参数设置对镁/铝合金电子探针面分析结果的影响

于凤云，刘晓英，李春艳

(大连理工大学 材料科学与工程学院，大连 116024)

电子探针面分析是将聚焦直径为0.1～300 μm的高能电子束辐照样品表面，然后通过波谱仪检测元素在某一个特定区域的分布情况。电子探针面分析可直观地显示合金表面元素的分布状态，已经在各个领域得到广泛应用[1-4]。稀土元素及其他微量元素加入镁、铝合金中时，可使其在成型过程中析出强化相，从而提高材料的强度[5-6]。电子探针面分析是镁、铝合金研究中常用的分析方法，主要用于分析合金制备过程中添加的微量元素的分布情况，进而掌握合金制备关键工艺参数的临界值及其匹配关系。

笔者通过JXA-8530FPlus型电子场发射电子探针对两种镁、铝合金样品进行面分析，研究电子探针波谱仪面分析参数设置对面分析结果的影响，并分析了影响机理，以使电子探针面分析更好地在镁、铝合金中得到应用。同时，面分析参数设置方法可在测试其他合金时，为同行提供参考。

1 电子探针工作原理

电子探针的工作原理是将样品中激发的特征X射线经过一个晶面间距为d的分光晶体，干涉分光后通过X射线探测器接收此信号，如图1所示。

图1 波谱仪工作原理图Fig.1 The working principle of WDS

(1)

式中：L为测试点与分光晶体的距离;R为罗兰圆半径;d为分光晶体的晶面间距;n为整数;λ为X射线的波长。

发生干涉的必要条件，即为满足布拉格方程，如图2所示[7-8]，布拉格方程见式(2):

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

2dsinθ=nλ

(2)

式中:θ为入射角。

样品被分析点、分光晶体和探测器须满足等腰三角形关系，人为地将这三点共圆，此圆称之为罗兰圆[9]。

当电子束轰击样品时，连续辐射(韧致辐射)叠加在特征谱上同时产生，连续谱是背景谱线的主要来源，因而也是限制特征X射线检测灵敏度的主要因素。布拉格方程条件和连续背景谱线是影响分析结果精度的重要因素[8,10]。

2 电子探针在镁合金中的应用

图3给出了镁合金的电子探针面扫描分析图像。钇元素在析出相上偏聚，基体主要为镁元素。图3 a)和b)是镁元素面分布图，可见结果明显不同，发生了矛盾。图3 a)为CH1通道中TAPL晶体测试结果，在析出相右侧出现贫镁区域，区域大小1.5 μm×1.5 μm。图3 b)为CH3通道中TAPH晶体测试结果，在析出相下方出现贫镁区域，区域大小1.5 μm×1.5 μm。图3 c)为分析区域的二次电子图像，可以看到此处析出相颜色亮，为凸起相，且尺寸大小约1.5 μm×1.5 μm。图3 d)为钇元素面分布图，主要分布在析出相中，且并没有受到样品表面不平的影响。

图3 镁合金样品的电子探针面分析结果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

图3 a)和b)中镁元素面分布图出现不真实结果，这是样品表面不平整及电子探针结构与工作原理所致，如图4所示[11]。图4 a)为电子探针横向剖面图，其中波谱仪的5个通道顺时针按照1～5排序，每个通道有两块晶体用于分析元素特征X射线，晶体样品及接收器必须在同一个罗兰圆上。图4 b)为CH1通道TAPL晶体信号取出位置，在析出相右侧(通道相反方向)基体信号被凸起析出相遮挡，因为取出角为40°，即析出相右侧约有与析出相高度为边长的四方形区域信号接收不到，所以在镁元素面分析时析出相右侧出现了贫镁的现象[图3 a)]。同样，CH3通道中TAPH晶体分析的面分析结果在晶体相反方向，即析出相下方出现贫镁的现象[图3 b)]。

图4 电子探针结构及晶体信号取出位置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型电子场发射电子探针上的波谱仪配有5个通道，每个通道2块晶体，共有10块晶体，晶体分布情况如图4 a)所示。笔者选择CH1和CH3通道中的TAPL和TAPH两块晶体同时测试镁元素的面分布，通过最大值法弥补由于析出相凸起与晶体通道方向不同造成的信号减弱的现象，从而更真实地反映镁元素分布情况，结果如图5所示。

图5 经由最大值法弥补获得的镁元素面分布图Fig.5 The obtained Mg element mapping compensated by maximum method

3 电子探针在铝合金中的应用

图6为铝合金中基体元素铝与超轻元素硼的面分布结果。可见白色颗粒析出相中超轻元素硼发生偏聚，在基体中硼元素分布在图6 a)和图6 b)中表现不同。图6 a)中面分析参数选择为Peak时，只检测了峰值counts值，基体明显有硼元素分布。图6 b)中面分析参数选择为Peak/BG-时，检测了峰值和峰背景两点counts值，试验时间翻倍，扣除了峰背景信号，铝基体中固溶硼元素低于灰色析出相区域硼元素含量，反映出合金真实情况。

图6 铝合金样品的电子探针面分析结果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

图6 a)表明基体明显存在硼元素，这是由于硼元素在面分析过程中受铝基体影响较大，测得的硼元素真实峰值没有扣除峰背景影响造成的。Peak Ture真实峰值等于实测Peak峰值减去BG-基线数值，如图7所示[12]。如若不扣除BG-，会因为不同区域峰背景高低不同造成偏离真实分布规律的情况。

图7 测试峰值与真实峰值的关系Fig.7 Relationship between the peak and the peak ture

在进行面分析时，建议首先在硼元素偏聚相和铝基体上对硼元素进行寻峰处理，位置如图6 c)中的1和2所示。寻峰结果如图8所示。

图8 硼元素寻峰结果Fig.8 The peak finding results of B element:a)location 1 of Fig.6 c);b)location 2 of Fig.6 c)

图8 a)为铝基体处寻峰结果，可以看到BG-强度为2 400。图8 b)为析出相处寻峰结果，显示BG-强度为1 500，不同区域BG-强度值对峰值贡献不同，面分析试验时参数设置选择Peak/BG-或者Peak/BG+模式，避免BG-(BG+)强度值对峰值贡献不同所产生的偏差。当元素含量少时，如若选择Peak模式进行面分析，则

IPeak=IPeak Ture+IBG-，

(3)

式中：IPeak为峰位置计数强度；IBG-为基线位置计数强度；IPeak Ture为峰位置真实计数强度。

元素含量少，IPeak Ture值小，假设可以忽略，则IPeak≈IBG-，BG强度IBG-对峰值IPeak影响大。如图8所示，峰背景BG-达到2 400，数值较大，故铝基体面分析硼元素分布规律容易出错，这时面分析请选用Peak/BG-或者BG+模式。这一现象主要发生在波长较长的微量元素测试中。

4 结论

(1)镁基体中钇元素形成的硬质凸起析出相会使得基体在进行面分析时由于凸起物遮挡信号导致析出相附近出现贫镁假象。通过设置同一元素，不同通道晶体进行面分析，可以有效解决样品表面不平整而引起假象的问题。

(2)铝合金中微量超轻元素硼在电子探针面分析时，分析条件选用Peak效率高，但是很有可能出现假象，建议在初次试验时，先进行超轻元素寻峰判断或者直接选用Peak/BG+或者Peak/BG-分析条件，来提高试验结果的可靠性。