pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2017-8-1-61-72pimi-289Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsАНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ ИСХОДНЫХ ПОДЛОЖЕК АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДА КЕЛЬВИНАANALYSIS OF SURFACE DEFECTS OF ALUMINUM AND ITS ALLOYS WITH A SCANNING KELVIN PROBEТявловскийА. К.TyavlovskyA. K.

Адрес для переписки: Тявловский А.К. – Белорусский национальный технический университет, пр. Независимости, 65, г. Минск 220013, Беларусь    e-mail: tyavlovsky@bntu.by

Address for correspondence: Tyavlovsky A.K. –  Belarusian National Technical University, Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013, Belarus    e-mail: tyavlovsky@bntu.by

tyavlovsky@bntu.byЖаринА. Л.ZharinA. L.ГусевО. К.GusevO. K.ВоробейР. И.VarabeiR. I.МухуровН. И.MuhurovN. I.ШароновГ. В.SharonovG. V.ПантелеевК. В.PantsialeyeuK. U.Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusОптика, оптоэлектроника и лазерная техника, Государственное научно-производственное объединениеБеларусьOptics, Optoelectronics and Laser Technology, State Scientific and Production AmalgamationBelarusИнститут физики им. Б.И. Степанова НАН БеларусиБеларусьInstitute of Physics of the NAS of BelarusBelarus201728022017816172Copyright © Тявловский А.К., Жарин А.Л., Гусев О.К., Воробей Р.И., Мухуров Н.И., Шаронов Г.В., Пантелеев К.В., 20172017Тявловский А.К., Жарин А.Л., Гусев О.К., Воробей Р.И., Мухуров Н.И., Шаронов Г.В., Пантелеев К.В.Tyavlovsky A.K., Zharin A.L., Gusev O.K., Varabei R.I., Muhurov N.I., Sharonov G.V., Pantsialeyeu K.U.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/289

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.

Currently, the use of probe electrometry in non-destructive testing is constrained by the complexity of measurement results interpretation. An output signal of electrometric probe depends on a number of physical and chemical parameters of surface including chemical composition variations, stresses, dislocations, crystallographic orientation of a surface, etc. The study aims to the use of probe electrometry methods for nondestructive testing and analysis of precision metal surfaces’ defects after different treatment or processing.

Control of surface defects of aluminum and its alloys was performed with a scanning Kelvin probe technique. The results of scanning were plotted in a form of contact potential difference (CPD) distribution map. Additionally, a histogram of CPD values distribution and statistical characteristics including the expectation of CPD mean value and histogram half-width were calculated either for the whole distribution or for each individual mode in a case of multimodal distribution.

The spatial CPD distribution of A99 aluminum and AMG-2 alloy surfaces after electrochemical polishing and diamond finishing was studied. An additional study was held for AMG-2 surface after the formation of 30 microns thick specific nanostructured alumina oxide surface layer. Higher quality surfaces have characterized as more homogeneous distribution of the physical properties (at half-width distribution histogram). Surfaces with higher mechanical strength and overall better mechanical properties found to have lower CPD values that correspond to higher electron work function and surface energy. The presence of the second mode in the CPD distribution histogram indicates the significant proportion of defect areas on the sample surface.

Analysis of visualized CPD distribution maps using defined criteria allows detecting and characterizing such defects as residual stress areas, areas with reduced microhardness, surface contamination spots, corrosion defects. This provides the possibility of rapid nondestructive testing and diagnostic of precision metal surfaces, in particular the starting substrates for sensitive elements and sensory devices manufacture. 

