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1、铝合金阳极氧化（复膜）技术的成像原理分析（基于国内资料）摘 要：本文通过介绍铝合金阳极复膜技术的实际操作，以及不同光学技术成像原理的差异，认为，阳极复膜技术有别于其它显微组织分析技术；进而通过偏振光技术涉及的基本概念，梳理、分析并明确了阳极复膜技术成像、成色分析的思路。关键词： 铝合金；阳极复膜；金相检验；偏振光；成像；成色0 前言 变形铝合金、铸造铝合金在检验金相组织时用通常的混合酸（Kellers试剂）很难显露晶粒边界，同时，在明场条件下观察，组织衬度也不好。通常可以借助深腐蚀或阳极复膜后，在偏振光条件下观察，可以很好地分辨组织、提高衬度16。 其中，阳极复膜是效果最佳的手段。阳极复膜即是
2、电解阳极化处理，是研究各向同性金属晶粒大小的一个重要方法，是利用氧化膜的各向异性而可以在偏振光下研究各向同性金属。因此，凡是金属的氧化物或硫化物属于非立方晶系的，都可以利用这一方法1。铝的氧化物属于六方晶系，常采用电解阳极化处理来观察组织的晶粒度大小。 不过，在实际工作中，对于阳极复膜成像原理的解释说明存在一些混乱。一方面，很多人认识肤浅，存在概念错误或者操作错误。另一方面，我们对于氧化膜形成的过程、结构的认识依然没有清晰；进而，金相分析过程中应用到的阳极氧化技术的基础理论也就缺少合理的支撑。同时，本文并无定论，不要误解。1 实际操作的简单步骤及效果 通常阳极化处理在下列溶液中进行：2%氢氟酸
3、，49%乙醇，49%水，所得到的氧化铝膜（六方晶系）厚度不宜过大1。许多研究单位中的课题组，实际上有着自己独到的溶液配置，以及参数控制技巧；也可参考文献7。在进行铝及铝合金的电解阳极化处理前，首先进行机械磨光、抛光；随后，进行电解抛光，再借助电解抛光设备在电解抛光后的金相磨面上形成一层很薄的氧化膜，形成的氧化膜必需属光学各向异性才能进行偏光研究。氧化膜结构与位向，必然对应于它底下晶粒的位向1，8。氧化膜的组织结构、分布状况完全对应于铝合金晶粒的形貌特征，间接、如实地反映着膜层底下基体金属的组织结构分布形貌。如此，光学各向同性的金属也可以利用偏振光观察。 前期的机械抛光及电解抛光的质量会影响到复
4、膜的完整性、均匀性。可以说，样品制备的每一个步骤都对最终的复膜质量、组织显示及色彩丰富程度有着不同的影响，缺一不可9。 我们使用的金相观察设备是OLYMPUS-PMG3型高级金相显微镜，配以Pixera Professional-120万像素数码相机。图1是铝合金阳极复膜后采用偏振光照明观察，调整恰当的起偏镜与检偏镜角度得到的效果。可以看到，不同的晶粒区域呈现不同的灰度等级、效果。在图1的观察状态下，再往光路中加入色敏波片后的色彩效果见图2。 图1 偏光观察2 偏光+波片观察 在实际观察操作时，有一点需要特别注意，即，采用数码相机采集图像时，复膜后的图像色彩的丰富、明艳程度，必须以显示器上观察
5、到的实际采集效果为准，不可仅仅在显微镜目镜中观察、判断，切记！因为，最终图片的情况还与感光元件CCD靶面的白平衡、感光敏感性有关（这因该是数字化图像时代的新要求与方便之处；胶片时代，也应该是与底片的性质匹配才是最有效的，只不过，以前无法即拍即现，对样品制备的要求就拔高了）。 另外，有一个必须要明确的现象就是，阳极复膜样品，在明场下，没有灰度、色彩效果；感觉就是一个抛光而未侵蚀的样品。目测也没有什么色彩感觉。完全不同于干涉膜成像技术（彩色金相技术中的Tint etching- also called stain etching or color etching）中的目测色彩变化的效果（比如紫色）
