案例分析 | 利用光学显微镜和激光光谱的2合1解决方案对带涂层的环状螺旋弹簧执行深度剖析和分层分析

除了同时进行视觉和化学检查外，结合了光学显微镜和激光诱导击穿光谱技术（LIBS）的2合1材料分析解决方案还可用于高效执行深度剖析。深度剖析可以成为整个材料分析工作流程的其中一环。本文讨论了用2合1解决方案对涂层材料进行快速深度剖析的方法。检测具有多层涂层，或散装材料内有多种成分的部件或零件时，深度剖析是非常有效的方法。印刷电路板（电子）上的涂层和车辆（汽车和运输）上的油漆和防腐蚀涂层就很适合进行深度剖析。2合1解决方案可以大幅节省材料分析的成本和时间。在生产、质量控制、故障分析或研发过程中，如果数据足够相关、准确、可靠，那么决策者就能更快、更有信心地作出决策。

介 绍

金属合金、汽车、航空航天、运输和电子等行业的产品和应用，以及金相学、地球科学和材料科学等领域都离不开材料分析[1-3]。面对日益激烈的竞争和日益严苛的标准，如何选择经济高效的方式来保障产品的质量或研究结果的可靠性，以进行后续创新已然成为了一个严峻的问题。

采用多种技术对材料进行目视检查，然后确定其局部成分的方法，需耗费大量的时间和成本[1-3]。高分辨率、高对比度的显微镜可用于执行目视检查，化学/元素光谱分析可用于确定材料成分。制定具体应用的后续行动方案之前，通常要先了解材料的微观结构和成分的可靠数据。如果时间和预算有限，迫使人们必须采取有效的方法来迅速做出正确决策时，获取这些数据就更加重要了。

在部分检查中，如质量控制（QC）和故障分析（FA），人们必须要能识别多层涂层，以及从基材到表面的成分变化情况[4-6]。这些需求广泛分布于各行各业，如电子（焊接和PCB表面涂层）和汽车/运输和建筑（油漆和防腐蚀涂层）行业，以及法医领域（事故调查）。材料涂上涂层后，可以赋予零部件特定的机械或电气性能，或者仅仅是保护它们免受磨损、风化和腐蚀。涂层可以有多个层次，分别由多种材料构成。检测具有多层涂层，或从基材到表面有多种成分的零部件时，深度剖析可以确定每层材料或特定深度的成分。此外，甚至还可以显示关键层是否存在。

下面介绍使用徕卡显微系统的DM6 M LIBS材料分析解决方案进行深度剖析和分层分析的情况。

材料的深度剖面分析

LIBS方法利用激光烧蚀，对涂层和组件材料进行微钻（µ-drill）。微钻的作用包括：

• 深度剖析，以确定成分随材料深度变化的情况；

• 对多层油漆或涂层材料进行分层分析；

• 表面清洗，以去除氧化物或污染物。

图1为在钢合金上进行微钻的示例。

图1：A) 示意图显示了具有多层涂层材料的横截面和一个微钻钻孔，其中宽度和深度已标明。B）带有微钻钻孔的钢材图像（用红色箭头标记）。

涂层材料的分层分析

一个由铜（Cu）制成，并涂有镍（Ni）和银（Ag）的环状螺旋弹簧经过了深度剖面分析。分析采用的是DM6 M LIBS解决方案的微钻和LIBS功能。弹簧的各层和基材都经过了分析。

环状螺旋弹簧是在两端连接的盘状弹簧，外观呈圆形，常用于电机密封、皮带驱动的电机和电气连接器中。图2显示了环状螺旋弹簧的照片和材料截面的示意图。

环状螺旋弹簧的深度剖面分析数据如下所示。我们在弹簧材料上共进行了8次激光微钻，以分析从表面到基材的成分。每次激光微钻大约可以在焦点位置烧蚀5微米，具体视材料性质而定。进行8次激光微钻，并获取3份光谱数据的总用时在1到2分钟之间。

图2中的结果显示了以下光谱：

• 顶层是第1次激光微钻时打开的，材质是银；

• 下一层是第4次激光微钻时打开的，材质是镍；

• 第8次微钻打开的材质是铜。

图2：A) 涂有银和镍层的铜质环状螺旋弹簧的图片，我们采用LIBS和微钻对其进行深度剖析。B) 显示铜质弹簧材料截面的示意图。

为确定弹簧各层和基材的LIBS光谱数据与数据库中的参考元素光谱的匹配程度，我们计算了两者的匹配度。下表1为各层和基材材料的数值。然后我们选择了与测量光谱匹配度最 高的元素参考光谱来确定材料成分。

表1：对比LIBS获得的环状螺旋弹簧光谱与数据库中特定元素Ag、Ni和Cu的参考光谱，其匹配度如上表所示。

小 结

本文介绍了使用徕卡显微系统DM6 M LIBS材料分析解决方案对带涂层的环状螺旋弹簧（电机或电子元件）进行深度剖析的方法。对材料进行微钻后，即可获得弹簧的2个涂层和基材的光谱，整个过程仅需1到2分钟。

材料分析对各类产品开发（R&D）、质量控制（QC）、故障分析（FA）和技术应用都很重要，并且广泛应用于许多行业和领域中。通常这种分析的时间和预算都是有限的，但获得可靠结果和保障产品质量始终非常重要[1-3]。

对于具有多层涂层，或材料内部包含多种成分的部件执行检查、质量控制或FA时，有时需要做深度剖析。比如，油漆和防腐涂层就需要进行深度剖析。深度剖析可以确定各层材料或特定深度的成分。

相关产品

徕卡DM6 M LIBS