Анализ дефектов поверхности исходных подложек алюминия и его сплавов методом сканирующего зонда Кельвина

Abstract

В настоящее время использование методов зондовой электрометрии в неразрушающем контроле сдерживается сложностью интерпретации результатов измерений, что связано с многофакторностью измерительного сигнала, зависящего от большого количества параметров физико-химического состояния поверхности: отклонений химического состава, механических напряжений, дислокаций, кристаллографической ориентации поверхности и др. Целью исследования являлось применение методов зондовой электрометрии для неразрушающего контроля и анализа дефектов прецизионных металлических поверхностей, полученных различными видами обработки. Методика экспериментальных исследований включала в себя построение визуализированного изображения пространственного распределения контактной разности потенциалов (КРП) по поверхности образцов методом сканирующего зонда Кельвина, построение гистограммы распределения значений КРП и определение статистических характеристик распределения, таких как математическое ожидание значений КРП и полуширина гистограммы распределения (для каждой моды при многомодальном распределении). Исследовано пространственное распределение КРП исходных подложек из алюминия А99 и сплава АМГ-2 после обработки поверхностей электрохимической полировкой и алмазным наноточением, а также после формирования на подготовленной поверхности слоя специфического наноструктурированного оксида алюминия толщиной 30 мкм. Более высоким качеством обладают поверхности, характеризующиеся меньшей полушириной гистограммы распределения. Наибольшей механической прочностью и в целом лучшими механическими свойствами при прочих равных условиях обладают поверхности с наиболее низкими значениями контактной разности потенциалов, что соответствует наибольшим значениями работы выхода электрона и поверхностной энергии. Наличие второй моды в гистограмме распределения значений контактной разности потенциалов указывает на наличие значимых по площади дефектных областей на соответствующей поверхности образца. Экспериментально показано, что анализ визуализированных изображений пространственного распределения КРП с использованием данных критериев позволяет выявлять и характеризовать такие дефекты, как места концентрации остаточных механических напряжений, участки с пониженной микротвердостью поверхности, загрязнения, коррозионные дефекты. Тем самым обеспечивается возможность оперативного неразрушающего контроля и диагностики функциональных характеристик прецизионных поверхностей металлов, в частности, исходных подложек для изготовления чувствительных элементов устройств сенсорики.