3-1、實驗方法
本次研究計畫劃分為兩階段，第一階段為了驗證Nd:YAG 雷射是否能達 到如預期的改質功效，對結晶基地相 BMGC 進行表面改質；而若確定雷射 能使結晶化基地相重新熔融為非晶相，第二階段則進一步以穿透整塊試片為 主，探討雷射整塊式穿透非晶化改質的可行性。而兩期實驗進行分成幾個部 分(1)合金來源、(2)試片檢驗、(3)改質參數設計、(4)微組織檢驗、(5)熱物性 質檢驗、(6)機械性質檢驗、(7)抗腐蝕性檢驗，圖3-1-1為實驗流程圖。
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圖3-1-1、第一階段及第二階段實驗流程圖
電弧熔煉 (MC-BMGC、IMA-BMGC)
表面研磨 (100、200、600、800、1000 號)
X-ray 繞射鑑定 (結晶-非晶判斷)
Nd:YAG 雷射
(第一階段:LSAF-BMGC) (第二階段:LWBAF-BMGC)
SEM3400、SEM4700(表面微組織、橫截面觀察)
DSC
熱物性質分析 TEM
界面相鑑定
微小維氏硬度機 機械性質檢測
恆電位儀 (腐蝕性檢測)
腐蝕後表面觀察
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兩階段計畫的研究流程相似，差異在於若第一階段的表面改質試驗成 功，第二階段則進行整塊式雷射改質研究。首先，在實驗進行前會先以砂紙 研磨試片表面並拋光製表面無刮痕，使用X-ray 繞射鑑定判斷試片為我們所 需 的 鑄 造 結 晶 試 片(matrix-crystallized bulk metallic glass composite , MC-BMGC) 以 及 鑄 造 非 晶 試 片 (initial matrix amorphous BMGC, IMA-BMGC)，確認後對 MC-BMGC 進行 Nd:YAG 雷射改質(第一階段為表 面改質(laser surface amorphous fabricated BMGC, LSAF-BMGC)，雷射參數如 表3-4-1；第二階段為整塊式雷射改質(laser whole block amorphous fabricated BMGC, LWBAF-BMGC)，雷射參數如表3-4-2)，改質完後會再以 X-ray 繞射 確認改質表面使否達非晶化，確認後使用SEM4700 與 SEM3400 的金相觀察 與 EDS 半定量分析了解表面微組織變化，並驗證改質後基地相是否殘留有 結晶物。基地相鑑定使用FIB 切取 Ta 顆粒及其周圍微組織，通過 TEM 了解 改質前、後Ta 顆粒周圍所圍繞的界面層，鑑定強化相 Ta、界面相與基地相 可能發生的變化。熱物性質分析使用高溫示差分析儀以10k/min 的升溫速率 了解改質前、後各項金屬玻璃特徵溫度以及 GFA 指數，機械性質使用微小 維式硬度機量測硬度值在改質前、後非晶化基材的比較，以及非晶與結晶 BMGC 間的差異。最後抗腐蝕測試使用恆電位儀，第一階段計畫以每秒增加 10mV，第二階段則降低為每秒增加 5mV，電位範圍均由-2V 到 2V，了解不 同試片的極化曲線，配合SEM 與 EDS 設備分析其中的腐蝕機制。
3-2 、合金煉製
本實驗所使用的非晶質金屬玻璃是以99.9%高純度的合金原料按照組成 比例配置好，在氬氣保護氣氛下以電弧熔煉的方式進行合金熔煉，熔煉後的 合金鑄錠將表面氧化層去除，再放入真空吸鑄熔煉爐中，在高純度氬氣氣氛
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下進行真空吸鑄，並搭配恆溫控制系統控制銅模溫度(分別緩冷及急冷兩個 條件)鑄成鑄造非晶(IMA-BMGC)與鑄造結晶(MC-BMGC) 兩種試片，以 in-situ 法製成約 2mm 厚的之(Zr48Cu32Al8Ag8,Ta4)Si0.75 BMGC 板材鑄件。
3-3 、試片檢驗
鑄得的 IMA-BMGC 與 MC-BMGC 依序以 180、320、600、800、1000 號數的SiC 砂紙研磨表面，使用 0.3μm 的 Al2O3粉進行清水拋光使表面無刮 痕，後以 X 光繞射儀確認熔鑄後之 BMGC 鑄件結晶與非晶狀態後，並將鑄 件加工至尺寸控制為1mm 的厚度。
3-4、 雷射參數設計
本實驗擬定對MC-BMGC 進行重熔雷射改質，機台選擇德國 ALPHA AL 150W 型號的低功率脈衝式 Nd:YAG 固態雷射銲接機，參數設計參考下表 3-4-1 所示的指導教授研究團隊所列的雷射重熔因子與銲接參數對銲後品質 影響[22, 42]，實驗分成兩個主要的部份，第一部分為試驗 Nd:YAG 雷射的 改質可行性，我們將雷射能量調低對 MC-BMGC 進行表面重熔，雷射能量 如表3-4-2所示，參數設計參考過往文獻的一半[16, 19]3.5J 來進行。
28 voltage
(V) duration
(ms)
Laser energy
(J)
Spot size (mm)
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表3-4-3、整塊式雷射改質參數設計 LWBAF-BMGC 參數測試 參數
