针对环境敏感材料的低温FIB制样技术: 以防止Ti及Ti合金中氢的摄入为例

【引言】

钛（Ti）和钛合金因其优异的疲劳强度和良好的耐腐蚀性而广泛用于航空航天和化学工业。然而，Ti对氢具有高亲和力，氢吸收通常会降低钛及钛合金的韧性和延展性，同时钛合金也被用于储氢。因此，研究钛合金中氢的行为，尤其在微纳米尺度下，对于进一步理解氢脆机制和储氢机理是有意义的。然而，实验研究的难点在于，采用传统制样手段，如电化学抛光，Ar离子铣削，常温FIB铣削技术，制备用于显微观察和显微分析的样品时会不可避免地引入大量的氢，进而导致氢化物的形成或演变。

【成果简介】

近日，马克思. 普朗克铁研究所Chang Yanhong (常艳红，第一兼通讯作者)与Baptiste Gault(通讯作者)在Nature Communications上发表题为“Ti and its alloys as examples of cryogenic focused ion beam milling of environmentally-sensitive materials”的文章，通过TEM和APT表征手段证明了电化学抛光或常温FIB制样技术都将在钛及钛合金中引入大量的氢并导致氢化物形成，而低温FIB铣削可以有效地防止环境中氢的摄入，并阻止预充氢从样品中扩散出去。借助于分子动力学模拟，作者对比了常温及低温下FIB离子束损伤深度、氢扩散速率等关键因素，对其作用机制进行细致讨论。

【图文导读】

图一 TEM表征

图二 原子探针微量分析

(a-b) 常规FIB在室温下制备的CP Ti和 Ti6246样品的原子探针断层扫描(APT)H分布图，质谱和组成分布图；

(c-d) 通过低温FIB制备的CP Ti和Ti6246样品

图三 分子动力学模拟

(a) 垂直入射的（0001）取向的纯Ti表面MD快照。比色刻度尺表示表面层原子，范围1nm；体内原子以浅紫色显示，比例尺为10nm。

图四 FIB过程中样品表面及内部氢及氢化物演变示意图

室温：FIB过程中，表面吸附的H通过解离或被离子束注入进去样品表层。室温下H将快速扩散至样品内部，并导致氢化物形成和长大；

低温：离子束损伤减小，H的解离及扩散被显著抑制，因而阻止了H的进入。

【小结】

低温FIB技术有效地保留了材料中原有氢的浓度与分布，从而使微纳米尺度下研究Ti基合金氢脆机制和储氢机理成为可能。这项技术同样也适用于其他环境敏感材料如Zr基，Mg基合金的样品制备，有效避免制样过程中氢、氧等元素的引入，对于实验研究氢、氧等元素在这些材料中的微观作用机理有着重要意义。

文献链接：

1. Ti and its alloys as examples of cryogenic focused ion beam milling of environmentally-sensitive materials(Nature Communications, 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-08752-7)

2. Stephenson, L. T. et al. The Laplace project: an integrated suite for correlative atom probe tomography and electron microscopy under cryogenic and UHV conditions. PLoS One 1–13 (2018). doi:10.1371/journal.pone.0209211

3. Hanlon, S. M., Persaud, S. Y., Long, F., Korinek, A. & Daymond, M. R. A solution to FIB induced artefact hydrides in Zr alloys. J. Nucl. Mater. 515, 122–134 (2019).

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