純鈦在室溫下為密排六方結(jié)構(gòu)，這種低對(duì)稱(chēng)性的晶體結(jié)構(gòu)使其在室溫下的獨(dú)立滑移系數(shù)較少，只有 4 個(gè)，包括{0002}<11-20>基面滑移和{10-10}<11-20>柱面滑移。 Von-Mises 準(zhǔn)則指出，實(shí)現(xiàn)任意塑性變形需要啟動(dòng) 5 個(gè)獨(dú)立滑移系，因此必須借助孿晶來(lái)實(shí)現(xiàn)純鈦的塑性變形[5-7]。

純鈦在服役過(guò)程中常受到循環(huán)載荷而發(fā)生復(fù)雜的塑性變形，期間伴隨變形孿晶的形成和退去，即孿晶和退孿晶[8]。目前純鈦在孿晶過(guò)程的研究已經(jīng)取得了可觀的成果[9-13]，而有關(guān)純鈦退孿晶過(guò)程的研究較少[9]，對(duì)這方面進(jìn)行研究有助于純鈦在復(fù)雜環(huán)境中更好地服役。

近年來(lái)，基于掃描電鏡(SEM)的電子背散射衍射(EBSD)與數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)相結(jié)合的技術(shù)已被較多地用于研究金屬材料的變形損傷[14-15]。為進(jìn)行 EBSD 表征，首先通過(guò)電解拋光或振動(dòng)拋光去除試樣表面的變形層來(lái)獲得光滑的表面，隨后通過(guò)氣相沉積使試樣表面隨機(jī)附著微小顆粒，形成特征散斑[16]。使用 SEM 采集試樣在變形過(guò)程中的表面形貌可得到不同應(yīng)變下具有特征散斑的 SEM 圖像，再通過(guò) DIC 方法追蹤 SEM 圖像中的特征散斑，可計(jì)算出試樣變形的應(yīng)變場(chǎng)分布。這一技術(shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 EBSD 表征和應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量，直觀地建立了微觀尺度的晶格變形和介觀尺度應(yīng)變場(chǎng)間的聯(lián)系，提供了更加豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，受到了廣泛的關(guān)注[17-18]。但由于預(yù)制變形孿晶的純鈦試樣內(nèi)部積累了大量的塑性變形，EBSD 表征難度有所增加，如進(jìn)一步在預(yù)制孿晶的純鈦試樣表面附著微小顆粒，則有可能大幅降低 EBSD 花樣標(biāo)定率。

電解拋光是實(shí)現(xiàn) EBSD 表征的有效方法之一[19]。純鈦常用的電解拋光液有高氯酸?甲醇[20]和高氯酸?冰醋酸[21]兩種體系，其中高氯酸和甲醇按體積比 1∶9 混合時(shí)的電解拋光效果較好。高氯酸對(duì)純鈦表面的氧化膜具有較強(qiáng)的滲透性，可以有效分離基體金屬表面的氧化膜，提高電解效率，甲醇則被認(rèn)為是去除 TiO₂最有效的穩(wěn)定劑之一[22-23]。對(duì)于同種電解液，電解拋光電壓、電流、溫度和時(shí)長(zhǎng)均會(huì)影響電解拋光效果，其中以電壓和電流的影響最為明顯[24]。合理調(diào)控電解拋光參數(shù)可在消除應(yīng)力層的同時(shí)在試樣表面制備出特征散斑。本文選用 1∶9 的高氯酸?甲醇體系進(jìn)行電解拋光，研究了電壓和電流對(duì) EBSD 花樣標(biāo)定率和表面形貌的影響，確定可實(shí)現(xiàn)預(yù)制孿晶的純鈦退孿晶過(guò)程 EBSD 表征和應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量的最佳電解拋光參數(shù)。

1、 實(shí)驗(yàn)