поверхностьдефекталюминийзонд Кельвинаконтактная разность потенциаловsurfacedefectaluminumKelvin probecontact potential differenceReferencesВудраф, Д. Современные методы исследования поверхности / Д. Вудраф, Т. Делчар. – М. : Мир, 1989. – 564 c.Woodruff D., Delchar T. Sovremennye metody issledovaniya poverkhnosti [Modern techniques of surface science]. Moscow, Mir Publ., 1989, 564 p. (in Russian).Nazarov, A. Application of EIS and SKP methods for the study of the zinc/polymer interface / A. Nazarov, T. Prosek, D. Thierry // Electrochimica Acta. – 2008. – Vol. 53, no. 25. – P. 7531–7538.Nazarov A., Prosek T., Thierry D. Application of EIS and SKP methods for the study of the zinc/polymer interface. Electrochimica Acta, 2008, vol. 53, no. 25, pp. 7531–7538. doi: 10.1016/j.electacta.2007.11.053.Kiejna, A. Simple theory of elastically deformed metals: Surface energy, stress, and work function / A. Kiejna, V.V. Pogosov // Phys. Rev. B. – 2000. – Vol. 62. – P. 10445–10450.Kiejna A., Pogosov V.V. Simple theory of elas tically deformed metals: Surface energy, stress, and work function. Phys. Rev. B, 2000, vol. 62, pp. 10445–10450. doi: 10.1103/PhysRevB.62.10445Pogosov, V.V. Effect of Deformation on Surface Characteristics of Finite Metallic Crystals / V.V. Pogosov, O.M. Shtepa // Ukr. J. Phys. – 2002. – Vol. 47, no. 11. – P. 1065–1070.Pogosov V.V., Shtepa O.M. Effect of Deformation on Surface Characteristics of Finite Metallic Crystals. Ukr. J. Phys., 2002, vol. 47, no. 11, pp. 1065–1070.Levitin, V.V. Inflence of Cyclic Stresses upon the Electronic Work Function for the Metal Surface / V.V. Levitin [et al.] // Solid State Communications. – 1994. – Vol. 92, no. 12. – P. 973–976.Levitin V.V., Loskutov S.V., Pravda M.I., Serpetzky B.A. Inflence of Cyclic Stresses upon the Elec tronic Work Function for the Metal Surface. Solid State Communications, 1994, vol. 92, no. 12, pp. 973–976. doi: 10.1016/0038-1098(94)90023-XЛоскутов, C.B. Формирование энергетического рельефа металлических поверхностей в процессах трения и изнашивания / C.B. Лоскутов, В.В. Левитин, В.Н. Гордиенко // Трение и износ. – 2002. – Т. 23, № 2. – С. 176–180.Loskutov S.V., Levitin V.V., Gordienko V.N. [Formation of metal surfaces energetic relief in the pro cesses of friction and wear]. Trenie i iznos [Friction and Wear], 2002, vol. 23, no. 2. pp. 176–180 (in Russian).Шаронов, Г.В. Контроль металлических поверхностей, обработанных алмазным наноточением, по работе выхода электрона / Г.В. Шаронов, А.Л. Жарин, Н.И. Мухуров, К.В. Пантелеев // Приборы и методы измерений. – 2015. – № 2 (10). – С. 196–203.Sharonov G.V., Zharin A.L., Muhurov N.I., Pantsialeyeu K.U. [Control of metal surfaces machined in ac cordance with the diamond nanomachining technology based on the electron work function]. Pribory i metody izmerenii [Devices and Methods of Measurements], 2015, no. 6(2), pp. 196–203 (in Russian).Zhong, K. Effects of strain on effective work function for Ni/HfO2 interfaces / K. Zhong, G. Xu, J.-M. Zhang, Z. Huang // J. Appl. Phys. – 2014. – Vol. 116. – P. 063707.Zhong K., Xu G., Zhang J.-M., Huang Z. Effects of strain on effective work function for Ni/HfO2 interfaces. J. Appl. Phys., 2014, vol. 116, p. 063707. doi: 10.1063/1.4892799Li, W. In situ measurements of simultaneous electronic behavior of Cu and Al induced by mechanical deformation / W. Li, D. Y. Li //J. Appl. Phys. – 2006. – Vol. 99. – P. 073502.Li W., Li D.Y. In situ measurements of simultane ous electronic behavior of Cu and Al induced by mechani cal deformation. J. Appl. Phys., 2006, vol. 99, p. 073502. doi: 10.1063/1.2181300Белый, А.В. Работа выхода электрона и физикомеханические свойства хромсодержащих ионнолегированных сталей / А.В. Белый, А.Л. Жарин, А.Н. Карпович, А.К. Тявловский // Весці Нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. Серыя фізіка-тэхнічных навук. – 2016. – № 1. – С. 21–27.Belyi A.V., Zharin A.L., Karpovich A.N., Tyavlovsky A.K. [Electron work function and physical and mechanical properties of the chromium ion-doped steels]. Vestsі Natsyyanal’nai akademіі navuk Belarusі. Seryya fіzіka-tekhnіchnykh navuk [Proceeding of the National academy of sciences of Belarus, physico-technical series], 2016, no. 1, pp. 21–27 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.