Laser voltage
(V)
Peak power
(kW)
Pulse frequency
(Hz)
Pulse duration
(ms)
Laser energy
(J)
Spot size (mm)
A 240 1.3 2 4.5 6.0 0.4
B 245 1.4 2 4.5 6.5 0.4
C 251 1.6 2 4.5 7.0 0.4
D 255 1.7 2 4.5 7.5 0.4
3-5、 微組織分析
3-5-1 X-ray 繞射鑑定
在進行改質試驗前，需先確認鑄造後的非晶試片、結晶試片本身是否 有達到實驗需求，而實驗使用的機台為義守大學精密實驗室的X 光繞射儀 (圖 3-5-1)，鑄造非晶試片(IMA-BMGC)需要在 2θ 角為 30-500時有大的非 晶繞射峰質，鑄造結晶試片(MC-BMGC)則需確認基材內有何種析出相。
其次，對 MC-BMGC 進行雷射改質後，判斷基材內的析出相是否有重新 熔融，以XRD 檢測是最快可以求得的方法。
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圖3-5-1、X 光繞射分析儀
3-5-2 電子顯微鏡與場發射式電子顯微鏡
實驗試片基地相微組織觀察是使用場發射式電子顯微鏡 4700(圖 3-5-2)，4700 能夠進行高倍率的觀察表面析出物在改質前、後所發生的改 變，除此之外機台附設的 EDS 半定量分析能對腐蝕後的基材進行成分鑑 定，觀察是否有腐蝕生成物附著於表面，又或是元素的損失行為。唯一的 缺點為 4700 的背向散射電子為模擬成相，故當部分鑑定需要背向散射電 子成相時，會由4700 機台切換至 3400 機台(圖3-5-3)。
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圖3-5-2、場發射式電子顯微鏡 SEM4700
圖3-5-3、掃描式電子顯微鏡 SEM3400
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3-5-3 穿透式電子顯微鏡試片備製及觀察
本次實驗所需的TEM 試片均先透過 SEM4700 進行定位，後由中山大 學的雙束型聚焦離子束(Focus Ion Beam，FIB)進行切取(圖3-5-4)，TEM 試 片則使用國立成功大學微奈米中心的高解析場發射掃描穿透式電子顯微 鏡進行明、亮視野與SEAD 的採點(圖3-5-5)。
圖3-5-4、中山大學雙束型聚焦離子束 Focus Ion Beam, FIB[50]
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圖3-5-5、成功大學高解析場發射穿透式電子顯微鏡 High-Resolution Transmission Electron Microscopy,HR-TEM[51]
3-6 、熱物性質量測
熱物性質量測使用高溫示差分析儀(圖3-6-1)，對改質前、後的特定部位 (改質後非晶基材、鑄造結晶基材、鑄造非晶基材)進行試片切取。試片重量 在 0.025g 到 0.03g 之間，以每分鐘 10K 的升溫速率加溫試片、升溫區間由 25℃到 1200℃，可得各部位的吸、放熱曲線，並透過曲線定義出金屬玻璃所 具有的特徵溫度(Tg、Tx、Tm、Tl)加以計算玻璃形成能力(GFA)的變化。
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圖3-6-1、高溫示差分析儀 DSC
3-7 、機械性質分析
機械性質分析本篇實驗選用微小維氏硬度機(圖 3-7-1)，選擇荷重為 0.3kg 的鑽石頭進行硬度量測，分析非晶、結晶硬度值以及改質前、後兩種 非晶組織有何種變化發生。
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圖3-7-1、微小維氏硬度機
3-8 、抗腐蝕性檢驗
電化學腐蝕測試則是以恆電位儀進行測試(圖 3-8-1)，其極化曲線 (polarization curves)是在三電極電解槽(three-electrode cell)下進行試片量測求 得，三電極分別為工作電(working electrode)、鉑金輔助電極(platinum counter electrode) 與 標 準 飽 和 甘 汞 參 考 電 極 (standard saturated calomel reference electrode, SCE)。
電解液是以去離子水調配成3.5wt% NaCl 電解液，每次測試前會以氮氣 體進行除氧動作，並將試片浸泡至電解液中至少300 秒，待至開路電位大致 穩定後，第一階段實驗以每秒上升 5mV 的電位進行，第二階段則降低電位 上升速率改以每秒上升 5mV 的電位對試片進行動電位極化曲線量測。在測 試之後，每塊試片均會使用SEM 與 EDS 進行腐蝕結構與腐蝕產物之探討。
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圖3-8-1、恆電位儀
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