激光增材制造中激光誘導(dǎo)擊穿光譜學(xué)技術(shù)對多種元素原位的研究
時間：2019-02-28 08:43 來源：南極熊 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
一.增材制造
增材制造（Additive Manufacturing-AM）技術(shù)由于可直接根據(jù)3D數(shù)字模型制造出零件而具有強(qiáng)大的金屬零件生產(chǎn)能力和破損零件的修復(fù)和快速再制造能力。增材制造技術(shù)的優(yōu)點主要包括材料利用率高，可生產(chǎn)出使用傳統(tǒng)機(jī)械制造方法無法制造出的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，具有生產(chǎn)所需元素成分濃度梯度的零件的可能性。要生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件需要對輸入原材料、增材制造生產(chǎn)周期的優(yōu)化工藝參數(shù)和生產(chǎn)線控制有一定的了解，而在線監(jiān)測和控制系統(tǒng)的發(fā)展為提高零件質(zhì)量和促進(jìn)AM技術(shù)在高精尖領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，這些高精尖領(lǐng)域?qū)α慵馁|(zhì)量要求很高，如航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域。
目前已經(jīng)有諸如高速成像、光學(xué)高溫計、高速X射線成像等測量技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到AM過程中的原位診斷和控制。Liu等人利用光譜儀對激光熱絲熔覆過程進(jìn)行在線監(jiān)測，在該技術(shù)中電流用于加熱絲，激光用于熔化絲，當(dāng)熔覆過程失敗時光譜儀會測量電弧的發(fā)射光譜。近來，有研究者建議將光譜學(xué)與等離子體成像技術(shù)相結(jié)合對粉末床激光熔化過程進(jìn)行實時探傷。然而目前為止尚未有關(guān)于對AM過程中元素成分進(jìn)行原位分析的研究發(fā)表。
對通過AM制造出的金屬試樣進(jìn)行元素分析的傳統(tǒng)方法是離線的，需要根據(jù)實驗要求對試樣進(jìn)行處理。例如X射線熒光光譜（X-ray fluorescence spectroscopy-XRF）不能用于高溫試樣且需要對試樣進(jìn)行如表面打磨等預(yù)處理。電子能量X射線色散（Electron energy X-ray dispersive-EDX）是一種傳統(tǒng)的用于探測試樣特征的工具，但是該工具需要較高的真空條件，這也就意味著只能處理尺寸較小的試樣（幾厘米）。此外，基于X射線光譜（XRF,EDX等）的技術(shù)通常對輕元素的靈敏度較低，但是這些輕元素可能是決定合成樣品性能的關(guān)鍵元素，例如碳元素是決定碳化物顆粒增強(qiáng)的鎳合金涂層高耐磨性的關(guān)鍵元素，而XRF和EDX等技術(shù)是不能為這些如碳，硅等輕元素提供準(zhǔn)確的分析。
LIBS是一種功能強(qiáng)大且具有前景的分析技術(shù)，可用于對使用AM技術(shù)制造出的零件進(jìn)行在線多元素的原位定量分析。由于LIBS技術(shù)的遙感能力可以測量“光子可達(dá)”的任何目標(biāo)，因此該技術(shù)是對熔池位置的元素進(jìn)行定量分析的理想選擇。LIBS已經(jīng)被證明是一種功能強(qiáng)大的原位定量分析儀器，適用于材料分選的在線分析、液態(tài)鋼、液態(tài)鋁合金、爐渣和熔融玻璃的在線定量分析。樣品生產(chǎn)過程中的在線定量分析是AM的另一個重要特征，這是為了保證用于航空航天或具有特定元素成分梯度設(shè)計的零件能達(dá)到很高的質(zhì)量要求。其中元素在線定量分析會在不久的將來成為開發(fā)AM中的復(fù)合分級材料技術(shù)的關(guān)鍵一步。在激光熔覆修復(fù)受損零件過程中，由于采樣面積小且需要在線監(jiān)測，因此LIBS技術(shù)可以作為該過程的監(jiān)測工具。
在本研究中，我們證明了LIBS在AM的復(fù)合樣品生產(chǎn)過程中進(jìn)行多元素原位定量分析的可能性。我們的目標(biāo)是開發(fā)一種遠(yuǎn)程LIBS系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在利用同軸激光熔覆技術(shù)進(jìn)行復(fù)合涂層的合成期間對輕元素（碳、硅等）和重元素（鎢、鎳等）進(jìn)行定量分析。同軸激光熔覆技術(shù)是一種基于金屬粉末流動并通過連續(xù)激光熔化粉末的一種AM技術(shù)，該技術(shù)可以有效地用于零件修復(fù)或生產(chǎn)過程中功能梯度材料合成的控制。例如，同軸激光熔覆技術(shù)已成功用于修復(fù)或生產(chǎn)基于碳化鎢（WC）晶粒增強(qiáng)的Ni-Fe-B-Si合金高耐磨涂層。由于WC濃度對涂層的機(jī)械性能有很大的影響，因此在高質(zhì)量耐磨涂層的生產(chǎn)過程中需要對碳和鎢元素進(jìn)行原位在線分析。