1.1材料及其孿晶試樣的制備

加工樣品為工業(yè)純鈦板材，其元素組成為：鈦 99.6%，鐵 0.2%，氧 0.06%，碳 0.04%，其他 0.1%。

如圖 1 所示，純鈦的晶粒形狀接近等軸晶，平均晶粒尺寸為 50 μm。

圖 1 純鈦的 EBSD 取向圖

Figure 1 EBSD inverse pole figures of pure titanium

為研究純鈦的退孿晶行為，沿軋制方向?qū)A柱形原始樣品進(jìn)行應(yīng)變率為 10?3 s?1 的預(yù)壓縮加載，使其發(fā)生工程應(yīng)變?yōu)?0.09 的變形，即得含大量孿晶的純鈦。

1.2電解拋光

拉伸試樣經(jīng)砂紙和 SiO2 拋光液拋光后采用無(wú)水乙醇進(jìn)行超聲波清洗，烘干后使用電解拋光系統(tǒng)在其表面制備出特定形貌的微觀組織，用于 SEM 和 EBSD 分析。電解拋光系統(tǒng)由直流電源、電極、電解池、冷卻槽、計(jì)時(shí)器和磁力攪拌器組成，如圖 2 所示。銅棒做陰極，樣品做陽(yáng)極，冷卻槽中添加液氮調(diào)節(jié)電解液溫度，電解電壓由電源控制，電解電流通過(guò)電極間距來(lái)調(diào)節(jié)，電解過(guò)程中使用磁力攪拌，溫度?32 °C，時(shí)間 3 min。

圖 2 電解拋光裝置示意圖

Figure 2 Schematic diagram showing the equipment for electropolishing

1.3退孿晶分析和測(cè)量方法

運(yùn)用自制微型材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)電解拋光后的純鈦試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸加載，使其發(fā)生工程應(yīng)變?yōu)?0.03的變形，拉伸應(yīng)變率均為 10?3 s?1。分別運(yùn)用配備 EBSD 探頭的 FEI Quanta 250 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡拍攝加載前后試樣的表面形貌，并進(jìn)行原位 EBSD 表征，試樣相對(duì)于水平面傾斜 70°，電鏡的工作電壓為 20 kV，工作距離為 15 mm，掃描步長(zhǎng)為 1.1 μm。根據(jù)采集的 EBSD 數(shù)據(jù)，使用 HKL Channel 5 軟件分析孿晶變形，采集的 SEM 圖像則使用開(kāi)源 DIC 軟件 Ncorr 進(jìn)行處理，獲得純鈦?zhàn)冃蔚母窳?拉格朗日 Exx 應(yīng)變場(chǎng)。

2、 結(jié)果與討論

2.1電解拋光電壓的確定

在較低的電壓(12 V)下電解拋光后，純鈦試樣表面十分光滑，不同區(qū)域的圖像灰度幾乎相同(見(jiàn)圖 3a)；增大電解拋光電壓至 14 V 時(shí)，試樣表面的粗糙度增大，少量區(qū)域的圖像灰度與周?chē)尸F(xiàn)明顯的差異，表現(xiàn)為明暗相間(見(jiàn)圖 3b)，在 DIC 方法中將這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為特征散斑，但由于此時(shí)的特征散斑較少且尺寸較大，依舊難以進(jìn)行 DIC 計(jì)算。隨著電解拋光電壓增大到 16 V 和 18 V，純鈦試樣的表面粗糙度明顯增大，發(fā)生不規(guī)則溶解(即點(diǎn)蝕現(xiàn)象)，SEM 照片上呈現(xiàn)出大量特征散斑(見(jiàn)圖 3c 和 3d)，可用于 DIC 計(jì)算。為確定最佳電解拋光電壓，需進(jìn)一步對(duì)比圖 3c 和圖 3d 的 EBSD 花樣標(biāo)定率，結(jié)果見(jiàn)圖 4(未進(jìn)行去噪和迭代處理)。可見(jiàn) 16 V 下拋光試樣的 EBSD 花樣標(biāo)定率為 98%，明顯高于 18 V 下拋光試樣的標(biāo)定率(90%)。

