CVD?W晶粒取向和晶界结构的EBSD研究

【摘要】  采用背散射衍射技术（EBSD）测定了化学气相沉积纯钨（CVD?W）的晶粒取向和晶界分布特征，研究化学气相沉积方法制备纯钨的组织和晶界结构的特点。测试结果表明：CVD?W生长组织具有三个生长区，分别是等轴晶区、混合生长晶区和柱状晶区；柱状晶区的晶粒具有显著的〈001〉择优生长；低∑CSL晶界占据较大比例，其中以∑3、∑5为主要结构，∑3的出现频率最大。研究认为CVD?W的晶粒取向和晶界结构特点与沉积组织的生长特点密切相关。

【关键词】  晶粒取向 晶界结构 CVD EBSD

    Abstract: The EBSD technology was used for determining the grain orientation and the structure of grain boundary, in order to obtain their characteristics of CVD?W. The test result shows that there are three growing zones in micro?structure of CVD?W: region of equiaxed grain, region of mixed grain and region of columnar grain. In region of columnar grain, preferred orientation growth is obvious. Obviously preferred orientation on 〈001〉 was confirmed by the anti?pole figure. Besides, the CSL grain boundary such as ∑3, ∑5 and so on are observed. Among these kinds of boundaries, the ∑3 boundary has the highest frequency. The characteristics of grain orientation and the structure of grain boundary of CVD?W should be related to the structure growning characteristics.

    Key words:  grain orientation; grain boundary; CVD; EBSD

    纯钨具有高密度、高强度、高熔点和优良的防腐性能，以纯金属或合金应用于军事、电子、医疗等领域［1，2］。化学气相沉积技术是纯钨重要的制备方法［3］，在一定的工艺条件下可以沉积出具有〈001〉、〈011〉和〈111〉等择优取向的纯钨层［4］。 K.L.Bjorklund 和J.Lu等［5］采用激光化学气相沉积（LCVD）制备单晶钨，确定单晶钨的〈100〉晶向是快速生长方向。但是对于沉积组织的生长特性和择优取向多采用OX、SEM和XRD观察和测定，不能直观显示晶粒取向和晶界等微观结构。随着电子背散射衍射技术（EBSD）的普及，纯钨的微观组织特征研究引起人们的重视。电子背散射衍射（EBSD）作为电子扫描显微镜（SEM）的辅助功能，可以提供样品表面某一点的晶体学取向和晶界等物特征，为深入研究材料的基本性能和特征提供了快速准确的测试技术［6］。本文选取化学气相沉积方法制备的纯钨材料，利用电子被散射技术（EBSD）测量CVD?W样品中每一点的取向，获得不同点或区域的取向差异，研究沉积组织的生长特征和晶界结构特征。

　　1试验过程

　　采用化学气相沉积技术制备了纯钨材料。其基本反应原理为：WF6+3H2W+6HF.将CVD?W垂直于晶粒生长方向切割方形试样，试样尺寸5×5 mm；将方形试样经砂纸打磨后电解抛光，抛光液为10%氢氧化钠溶液；采用EBSD测试CVD?W试样的晶粒取向和晶界结构，同时获得彩色显微组织。

　　2试验结果与分析

　　将制备好的试样在EBSD设备上观测，在试样表面沿晶粒生长方向选取扫面区域，观测结果表明：CVD?W生长组织可以分为三个区：等轴晶区、混合生长晶区和柱状晶区，如图1(a)的EBSD彩色图所示。这种组织的形成与化学气相沉积反应密切相关，在沉积初始阶段，沉积室内存在较大的浓度梯度和温度梯度，而高温的基体表面为反应提供了大量的活化基底，到达基体的原子首先凝聚成核，后续飞来的沉积原子不断图1化学气相沉积纯钨的EBSD彩色

    显微组织、生长示意图和反极图

    聚集在核附近向各个方向生长，邻近的晶核彼此相遇后停止生长，形成了细小的等轴晶。图1（a）可以看出等轴晶区厚度约为90 μm，平均晶粒尺寸约为6～10 μm，排列整齐、细密，没有孔洞，说明在沉积过程中晶粒是以核生长型长大的，基体上形成与基体取向无关的晶核，然后长大，相遇后停止生长，如图1(b)等轴晶生长示意图。随着沉积反应的继续，柱状晶开始生长并逐渐占据了主要的生长空间，出现等轴晶和柱状晶共同生长的混合晶区；生长方向平行于基体法向的晶粒能够获得生长空间而优先生长，这些优先生长的晶粒侧边受到彼此的限制而不能侧向生长。又由于各晶向长大速度存在各向异性［7］，〈001〉晶向是快速生长方向，因此具有〈001〉取向的晶粒占据了其他晶向的生长空间，并排生长最终形成具有〈001〉择优取向的柱状晶，如图1(b)取向竞争示意图。CVD?W的晶粒取向成像说明，晶粒生长初期取向是随机的，并不具有择优取向；晶粒取向在竞争淘汰过程中，逐渐形成具有〈001〉择优取向的沉积组织。而晶界结构因为组织生长的特点而具有自己的特征。重合位置点阵（∑CSL）是描述大角度晶界结构的重要模型［8］。图2（a）、（b）分别是沉积纯钨的晶界分布图及统计。结果表明CVD?W沉积组织的晶界特征以∑3、∑5、∑9等占很大比例的低∑CSL晶界为主，其中∑3（红色）晶界出现的频率最高，这种晶界特点是由沉积组织的位向关系确定的。设某晶界两侧的晶粒位向矩阵分别是A、B，且AB-1=M，即［9］：u1u2u3

    v1v2v3

    w1w2w3·u′1u′2u′3

    v′1v′2v′3

    w′1w′2w′3-1=m11m12m13

    m21m22m23

    m31m32m33.

    两个晶粒的公共旋转轴［hkl］和旋转角可按下面公式求得：［hkl］=1,m13-m31m32-m23·m21-m12m32-m23,

    θ=cos-1m11+m22+m33-12.

    图2化学气相沉积纯钨的晶界结构和分图

    ［hkl］与θ可以核定晶界的∑值。根据上述关系可知，具有相同取向的晶粒形成∑3 CSL晶界，而{110}〈111〉和{110}〈110〉取向的晶粒间存在较好的36°〈100〉取向关系，构成∑5CSL晶界。另外，观察发现低∑CSL晶界主要受晶粒的取向影响,与晶粒大小并没有直接的关系，而沉积组织的取向是由各晶体的生长异性影响。由于晶粒各取向生长的各向异性，导致了沉积组织的择优生长，因而具有了这种低值∑CSL晶界特征分布。3结论1） 化学气相沉积纯钨组织生长可以分为三个生长区：等轴晶区、混合生长区和柱状晶区。具有〈001〉择优取向；2） CVD?W以低∑CSL晶界特征分布结构为主，其中∑3型出现频率最高，∑5型次之。3） CVD?W晶粒取向和晶界特点与各晶面的择优生长相关。

【】
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