激光增材制造中激光誘導擊穿光譜學技術對多種元素原位的研究(2)
時間：2019-02-28 08:43 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
二、材料與方法
2.1 同軸激光熔覆實驗設置
實驗使用鐿摻雜光纖激光器（1070nm，5kW，YSL-5，IPG Photonics）熔化粉末（Ni-Fe-B-Si合金粉末和WC粉末），粉末成分見表1。實驗設置的示意圖和實物圖如圖1所示，通過雙通道粉末進料器（PF-2/2，GTV）產生氣溶膠，氣溶膠通過載氣（氬氣，99.99％）將粉末輸送到熔覆頭，然后兩種粉末在進入熔覆頭之前混合；同軸激光熔覆頭由工業機器臂實現精確度為100μm的移動控制（見圖1(a)）；實驗所用的基材為Fe37-3FN鋼板。LIBS設備安裝在熔覆頭上，并通過光纖連接到光譜儀，光譜儀與電腦連接并將實驗中探測到的光譜數據傳輸到電腦端進行存儲和后續分析。實驗工藝參數為：激光功率為1.4kW，Ni-Fe-B-Si合金粉末和WC粉末的送粉率分別為6g/s和2g/s，熔覆頭移動速度為6mm/s，單層熔覆層的高度為1.4mm，寬度為4mm。
除了碳、硼和硅之外，其它的主要元素（鎳、鎢等）均通過EDX進行定量分析，這是因為鎳、鎢和鐵等基質元素受光譜干擾較為嚴重，不適用于LIBS在線分析，且EDX對碳、硼和硅等這些輕元素靈敏度較低 [34]。
表1 激光熔覆過程粉末和基材的元素組成（wt%）
圖1配備LIBS系統的同軸激光熔覆實驗示意圖(a)和實物圖(b)
2.2 LIBS系統
開發的LIBS系統應滿足以下要求：能定量分析輕元素和重元素；LIBS探頭應安裝在激光熔覆頭處以防止機械臂或合成部件本身可能產生的視線遮擋；熔池和LIBS探頭之間的最小可接近距離應大于30cm以防止熱粉末顆粒或熔滴后向散射而造成光學損壞，換而言之即LIBS設備應盡量緊湊輕便以便在易安裝在機器臂上的基礎上仍能定量分析包括輕元素在內的主要元素（碳、鎢、鎳等）。LIBS系統主要由兩個部分組成：安裝在熔覆頭處的LIBS探頭和位于安全地面五米外的設備箱，其中設備箱包含激光電源、光譜儀和用于存儲處理LIBS數據的計算機。LIBS探頭的具體結構見圖2，選擇具有相同光軸的180°后向散射光學方案用于激光束聚焦和光學器件聚光，激光束通過透鏡（焦距F = 280 mm）并穿過鍍鋁鏡聚焦到樣品表面，光斑直徑為0.5 mm。聚焦透鏡離軸略微旋轉，以防止激光頭被反向散射光束損壞。鍍鋁鏡和石英透鏡（焦距F = 70mm）收集等離子體光譜信號并將其傳輸到光纖電纜輸入端，然后光纖電纜將等離子體光譜信號傳輸到檢測器。LIBS探針將通過連續流動氬氣（6升/分鐘）以保護光學器件受到熔融液滴的影響。LIBS系統與同軸激光熔覆裝置的計算機同步，這樣可以在任何期望的時刻獲取LIBS測量值。
圖2 LIBS探針的具體組成示意圖(a)和實物圖(b)
(責任編輯：admin)
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