綜合考慮表面形貌和 EBSD 花樣標(biāo)定率，選擇電解拋光電壓為 16 V。

圖 3 在不同電壓下電解拋光后純鈦的掃描電鏡照片(電流密度 9.3 ~ 10.3 mA/mm2)

Figure 3 SEM images of pure titanium after being electropolished at different voltages (current density 9.3-10.3 mA/mm2)

圖 4 不同電壓下電解拋光后純鈦樣品的 EBSD 取向圖(電流密度 9.3 ~ 10.3 mA/mm²)

Figure 4 EBSD inverse pole figures of pure titanium after being electropolished at different voltages (current density 9.3-10.3 mA/mm²)

2.2電解拋光電流密度的確定

從圖 5 可明顯看出，電解拋光的電流密度較低(7.4 ~ 8.3 mA/mm2)時(shí)，試樣表面較光滑，無(wú)特征散斑。

隨著電解拋光電流密度的增大，試樣表面均呈現(xiàn)出大量的特征散斑，可用于 DIC 計(jì)算。從圖 6 可知，在電流密度為 8.3 ~ 9.3 mA/mm2 和 10.3 ~ 11.3 mA/mm2 時(shí)，電解拋光試樣的 EBSD 取向圖的標(biāo)定率分別為96%和 82%。在 10.3 ~ 11.3 mA/mm2 下電解拋光的試樣的 EBSD 標(biāo)定率較低，應(yīng)排除。從圖 4a 和圖 6a

圖 5 在不同電流密度下電解拋光后純鈦的掃描電鏡照片(電壓 16 V)

Figure 5 SEM images of pure titanium after being electropolished at different current densities (voltage 16 V)

圖 6 不同電流密度下電解拋光純鈦的 EBSD 取向圖(電壓 16 V)

Figure 6 EBSD inverse pole figures of pure titanium after being electropolished at different current densities (voltage 16 V)

可看出，在電流密度 8.3 ~ 9.3 mA/mm2 和 9.3 ~ 10.3 mA/mm2 下電解拋光試樣的特征散斑均分布較好，且二者的 EBSD 標(biāo)定率非常接近，因此需要進(jìn)一步對(duì)比它們的 DIC 計(jì)算結(jié)果。

于是對(duì)在 8.3 ~ 9.3 mA/mm2 和 9.3 ~ 10.3 mA/mm2 下電解拋光的試樣進(jìn)行 0.03 的拉伸應(yīng)變，并采用完全相同的方式對(duì)二者變形前后的 SEM 照片進(jìn)行 DIC 處理，得到的格林?拉格朗日 Exx 應(yīng)變場(chǎng)如圖 7 所示。

可見(jiàn)在 9.3 ~ 10.3 mA/mm2 下電解拋光試樣的應(yīng)變場(chǎng)有大量白色區(qū)域，這是由于它的 SEM 圖像的特征散斑質(zhì)量較差，在進(jìn)行 DIC 處理時(shí)對(duì)應(yīng)位置的圖像相關(guān)性較大，計(jì)算所得的應(yīng)變值誤差較大，故過(guò)濾了這些位置的應(yīng)變場(chǎng)。而在 8.30 ~ 9.3 mA/mm2 下電解拋光的試樣的應(yīng)變場(chǎng)分布連續(xù)，無(wú)白色區(qū)域，相關(guān)性較好，DIC 處理效果明顯優(yōu)于 9.3 ~ 10.3 mA/mm2 電解拋光試樣，表明該條件下電解拋光所得的特征散斑質(zhì)量較高。

圖 7 在不同電流密度下電解拋光后純鈦經(jīng)拉伸加載后的 Exx 應(yīng)變場(chǎng)(電壓 16 V)

Figure 7 Exx strain fields of pure titanium after being electropolished at a voltage of 16 V and different current densities followed by tensile loading

