扫描电镜纳米分辨高温力学原位仪器研究获新进展

在浙江大学张泽院士主持的国家自然科技基金委重大科研仪器设备研制专项《针对若干国家战略需求材料使役条件下性能与显微结构间关系的原位研究系统》的支持下，北京工业大学和浙江大学张泽院士、张跃飞研究员团队在扫描电镜纳米分辨高温力学原位仪器研制成果，以“A novel instrument for investigating the dynamic microstructure evolution of high temperature service materials up to 1150℃ in scanning electron microscope”为题，于2020年4月7日发表在《科学仪器评论》【Review of Scientific Instruments 91, 043704 （2020）; doi: 10.1063/1.5142807】杂志上，并被选为主编推荐（Editor’s Pick）亮点文章，在其杂志网站首页作为重点展示。《Review of Scientific Instruments》是美国物理学会旗下的关于仪器研究方面的专业学术期刊。

研究背景：目前国际上原位高温拉伸可获得高分辨SEM图像的温度只能到800 ℃左右，远不能满足高温材料研究的需求

高温材料在服役过程中需要经受长期的高温和应力共同作用，因在航空、航天、核电、热发电等领域具有重要的应用，其生产研发应用水平已经成为衡量国家材料科技水平的标志之一。我国在高温材料领域如高温合金等，研发水平仍然需要寻求进一步突破，以满足国家重大战略需求。将调控、优化高温材料的制备过程、加工工艺、服役性能等环节建立在与之相应的显微结构研究与分析基础上，是指导高温材料研发的科学有效途径。

在传统的高温材料研究模式中，由于其高温力学性能测试与显微结构研究分别独立进行，导致难以获得动态力学行为与对应实时微观组织结构演化信息。扫描电镜（SEM）是对材料进行微观组织结构分析的主要科学仪器之一，SEM具有较大的便于集成的样品室空间，国际上也在竞相发展基于SEM的原位拉伸、加热以及高温拉伸仪器，力求实现材料性能测试与相应显微结构的同步关联性研究。但是在SEM中同时进行高温-力学性能-成像三位一体测试时，目前国际上可获得高分辨SEM图像温度最高只能到800 ℃左右，还远远不能满足高温材料原位研究的需求。其主要问题是没有解决在SEM中进行高温加热时，高温热电子溢出进入SEM二次电子探测器使接收信号饱和的难题，导致原位SEM高温实验时图像发白，掩盖了样品表面形貌特征，失去微观组织分辨能力，如图1所示。

图1（a）1150℃时热电子对高温成像的影响，（b）热电子抑制后图像质量

研究成果：实现1200℃高温拉伸时样品微区原位、实时动态跟踪和纳米分辨、高质量的长时间成像

在张泽院士的带领和指导下，团队科研人员近年来一直致力于原位高温扫描电子显微学方法研究和仪器的开发工作。通过对SEM原位拉伸和加热测试系统的创新性结构设计、优化选材与热电子抑制技术，成功实现了1200℃高温拉伸时样品微区原位、实时动态跟踪和高分辨、高质量的长时间成像。科研团队在仪器开发过程中攻克并掌握了可以在SEM有限腔室空间内实现稳定运行的精密传动、准静态加载、原位视场追踪、闭环自锁、高精度测控、热源屏蔽、电磁屏蔽、真空兼容等多项核心关键技术。

图2为原位高温拉伸仪器与SEM组合的系统设计图和实物图，该原位仪器系统具有多项技术优势：配合SEM功能附件(EBSD,EDS,GIS)可实现一定环境气氛中的高温应力条件下材料的显微晶体取向和微区成分分析；同轴双向对称加载，使观察区保持在SEM视场中心；多级减速结构合理设计，扭矩输出平稳，保证了力学测试稳定性和高质量成像要求；传动自锁，随时起停，适合原位成像；消磁加热结构，电磁干扰小；高效热隔离，环境温度影响小；热电子抑制，突破了800 ℃以上的SEM高温高质量成像难题等。

图2. 位高温拉伸仪器与SEM组合的系统设计图(a)和实物图(b)

凭借上述技术突破，所研制的原位高温拉伸仪器和SEM配合进行原位测试时，当样品温度保持在1150℃拉伸应力状态时，SEM在WD=25 mm长工作距离条件下仍然具备10 nm左右的空间分辨能力和31万倍放大的成像能力。如图3a所示，镍基单晶高温合金保持在1150 ℃、400 MPa拉伸状态时，扫描电 WD=22.5 mm（通常高分辨成像WD需要≤10 mm）、放大倍数为12万倍时的二次电子图像质量，图中样品表面D=10 nm的组织特征清晰可见。图3b显示了WD=25mm，镍基单晶高温合金保持在1150 ℃、530 MPa的高温拉伸状态时，放大倍数为31万倍时的二次电子图像质量，图3b是目前在高温和应力加载时所获得的放大倍数最高的SEM二次电子图像。

图3.一种镍基单晶高温合金在1150 ℃不同应力水平的SEM图像

所研制的高温拉伸仪器，需要在SEM腔室内与样品台配合使用。受SEM样品台承载能力和倾转功能的限制，拉伸仪器需要体积小，重量轻。通过双丝杠传动、样品轴心平面加载等优化设计，保证了拉伸仪器小型化后加载的系统刚度要求，实现了高精度力-位移测试和快速响应。通过原位拉伸仪器测试同批次的小样品力学性并与标样证书校验结果对比，其力学性能指标与宏观标样测试结果一致，保证原位拉伸仪器测试力学性能的准确性，并与宏观测试力学性能参数具有的可比性，如图4所示高温拉伸仪器与力学性能测试校验。

