蔡司多尺度联用，深度解析镁合金腐蚀演变过程

美人在骨，镁可修骨

蔡司君最近得了个新封号——“实验脑”。

起因是午休的时候，两位女同事一边刷微博一边感慨：“女神老了也那么美，还真是美人在骨啊！怪不得那么多女孩要去削骨呢。”还沉浸在实验中的蔡司君顺口接了一句：“嗯，镁是可以修骨呢，但控制腐蚀速度是个难关。”

女同事们露出了“一脸问号”的表情，那背后的潜台词仿佛是“这人似不似傻了”。但蔡司君显然没看见，滔滔不绝地说到：“你们知道吗？虽然镁合金在工业上应用很广，但镁太活跃了，在潮湿环境，尤其是含盐情况下，极易被腐蚀。可这在医学上就变成优势了，因为它能在人体内自动降解，还不会产生有毒的重金属离子，骨折患者如果打上镁钉，在骨伤愈合后，就不需要二次手术拆除了。可无论是为了避免腐蚀还是利用腐蚀，都得先掌握镁合金腐蚀的内部机理。我这两天就研究用原位多尺度联用观察镁合金腐蚀呢！”

女同事们无奈表示：“句句不离实验，你还真是个‘实验脑’呢！”

4D及多尺度成像，追踪腐蚀损伤

这个让蔡司君喜获封号的实验长什么样？

概括来说，就是多尺度联用探究镁AZ31B合金的腐蚀损伤——先用微米级X射线显微镜Xradia Versa（点击查看）对镁合金进行原位无损的腐蚀过程观察，探究镁合金的腐蚀演变过程和腐蚀损伤；再用纳米级X射线显微镜Xradia 810 Ultra（点击查看）和聚焦离子束显微镜Crossbeam（点击查看）对腐蚀造成的损伤进行纳米尺度的表征，进一步观察细节。

▲图1：多尺度联用探究镁AZ31B合金的腐蚀损伤的实验完整视图。在Xradia Versa、Xradia 810 Ultra和FIB-SEM显微镜之间，使用Atlas 5（点击查看）进行关联和导航。

实时观察腐蚀过程

将AZ31镁合金样品（1 mm x 1 mm）放入0.1mol/L的NaCl溶液中，并置于蔡司X射线显微镜 Xradia Versa中，使用1um的体素、2小时一次的扫描速度对样品进行原位成像。当在扫描结果中发现腐蚀已经从表面及近表面扩散到材料内部的结构时，将样品从溶液中取出，并用蒸馏水对样品进行冲洗，停止腐蚀过程。

从图2这些扫描图像中可以看到，在开始的几个小时，样品表面出现了广泛的点腐蚀（如图2a和2b所示），随着时间推移，这些点腐蚀不断扩散，覆盖更多的表面。这些发生在表面以及近表面的初始损伤是腐蚀的第一阶段。

14小时之后，样品表面的损伤增速缓慢，但是腐蚀开始向材料内部扩散，腐蚀进入第二阶段。从图2c和2d中，可以观察到亚表面的材料损伤，并且腐蚀损伤不仅仅从表面向材料内部扩展，还有很多近表面的高密度分布的金属间析出相作为阴极在发生腐蚀反应。

▲图2：在原位Xradia Versa中样品不同腐蚀时间成像结果 a）两小时后，b）八小时后，c）14小时后，d）14小时后的内部截面图，蓝色箭头所指是亚表面损伤，红色箭头是高密度区域

数据联用，精确定位腐蚀区域

为了得到更多腐蚀的细节，需要进一步选取更精确的子样进行纳米级表征。

将腐蚀样品放入蔡司聚焦离子束显微镜（FIB-SEM）中，用蔡司Atlas5显微镜联用软件将Xradia Versa的4D原位数据导入并匹配，定位到腐蚀较为严重的区域（如图3a的蓝圈所示）。

在这个目标位置上，用FIB-SEM的lift-out方法取出一个大小约为50× 50× 80um大小的子样，放入蔡司Xradia 810 Ultra中，用150nm的体素进行观察，视野65um。

▲图3：a) 图中蓝色圆圈表示即将被取出的感兴趣区 ；b) 样品表面覆盖环氧树脂保护膜后用Atlas 5定位并控制FIB-SEM取出横截面大约为50×50um的小块

精细描绘腐蚀细节

在Xradia 810 Ultra的图像结果中，我们可以观察到腐蚀刚开始从表面、亚表面向材料内部扩散的细节信息。
图4是两个相互垂直截面的图像，我们从中观察到了不同密度的相，这是腐蚀过程中产生的不同成分。可以看到，腐蚀损伤是不均匀的，它会优先发生在晶界处，并产生氢氧化镁，腐蚀产物是多孔且破碎的。我们还发现，从样品表面到内部有明显的裂纹和通道，说明在材料内部存在可供持续腐蚀的通道。

图4：Xradia 810 Ultra结果。两个正交的截面可以观察到不同密度的相和腐蚀路线：孔洞和环氧树脂是黑色的，氢氧化镁腐蚀产物是材料中密度最低的相，因此表现为最深的灰色阴影，镁合金是较亮的灰色，最亮的区域对应金属化合物（可能是Al和Mn）以及原位实验之后清洗烘干留下的氯盐。

三维重构，揭示反应路线和机制

为了了解腐蚀特定区域更加复杂精细的结构，再一次将样品放到FIB-SEM中，并对图4左边的晶界位置进行8nm像素的三维重构，进一步观察腐蚀结果。

从FIB数据中，我们可以发现样品特征不仅和XRM结果吻合，结构细节更清晰。被观察区域包含错综复杂的裂缝分布，其中一些已被NaCl渗透（如蓝色箭头所示），腐蚀裂纹明显地从表面延伸到内部。此外，用红色箭头标记的大范围腐蚀损坏表明，暴露的表面上可能出现成分变化以及晶须状特征。这些微观结构不仅可以帮助分析腐蚀的反应路线和机制，还可以为腐蚀的第一和第二阶段转变提供内部视图。

▲图5：FIB-SEM三维重构。a）三维结构图，图中可观察到断裂结构、盐沉积（如蓝色箭头所示）和复杂的腐蚀产物微结构（红色箭头所示）；b）和c）分别是X射线显微镜和FIB-SEM成像在在相同位置二维图像的比较

总结来说（划重点），通过Atlas 5（点击查看）将三维成像技术联用，能帮我们从微米到纳米级对镁合金样品的腐蚀进行观察：无损的Xradia Versa（点击查看）在微米尺度观察并控制原位腐蚀过程；用Xradia 810 Ultra（点击查看）对被腐蚀区域进行纳米级表征，观察被腐蚀的晶界以及破损多孔的腐蚀产物；FIB-SEM（点击查看）进行更小区域的三维重构，观察到更多的精细结构、复杂的裂纹形貌以及分布非常不规则的腐蚀产物。

蔡司君相信，在显微联用技术支持下，无论是突破控制镁合金腐蚀的技术难题，还是研究其他材料的失效原理，研发人员都能更加省时省力。没准哪一天，骨伤病人还能开玩笑说：“如今咱也是‘镁’人了。”

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（蔡司显微镜蔡司显微镜）

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