6、。2 不能混淆不同光学技术的成像原理 在进一步分析阳极复膜成像原理前有必要特别说明：一定要避免混淆不同光学技术的成像原理。这是因为，有些研究人员将电解阳极化处理后在偏光加“波片”条件下观察时的彩色图像效果混同于微差干涉衬度（DIC）技术的彩色图像效果，或者简单混同于薄膜干涉成像技术的效果。通过下面的表格可以简单地了解阳极复膜成像、成色与其它不同成像技术的差异。表一，阳极复膜成像、成色与其它成像的不同项目光学条件、附件图像、样品特点阳极复膜偏振光、波片最终图像是黑白（不加波片）或彩色（加波片）；同时，彩色会随着偏振方向的变化而周期变化。用眼睛无法直接辨别是否与镜面效果存在色泽上的差异。膜厚小于4
7、0nm薄膜成像自然光、明场最终图像是彩色，用眼睛可以分辨与抛光的镜面效果出现明显的色泽差异。膜厚在122148nm微分干涉偏振光、波片、诺马斯基棱镜最终图像是黑白（不加波片）或彩色（加波片），有浮凸效果。抛光后直接观察。 显然，不同的成像技术差异很大，不会是同样的成像、成色原理，即使在分析成像原理时有些概念是相通的（比如位相差的形成中，有膜厚的因素），但是，还是要避免简单地混淆。3 阳极复膜成像、成色的分析 阳极复膜成像技术的原理不能用几何光学原理解释，必须通过光的波动原理进行分析。所以，很多光学研究中的基本概念是必须了解的，然后才可能分析、理解阳极复膜成像的基本原理。3.1 有关自然光、偏振
8、光的基本概念 什么是自然光、偏振光；偏振光如何获得；偏振光有哪些类型；自然光、偏振光通过透明的光学各向异性晶体时的“双折射”现象；波片的作用；自然光、偏振光的干涉、消光现象的特殊条件等等，这些概念必须有一个基本的了解。这些概念，在很多文献、资料中的介绍是基本一致的，属于成熟的理论，再此，不作过多的引用。其中，自然光通过各向异性晶体产生双折射所形成的o光与e光，虽然它们的频率相同，振动方向可以相互垂直，但是，它们之间没有固定的相位差，在光线行进方向上的任一点，o光与e光的相位差均随时间作无规则的变化，因此，它们不能合成为偏振光。当自然光换成直线偏振光时，却可以满足相干的条件。我们称直线偏振光垂直
9、入射各向异性晶片时，产生两个振动方向互相垂直的，振动频率相同，具有固定位相差的两个线偏振光迭加，能够合成椭圆偏振光的现象为偏振光的干涉现象10。从这一点可以说，偏振光照明奠定了无可替代的独特光学效果。3.2 国内对于偏振光技术在研究金属组织结构时的成像原理的认识 很多文献在分析阳极复膜技术成像机理时，往往混同于偏振光技术研究光学各向异性金属抛光面的分析方式。 首先应当说明，偏振光技术不太适合于研究各向同性金属，要研究，必须深蚀或者采用阳极复膜技术。这是因为，线偏振光垂直照射到各向同性金属抛光表面时，反射光的振动面不会发生偏转。但是，倾斜照射到磨面时，一般是反射形成椭圆偏振光。 然而，当直线偏振
10、光照射到不透明的各向异性金属磨面上时，会产生双反射，即，反射光分解为振动面相互垂直的线偏振光o光和e光。由于各向异性，金属表面对两束光的反射能力是不同的，而且位相改变也不相同。但对大量各向异性金属的研究表明，两束反射光的位相差很小，因此认为两束光的强度差成为主要因素。实验证明，金属表面对e光的反射能力大于对o光的反射能力。结果，反射光虽仍然是直线偏振光（忽略位相差），但其振动方向不再和入射光一致，改变了原来的方向，即反射光的偏振面发生了旋转11。此时，对于多晶体而言，由于每个晶粒的取向不同，因此每个晶粒的反射光偏转的角度都不同，如果在正交尼科尔的条件下观察，由于不同晶粒使得反射光的振动面产生了
