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激光增材制造过程中使用激光诱导击穿光谱学技术对多种元素进行原位分析的研究

本文摘要:一.增材生产增材生产(AdditiveManufacturing-AM)技术由于可必要根据3D数字模型生产出有零件而具备强劲的金属零件生产能力和损坏零件的修缮和较慢再行生产能力。增材生产技术的优点主要还包括材料利用率低,可生产出有用于传统机械制造方法无法生产出有的具备简单结构的零件,具备生产所须要元素成分浓度梯度的零件的可能性。

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一.增材生产增材生产(AdditiveManufacturing-AM)技术由于可必要根据3D数字模型生产出有零件而具备强劲的金属零件生产能力和损坏零件的修缮和较慢再行生产能力。增材生产技术的优点主要还包括材料利用率低,可生产出有用于传统机械制造方法无法生产出有的具备简单结构的零件,具备生产所须要元素成分浓度梯度的零件的可能性。

要生产出有高质量的零件必须对输出原材料、增材生产生产周期的优化工艺参数和生产线掌控有一定的理解,而在线监测和控制系统的发展为提升零件质量和增进AM技术在高精尖领域的应用于奠下了基础,这些高精尖领域对零件的质量拒绝很高,如航空航天和医疗领域。目前早已有诸如高速光学、光学高温计、高速X射线光学等测量技术早已顺利应用于到AM过程中的原位临床和掌控。

Liu等人利用光谱仪对激光热丝熔覆过程展开在线监测,在该技术中电流用作冷却丝,激光用作熔融丝,当熔覆过程告终时光谱仪不会测量电弧的发射光谱。近来,有研究者建议将光谱学与等离子体光学技术相结合对粉末床激光熔融过程展开动态探伤。然而目前为止仍未有关于对AM过程中元素成分展开原位分析的研究公开发表。

对通过AM生产出有的金属试样展开元素分析的传统方法是离线的,必须根据实验拒绝对试样展开处置。例如X射线荧光光谱(X-rayfluorescencespectroscopy-XRF)无法用作高温试样且必须对试样展开如表面抛光等预处理。电子能量X射线色散(ElectronenergyX-raydispersive-EDX)是一种传统的用作观测试样特征的工具,但是该工具必须较高的真空条件,这也就意味著不能处置尺寸较小的试样(几厘米)。

此外,基于X射线光谱(XRF,EDX等)的技术一般来说对轻元素的灵敏度较低,但是这些轻元素有可能是要求制备样品性能的关键元素,例如碳元素是要求碳化物颗粒强化的镍合金涂层低耐磨性的关键元素,而XRF和EDX等技术是无法为这些如碳,硅等轻元素获取精确的分析。LIBS是一种功能强大且具备前景的分析技术,可用作对用于AM技术生产出有的零件展开在线多元素的原位定量分析。

由于LIBS技术的遥测能力可以测量“光子可约”的任何目标,因此该技术是对熔池方位的元素展开定量分析的理想自由选择。LIBS早已被证明是一种功能强大的原位定量分析仪器,限于于材料分选的在线分析、液态钢、液态铝合金、炉渣和熔融玻璃的在线定量分析。样品生产过程中的在线定量分析是AM的另一个最重要特征,这是为了确保用作航空航天或具备特定元素成分梯度设计的零件能超过很高的质量拒绝。其中元素在线定量分析不会在旋即的将来沦为研发AM中的填充分级材料技术的关键一步。

在激光熔覆修缮损毁零件过程中,由于取样面积小且必须在线监测,因此LIBS技术可以作为该过程的监测工具。在本研究中,我们证明了LIBS在AM的填充样品生产过程中展开多元素原位定量分析的可能性。我们的目标是研发一种远程LIBS系统,该系统能在利用同轴激光熔覆技术展开填充涂层的制备期间对轻元素(碳、硅等)和重元素(钨、镍等)展开定量分析。

同轴激光熔覆技术是一种基于金属粉末流动并通过倒数激光熔融粉末的一种AM技术,该技术可以有效地用作零件修缮或生产过程中功能梯度材料制备的掌控。例如,同轴激光熔覆技术已顺利用作修缮或生产基于碳化钨(WC)晶粒强化的Ni-Fe-B-Si合金高耐磨涂层。由于WC浓度对涂层的机械性能有相当大的影响,因此在高质量耐用涂层的生产过程中必须对碳和钨元素展开原位在线分析。二、材料与方法2.1同轴激光熔覆实验设置实验用于镱掺入光纤激光器(1070nm,5kW,YSL-5,IPGPhotonics)熔融粉末(Ni-Fe-B-Si合金粉末和WC粉末),粉末成分闻表格1。

实验设置的示意图和实物图如图1右图,通过双通道粉末入料器(PF-2/2,GTV)产生气溶胶,气溶胶通过载气(氩气,99.99%)将粉末输送到熔融覆头,然后两种粉末在转入熔融覆头之前混合;同轴激光熔融覆头由工业机器臂构建精确度为100μm的移动掌控(闻图1(a));实验所用的基材为Fe37-3FN钢板。LIBS设备加装在熔覆头上,并通过光纤相连到光谱仪,光谱仪与电脑相连并将实验中观测到的光谱数据传输到电脑末端展开存储和先前分析。实验工艺参数为:激光功率为1.4kW,Ni-Fe-B-Si合金粉末和WC粉末的送来粉率分别为6g/s和2g/s,熔融覆头移动速度为6mm/s,单层熔覆层的高度为1.4mm,宽度为4mm。

除了碳、硼和硅之外,其它的主要元素(镍、钨等)皆通过EDX展开定量分析,这是因为镍、钨和铁等基质元素不受光谱干扰更为相当严重,呼吸困难用作LIBS在线分析,且EDX对碳、硼和硅等这些轻元素灵敏度较低。表格1激光熔覆过程粉末和基材的元素构成(wt%)图1配有LIBS系统的同轴激光熔覆实验示意图(a)和实物图(b)2.2LIBS系统研发的LIBS系统不应符合以下拒绝:能定量分析轻元素和重元素;LIBS分析仪不应加装在激光熔融覆头判处避免机械臂或制备部件本身有可能产生的视线遮盖;熔池和LIBS分析仪之间的大于可相似距离不应小于30cm以避免热粉末颗粒或熔滴后向衍射而导致光学损毁,换而言之即LIBS设备不应尽可能灵活轻巧以便在易加装在机器臂上的基础上仍能定量分析还包括轻元素在内的主要元素(碳、钨、镍等)。LIBS系统主要由两个部分构成:加装在熔覆头处的LIBS分析仪和坐落于安全性地面五米外的设备箱,其中设备箱包括激光电源、光谱仪和用作存储处置LIBS数据的计算机。LIBS分析仪的明确结构闻图2,自由选择具备完全相同光轴的180°后向散射光学方案用作激光束探讨和光学器件聚光,激光束通过透镜(焦距F=280mm)并穿越镀铝镜探讨到样品表面,光斑直径为0.5mm。

探讨透镜离轴稍微转动,以避免激光头被偏移衍射光束损毁。镀铝镜和石英透镜(焦距F=70mm)搜集等离子体光谱信号并将其传输到光纤电缆输出末端,然后光纤电缆将等离子体光谱信号传输到检测器。

LIBS探针将通过倒数流动氩气(6升至/分钟)以维护光学器件受到熔融液滴的影响。LIBS系统与同轴激光熔覆装置的计算机实时,这样可以在任何希望的时刻提供LIBS测量值。


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