綜上可知，純鈦的最佳電解拋光參數(shù)為：電壓 16 V，電流密度 8.3 ~ 9.3 mA/mm²，溫度?32 °C，時(shí)間 3 min。在該參數(shù)下電解拋光既保證了較高的 EBSD 花樣標(biāo)定率，又能得到高質(zhì)量的特征散斑，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)壓縮純鈦試樣拉伸變形過(guò)程中的原位 EBSD 和應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量。

2.3純鈦在最佳條件下電解拋光后的退孿晶變形

如圖 8a 所示，預(yù)壓縮加載在純鈦中激發(fā)出大量的變形孿晶，部分孿晶呈透鏡狀，另一部分孿晶生長(zhǎng)顯著并占據(jù)母體晶粒的大部分區(qū)域。運(yùn)用上述最佳參數(shù)對(duì)其電解拋光，并在電鏡腔內(nèi)沿軋制方向?qū)ζ溥M(jìn)行 0.03 應(yīng)變的拉伸加載后，純鈦發(fā)生退孿晶變形，孿晶面積大幅減小，形態(tài)較大的孿晶側(cè)向變窄，部分形態(tài)較小的孿晶則完全退去，這表明純鈦中變形孿晶在一定程度上具有可逆性(見(jiàn)圖 8b)。對(duì)圖 8a 和圖 8b的 SEM 圖像進(jìn)行 DIC 處理，得到沿 x 軸方向的格林?拉格朗日正應(yīng)變分布(見(jiàn)圖 8c)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生退孿晶變形的區(qū)域在正應(yīng)變場(chǎng)分布圖中應(yīng)變值偏高，即退孿晶附近呈現(xiàn)應(yīng)變集中。

圖 8 拉伸加載前、后純鈦試樣的 EBSD 取向圖和由此產(chǎn)生的 Exx 應(yīng)變場(chǎng)

Figure 8 EBSD inverse pole figures of pure titanium before and after tensile loading and Exx strain field formed during tensile loading

3、 結(jié)論

(1) 電解拋光電壓和電流密度對(duì)預(yù)變形純鈦試樣的表面形貌和 EBSD 花樣標(biāo)定率有明顯的影響。

(2) 實(shí)現(xiàn)預(yù)壓縮純鈦試樣原位 EBSD 表征和應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量的最佳電解拋光參數(shù)為：高氯酸與甲醇的體積比 1∶9，電壓 16 V，電流密度 8.3 ~ 9.3 mA/mm2，溫度?32 °C，時(shí)間 3 min。

(3) 在退孿晶過(guò)程中，預(yù)制孿晶純鈦試樣的孿晶面積大幅減小，部分小尺寸孿晶完全退去，孿晶附近呈現(xiàn)出應(yīng)變集中。

參考文獻(xiàn)：

[1]王偉亢. 鈦制品在電鍍工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 電鍍與涂飾, 1995, 14 (4): 18-20.

[2]JIANG X P, WANG X Y, LI J X, et al. Enhancement of fatigue and corrosion properties of pure Ti by sandblasting [J]. Materials Science and Engineering: A,2006, 429 (1/2): 30-35.

[3]朱永明, 屠振密, 李寧, 等. 鈦及鈦合金表面綠色化學(xué)處理新進(jìn)展[J]. 電鍍與涂飾, 2010, 29 (2): 37-39.

[4]FIZANNE-MICHEL C, CORNEN M, CASTANY P, et al. Determination of hardness and elastic modulus inverse pole figures of a polycrystalline commercially pure titanium by coupling nanoindentation and EBSD techniques [J]. Materials Science and Engineering: A, 2014, 613: 159-162.

[5]SINHA S, GHOSH A, GURAO N P. Effect of initial orientation on the tensile properties of commercially pure titanium [J]. Philosophical Magazine, 2016,96 (15): 1485-1508.

