当前金相制备设备存在的问题与解决方法教学探索

[摘 要] 材料科学以实验为基础，在其研究和发展过程中，只有通过金相检验才能完整的解释各种材料的微观组织结构和性能之间的相互关系。结合中国民航大学材料专业金相实验教学，总结和分析了金相试样制备的基本过程及注意事项，梳理了当前金相教学和科研过程中金相制备设备存在的加载精度差、无法实现多种功能液的定量供给、无法实现定量磨抛及制备过程非连续性等问题。在此基础上，结合教学和科研经验，提出了获得质量优良且稳定的金相试样的方法。

[关键词] 金相试样制备;金相教学;质量优良;质量稳定

[基金项目] 2019年度中国民航大学实验技术创新基金“多功能金相制备实验台的设计与研制”（2019CXJJ08）;2020年度天津市教委科研计划项目“基于贝壳仿生结构设计和晶须增韧机理的复合结构YSZ基封严涂层制备及失效机理研究”（2020KJ030）

[作者简介] 程涛涛（1987—），男，河南信阳人，硕士，中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室实验师，主要从事材料表面工程研究。

[中图分类号] TG113   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）21-0037-04   [收稿日期] 2020-11-19

一、引言

材料科学以实验为基础，在其研究和发展过程中，只有通过金相检验才能完整的解释各种材料的微观组织结构和性能之间的相互关系。许多具有优异性能材料的重大进展常常可追溯到对于它们微观组织结构的确定和控制。工艺的目的是为了得到可控的微观组织结构，从而得到所需要的性能。金相检验技术的进步与发展对航空航天、冶金、机械制造、动力、能源、建筑、国防等部门，无论是现在还是将来都会产生巨大的影响。

金相试样是金相检验的载体，金相检验的准确与否取决于是否得到了合格的金相试样[1-3]。金相试样的制备主要包括试样的取样、镶嵌、打磨（粗磨、精磨）、抛光（粗抛、精抛）、清洁处理及腐蚀处理，其中的每一个环节的操作是否恰当都会影响到最终金相试样的质量。

二、金相教学面临的挑战

我校材料专业大三年级的学生，在专业基础课“材料科学基础”中的“金相试样的制备及观察”实验项目中，第一次接触到金相试样制备的实验，实验教学过程中使用的试样材料为45号钢，显微组织为铁素体+珠光体，为传统的金属材料。通过本次金相实验课程的学习和实践，学生能够掌握传统金属材料金相试样制备的设备、原理、流程和實验方法。

在掌握传统金属材料金相试样制备的设备、原理、流程和实验方法的基础上，我校材料专业的学生在大四年级进入专业课的学习阶段，在“航空材料”“功能材料”“表面工程技术”“材料失效分析”等实验课程中，涉及多种非传统金属材料金相试样的制备实验项目，如飞机起落架和襟翼滑轨中常用的超音速火焰喷涂碳化钨耐磨涂层，航空发动机压气机中常用的等离子喷涂铝硅聚苯酯封严涂层，航空发动机燃烧室中常用的等离子喷涂氧化钇部分稳定的氧化锆热障涂层，航空发动机中压/高压涡轮气路封严中常用的金属蜂窝材料，等等。由于上述各种功能材料与传统金属材料（如钢铁材料）显微组织结构的差异性，使得许多学生基于“材料科学基础”中的45号钢的金相试样制备设备、流程和实验方法，得到的上述各种功能材料的金相试样中出现了多种非真实的显微组织结构。

三、金相制备过程分析

金相试样制备的目的是为了观察和分析材料的显微组织结构。在金相制备过程中，取样、打磨和抛光等环节涉及机械力和热载荷等影响因素，镶嵌环节涉及热载荷和压力等影响因素，腐蚀环节涉及化学和电化学等影响因素。所有的金相制备环节的实施均要求尽量避免或减小对材料显微组织结构的损伤，从而保证最终得到真实的金相组织。

1.取样。可采用手锯、电动无齿锯、金相试样切割机、高速切割机、线切割机及高压水切割机等设备进行取样。其中，手锯及电动无齿锯操作简便，切割效率高，设备成本及取样成本均很低，适合直接从零部件或者从较大的试样上取样。但是由于切割过程没有冷切作用和切割速度较快，容易造成切割区域的高温和变形（切割影响区），导致后续的粗磨过程需要消耗更多的时间用来去除切割影响区。金相试样切割机、高速切割机、线切割机和高压水切割机等四种设备在切割过程中均有冷切水的加入，并且可以不同程度地控制切割速度，因此切割影响区较小，可以节省后续粗磨的时间。其中，采用高速切割机和线切割机取样后，甚至可以省去粗磨的步骤，但是与前两种取样设备相比，后四种设备的成本和取样成本均较高。

2.镶嵌。取样之后，如果试样较小或者形状不规则，为了方便后续过程的夹持，需要进行镶嵌处理。对于实体材料，如合金材料，通常采用的是热镶嵌的方法，采用的设备为金相试样镶嵌机，其基本过程为：将待制备的金相试样置于金相试样镶嵌机的模具中，加入一定量的镶嵌材料，然后加压（可使用机械的方法或气动的方法）和加热，并保温一定的时间，最后等待镶嵌试样自然冷切或使用冷切水加速冷切之后，取出试样。对于多孔材料，其强度一般较低，如热喷涂涂层，其粒子层间界面结合率最大约为32%，涂层中三分之二的粒子界面为未结合界面，涂层的综合强度（性能）仅为实体材料的10%～30%[4]。多孔材料通常需要进行真空辅助的冷镶嵌处理，一方面，可以避免热镶嵌过程中的热载荷和机械力对较低强度多孔材料微观组织结构的破坏;另一方面，冷镶嵌树脂在真空辅助下，可以充分地渗透和包裹在多孔材料周围，避免在后续打磨和抛光过程中磨粒和抛光材料的切削力对多孔材料的微观组织结构的损伤。

3.粗磨。对于切割影响区较深的试样或者不平整的试样表面，一般使用80目的金相砂纸进行粗磨，其目的为较快地去除切割影响区和获得平整的试样表面，为后续的精磨过程打好基础。