增材制造（Additive Manufacturing-AM）技術(shù)由于可直接根據(jù)3D數(shù)字模型制造出零件而具有強(qiáng)大的金屬零件生產(chǎn)能力和破損零件的修復(fù)和快速再制造能力。增材制造技術(shù)的優(yōu)點主要包括材料利用率高，可生產(chǎn)出使用傳統(tǒng)機(jī)械制造方法無法制造出的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，具有生產(chǎn)所需元素成分濃度梯度的零件的可能性。要生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件需要對輸入原材料、增材制造生產(chǎn)周期的優(yōu)化工藝參數(shù)和生產(chǎn)線控制有一定的了解，而在線監(jiān)測和控制系統(tǒng)的發(fā)展為提高零件質(zhì)量和促進(jìn)AM技術(shù)在高精尖領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，這些高精尖領(lǐng)域?qū)α慵馁|(zhì)量要求很高，如航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域。
目前已經(jīng)有諸如高速成像、光學(xué)高溫計、高速X射線成像等測量技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到AM過程中的原位診斷和控制。Liu等人利用光譜儀對激光熱絲熔覆過程進(jìn)行在線監(jiān)測，在該技術(shù)中電流用于加熱絲，激光用于熔化絲，當(dāng)熔覆過程失敗時光譜儀會測量電弧的發(fā)射光譜。近來，有研究者建議將光譜學(xué)與等離子體成像技術(shù)相結(jié)合對粉末床激光熔化過程進(jìn)行實時探傷。然而目前為止尚未有關(guān)于對AM過程中元素成分進(jìn)行原位分析的研究發(fā)表。
對通過AM制造出的金屬試樣進(jìn)行元素分析的傳統(tǒng)方法是離線的，需要根據(jù)實驗要求對試樣進(jìn)行處理。例如X射線熒光光譜（X-ray fluorescence spectroscopy-XRF）不能用于高溫試樣且需要對試樣進(jìn)行如表面打磨等預(yù)處理。電子能量X射線色散（Electron energy X-ray dispersive-EDX）是一種傳統(tǒng)的用于探測試樣特征的工具，但是該工具需要較高的真空條件，這也就意味著只能處理尺寸較小的試樣（幾厘米）。此外，基于X射線光譜（XRF,EDX等）的技術(shù)通常對輕元素的靈敏度較低，但是這些輕元素可能是決定合成樣品性能的關(guān)鍵元素，例如碳元素是決定碳化物顆粒增強(qiáng)的鎳合金涂層高耐磨性的關(guān)鍵元素，而XRF和EDX等技術(shù)是不能為這些如碳，硅等輕元素提供準(zhǔn)確的分析。
LIBS是一種功能強(qiáng)大且具有前景的分析技術(shù)，可用于對使用AM技術(shù)制造出的零件進(jìn)行在線多元素的原位定量分析。由于LIBS技術(shù)的遙感能力可以測量“光子可達(dá)”的任何目標(biāo)，因此該技術(shù)是對熔池位置的元素進(jìn)行定量分析的理想選擇。LIBS已經(jīng)被證明是一種功能強(qiáng)大的原位定量分析儀器，適用于材料分選的在線分析、液態(tài)鋼、液態(tài)鋁合金、爐渣和熔融玻璃的在線定量分析。樣品生產(chǎn)過程中的在線定量分析是AM的另一個重要特征，這是為了保證用于航空航天或具有特定元素成分梯度設(shè)計的零件能達(dá)到很高的質(zhì)量要求。其中元素在線定量分析會在不久的將來成為開發(fā)AM中的復(fù)合分級材料技術(shù)的關(guān)鍵一步。在激光熔覆修復(fù)受損零件過程中，由于采樣面積小且需要在線監(jiān)測，因此LIBS技術(shù)可以作為該過程的監(jiān)測工具。
在本研究中，我們證明了LIBS在AM的復(fù)合樣品生產(chǎn)過程中進(jìn)行多元素原位定量分析的可能性。我們的目標(biāo)是開發(fā)一種遠(yuǎn)程LIBS系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在利用同軸激光熔覆技術(shù)進(jìn)行復(fù)合涂層的合成期間對輕元素（碳、硅等）和重元素（鎢、鎳等）進(jìn)行定量分析。同軸激光熔覆技術(shù)是一種基于金屬粉末流動并通過連續(xù)激光熔化粉末的一種AM技術(shù)，該技術(shù)可以有效地用于零件修復(fù)或生產(chǎn)過程中功能梯度材料合成的控制。例如，同軸激光熔覆技術(shù)已成功用于修復(fù)或生產(chǎn)基于碳化鎢（WC）晶粒增強(qiáng)的Ni-Fe-B-Si合金高耐磨涂層。由于WC濃度對涂層的機(jī)械性能有很大的影響，因此在高質(zhì)量耐磨涂層的生產(chǎn)過程中需要對碳和鎢元素進(jìn)行原位在線分析。
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