图4. 原位高温拉伸仪器与力学性能测试校验

成果应用：原位仪器已应用于高温合金、钛合金等的研发与性能试验，并取得系列研究成果

目前该仪器已经用于国内高温合金的研发与性能试验中。如图5为使用该仪器对二代镍基单晶在1150 ℃时高温拉伸力学性能和微裂纹扩展行为的研究成果，它直接揭示了镍基单晶高温合金在近服役温度下，弹性到屈服阶段微裂纹的形核与扩展行为，捕捉并阐述了微裂纹优先在冶金缺陷孔洞边缘形核长大，并且在持续应力加载过程中观察到裂纹尖端以绕过γ′，在γ基体相中扩展并发展为主裂纹的过程。相关论文发表在金属学报杂志。【金属学报, 55(8): 987-996, (2019). doi: 10.11900/0412.1961.2019.00013】。

图5 镍基单晶高温合金1150 ℃原位拉伸微裂纹扩展与变形行为

如图5报道了在SEM腔室的真空环境中，样品温度保持在1150 ℃时，有微量氧气氛参与的镍基单晶高温合金表面初始氧化行为。使用该原位高温拉伸仪器在纳米分辨水平直接观察到了1150 ℃时镍基单晶表面氧化物的形核与长大过程，并通过对比有无应力作用时表面Al2O3生长动力学，揭示了由微量氧元素参与在接近高温合金叶片实际服役温度条件的初始氧化行为。相关论文以题为相关论文以题为“Initial oxidation behavior of a single crystal superalloy during stress at 1150° C”发表在近期Scientific Reports杂志上。【Scientific Report 10,3089(2020). https: // doi.org/10.1038/s41598-020-59968-3】。

图6 镍基单晶高温合金1150 ℃有无应力的初始氧化行为与氧化动力学曲线

该仪器也可以用于原位高温拉伸EBSD研究，如图7为Inconel 740H为样品在650 ℃高温拉伸EBSD研究。实验结果表明，样品在650 ℃高温拉伸时，EBSD探头工作状态良好，花样识别率高，样品进入屈服阶段大应变量时标定率仍然可以保持在85%以上。通过该仪器与SEM和EBSD的结合，可以准确的判断晶粒的转动与变形滑移系的开启时的应力水平与对应显微组织状态，相关研究结果发表在Journal of Alloys and Compounds 820 (2020) 153424。

图7 Inconel 740H 650 ℃原位拉伸组织结构和晶粒取向的演变过程

此外，利用该项目开发的仪器和研究方法，对增材制造钛合金快速凝固组织与室温和高温力学性能方面的研究也已经有系列成果发表，【Journal of Alloys and Compounds 817 (2020) 152781；Materials Science & Engineering A 749 (2019) 48–55；Materials Science & Engineering A 712 (2018) 199–205】。利用该项目开发的仪器和研究方法，对锂离子电池正极材料、负极材料在电化学力学耦合作用下的结构演变与性能的原位研究方面也有系列研究成果发表【Extreme Mechanics Letters 35 (2020) 100635；ACS Energy Letters,2019,4,1907-1917；Electrochimica Acta 2018, 269, 241249】。

该仪器研发成功已经引起了国内外相关学者的广泛关注，2020年6月16日美国材料学会会刊MRS Bulletin的“News & Analysis Materials News”专栏也特别撰文对这一成果进行了介绍（In situ mechanical testing in an SEM performed at 1150°C with submicron resolution）。波士顿大学Christos Athanasiou博士评论认为“The capabilities offered are exciting for many. The developed instrument paves the way for exploring new mechanisms, which could serve as guidelines for designing ultra-tough ceramic nanocomposites for demanding environments”（开发的仪器提供了令人兴奋的测试能力，该仪器为揭示材料高温变形新的机理铺平了道路，比如可以用于指导超韧纳米复合陶瓷材料的设计等）。

该仪器成果已经承接了国内重点科研单位高温材料急需的原位测试需求。同时，通过科技成果转化，仪器产品已经在国内多家重点科研单位进行了推广应用，为这些单位的研究提供了强有力的实验和数据支持，促进了高温材料的研发。

博士生王晋、马晋遥、唐亮、桑利军，硕士生张文静、张宜旭等参与了仪器的功能开发与性能测试等，北京工业大学吕俊霞副研究员负责原位仪器的应用研究。这些工作也得到了北京市长城学者项目的支持。

图8 仪器研发团队合影

相关文章链接：

https://doi.org/10.1063/1.5142807

https://doi.org/10.1557/mrs.2020.172

https://doi.org/10.1038/s41598-020-59968-3

https://www.ams.org.cn/CN/Y2019/V55/I8/987

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153424

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152781

https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.100635

https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.01.111

https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.11.106

【本文系仪器信息网专家约稿 ，

作者：北京工业大学 张跃飞 研究员】

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延申阅读

6月16日，张跃飞研究员在“第六届电子显微学网络会议(iCEM 2020)”第2分会场“原位电子显微学技术及应用”会场线上报告视频回放如下，报告题目《扫描电镜原位高温-拉伸-成像进展与应用》：