11、不同程度的偏转，通过检偏镜后，则可以见到存在灰度差异的晶粒。以锌（密排六方，光学各向异性）样品为例，图3是明场（光源选择绿光），图4是偏光观察的效果。比较而言，许多（至少有3处）明场无法呈现的信息在偏光照明下得以观察到。 图3 绿光+明场 图4 偏光观察（没有波片）图5 偏光+波片 如果用白光照明，且加入波片（灵敏色片），经过波片后，各种波长的色光由于位相差不同，而成为不同偏振状态的偏振光（椭圆度、椭圆方位和旋向不同），某个频率的光线会满足干涉消光条件。因此，在检偏镜后，可以看到偏振光的干涉色。不同位置的消光现象不同，物相呈现彩色效果。图5与图4比较，色彩偏离了原来的绿色基调，是干涉色的效果；
12、衬度，因该说比较图4有进一步改善。 但是，在分析阳极复膜技术成像原理时，一定要避免简单地套用上述的分析原理。因为，阳极复膜技术制备的样品有自己的特点：在样品的抛光磨面上形成了一层极薄的膜，但还不足以产生肉眼可辨的薄膜干涉效果；薄膜是透明的；薄膜是光学各向异性的。因此，在分析阳极复膜技术成像原理时涉及的原理、方法会是非常复杂的。3.3 国内对于阳极复膜成像原理分析的不同认识 许多文献中，对于偏振光观察中的成像、成色的分析，用了比较模糊的提法，比如：“除了深蚀以外，还可以采用在试样表面形膜的方法，使试样表面形成一层各向异性的薄膜，因为薄膜的位向与基体金属的晶体取向有关，这样，借助于各向异性薄膜，使
13、基体金属的晶粒或其它相在偏振光下产生黑白或彩色衬度”12。 类似的还有：“在许多情况下，在研究光学各向同性金属时会出现各向异性的效应。这和金属表面上形成一薄层光学各向异性物质有关。在实际工作中可以利用这种现象改善图像的对比度”13。 也有回避问题的说法：“在偏振光照明下所以能看到彩色图像，主要是由于各色偏振光产生干涉的结果，是一个比较复杂的问题，这里就不再展开讨论”10。 热处理手册中对于阳极复膜的说明是：各向同性的金属经表面阳极化处理后，由于各个相或各个晶粒氧化膜厚度不同，偏光下能清晰显示组织1416。这种说法与透明薄膜的干涉效果相混淆。其实，一个最根本的问题就是光源的特殊性，如果是薄膜干涉
14、效果的话，光源不必强调采用偏振光，简单的明场即可（当然，偏光可以进一步改善明场观察效果不理想的情况）。而阳极复膜的成像要求中是必须采用偏振光作为光源的。 还有的文献中可以说涉及到了一些本质的问题，但存在模糊、错误的分析。比如，仅仅指出“氧化膜存在双折射”就直接论述最终图像的色彩效果17，比较模糊；或者，“在偏光照明下，不同位向的晶粒，由于其表面覆盖上一层各向异性的薄膜，又有厚度差，所以，各晶粒会呈现明显的白亮色和黑色的晶粒区别，有的则成灰色。如果用微分干涉衬度（DIC）附件或使用灵敏色片，晶粒就具有非常清晰鲜艳的颜色。”18。这一论述混淆了阳极复膜技术与DIC技术不同的色彩形成原理；同时，也缺
15、少必要的原理解释。 纵观国内文献，对于阳极复膜成像原理论述比较深入的是“金相研究方法”中的论述：“样品表面的入射偏振光被分为二个相互垂直的分振动，部分光线透过氧化膜；因为氧化膜各向异性，透过的二个分振动在氧化膜层内的传播速度不相等，这二个分振动穿过氧化膜后在“膜-金属”相界面上得到反射，它与直接由氧化膜表面上反射的光线有一定的相位差，而且强度也不相等，结果使反射光变成了椭圆偏振光。椭圆偏振光椭圆的程度，决定于晶粒的位向、氧化膜的厚度与氧化膜的光学性质；同时与入射光的波长也有关系。如果采用白光照明，在反射光程中插入一块“灵敏色片”（现在称之为“波片”），椭圆偏振程度将随波长而发生变化，因而产生干涉现象，各个不同位向的晶粒呈现不同的色彩1。” 实际上，上述的论述也只是定性地描述，没有深入分析光路、相位的关系。换个角度说，阳极复膜的成像、成色原理，是一个更为复杂的偏振光干涉效果。 如果忽略薄膜-空气界面的反射光的强度，仅仅考虑膜-金属界面的反射的话，文献11进行了数学上的推导、说明。当然，作者谦虚地说明，也只是定性解释。4