[6]潘金生, 仝建民, 田民波, 材料科學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1998.

[7]SINHA S, PUKENAS A, GHOSH A, et al. Effect of initial orientation on twinning in commercially pure titanium [J]. Philosophical Magazine, 2017, 97 (10): 775-797.

[8]WANG L, LIND J, PHUKAN H, et al. Mechanical twinning and detwinning in pure Ti during loading and unloading—an in situ high-energy X-ray diffraction microscopy study [J]. Scripta Materialia, 2014, 92: 35-38.

[9]唐旭, 毛圣成, 臧科濤, 等. 純鈦孿生變形行為的原位 EBSD 研究[J]. 電子顯微學(xué)報(bào), 2015, 34 (5): 409-415.

[10] SINHA S, GURAO N P. In situ electron backscatter diffraction study of twinning in commercially pure titanium during tension-compression deformation and annealing [J]. Materials & Design, 2016, 116: 686-693.

[11] KIM I, KIM J, SHIN D H, et al. Deformation twins in pure titanium processed by equal channel angular pressing [J]. Scripta Materialia, 2003, 48 (6):813-817.

[12] 樊夢(mèng)婷, 楊華斌, 曹繼敏. 工業(yè)純鈦中的形變孿晶演變及其穩(wěn)定性研究[J]. 稀有金屬, 2013, 37 (2): 192-198.

[13] 孫巧艷, 朱蕊花, 劉翠萍, 等. 工業(yè)純鈦機(jī)械孿晶演化及其對(duì)純鈦低溫力學(xué)性能的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2006, 16 (4): 592-598.

[14] EDWARDS T E J, DI GIOACCHINO F, MU?OZ-MORENO R, et al. Deformation of lamellar TiAl alloys by longitudinal twinning [J]. Scripta Materialia,2016, 118: 46-50.

[15] STINVILLE J C, VANDERESSE N, BRIDIER F, et al. High resolution mapping of strain localization near twin boundaries in a nickel-based superalloy [J].Acta Materialia, 2015, 98: 29-42.

[16] LUNT D, BUSOLO T, XU X, et al. Effect of nanoscale α2, precipitation on strain localisation in a two-phase Ti-alloy [J]. Acta Materialia, 2017, 129: 72-82.

[17] DI GIOACCHINO F, QUINTA DA F. Plastic strain mapping with sub-micron resolution using digital image correlation [J]. Experimental Mechanics, 2013,53 (5): 743-754.

[18] ZHAO C, STEWART D, JIANG J, et al. A comparative assessment of iron and cobalt-based hard-facing alloy deformation using HR-EBSD and HR-DIC [J].Acta Materialia, 2018, 159: 173-186.

[19] 尹樹(shù)明, 宗朔通, 劉龍飛. 鎂合金電解拋光工藝[J]. 電鍍與涂飾, 2013, 32 (12): 46-48.

[20] REGGIANI R C, MAZZA F, SIVIERI E. Electrochemical polishing of titanium in perchloric–methanolic solutions [J]. Materials Chemistry, 1979, 4 (2):149-158.

[21] XU F, ZHANG X, NI H, et al. Effect of twinning on microstructure and texture evolutions of pure Ti during dynamic plastic deformation [J]. Materials Science and Engineering: A, 2013, 564: 22-33.

[22] CERQUETTI A, MAZZA F. Electrochemical behaviour and stress-corrosion cracking of titanium in alcoholic solutions [J]. Corrosion Science, 1973, 13 (5):337-349.

[23] SCULLY J C, POWELL D T. The stress corrosion cracking mechanism of α-titanium alloys at room temperature [J]. Corrosion Science, 1970, 10 (10):719-733.

[24] 劉坤坤, 孫伶俐, 何聲馨, 等. 316 不銹鋼電解拋光最佳參數(shù)試驗(yàn)研究[J]. 表面技術(shù), 2018, 47 (8): 288-294.

相關(guān)鏈接