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(3)
時間：2019-02-28 08:43 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
三、結果與討論
LIBS最佳分析光譜的選擇取決于包括探測器靈敏度、線強度和光譜干擾等多種因素的影響，由于強烈的光譜干擾，要在含鐵材料中選擇進行碳分析的譜線是極為困難的。如紫外（C Ι 247.86nm）和紅外區域（C Ι 833.51nm）的碳譜線受鐵和鎢譜線的強烈干擾[35]，在本研究中，碳和鎢是研究的重點，選擇深紫外范圍進行分析，這是因為C Ι 193.09nm譜線不受主要元素（W, Ni, Co, Fe, Cr, Si）譜線的干擾且同時存在于189-210nm的波長范圍內。
熔池形狀為橢圓形（約為3mm×4mm），因此可以通過調整LIBS探針（0.3mm×0.5mm）位置測量任意熔覆層區域。熔池、熱凝固熔覆層表面和冷卻至室溫的熔覆層的LIBS測量光譜結果對比見圖3，結果表明樣品表面溫度越高，則等離子體光譜強度越強，這為碳分析（C Ι 193.03nm）提供了有利的條件。
圖3 (a) 采樣區域示意圖；(b)LIBS期間拍攝的照片；(c)不同采樣區域的LIBS光譜：熔池（紅色）、熱凝固熔覆層表面（橙色）、冷卻至室溫的熔覆層（黑色）
我們已經研究了采樣點位置對等離子體特性和LIBS信號強度的影響，熔池表面以及熱熔覆層表面的溫度梯度會影響激光燒蝕過程并因此影響LIBS等離子體性質。為了進一步證明熔覆層溫度對等離子體光譜強度的影響，需要測量熔覆層的表面溫度和對應的等離子體光譜強度，實驗選擇的元素譜線為Ni Ι 361.93nm，表面溫度由配備有CMOS相機的高溫計測量得到，實驗示意圖和結果見圖4，觀察圖4(b)和(c)可以發現熔池中心的高溫處與發射光譜強度較強的區域具有很強的一致性，表明熔池中心處的LIBS取樣具有更大的原子發射強度，從而進一步證明了表面溫度越高，等離子體光譜的強度越強。通常來說，熔池表面溫度在熔覆過程中是相當不穩定[37,38]，這在一定程度上說明采樣區域溫度波動會降低LIBS測量的重復性和精確度。
圖4 (a) LIBS采樣位置示意圖；(b)Ni Ι 361.93nm完成一層熔覆時的譜線強度變化；(c)穿過熔池中心時的熔覆層表面溫度
要使高耐磨涂層達到最佳質量需要鎳合金顆粒在熔池中完全熔化的條件下而WC顆粒不被熔化（防止形成低硬度的二次碳化物），這需要通過選擇合理的熔覆條件實現，WC具有更高的熔點（WC熔點為2870℃，Ni熔點為1455℃）和更小的粒徑（WC和Ni粒徑分別為70和120μm）。撞擊在固化層表面的WC顆粒優先分散，同時熔化的鎳合金附著在固化層表面，這會導致熔覆層上表面（10-50μm）具有鎳富集且更深處的熔覆層中WC顆粒會分布得更均勻。基于這個特點，除非樣品表面經過拋光，否則這個特點將是在線分析和離線分析的潛在問題。幸運的是，LIBS技術可以測量熔池內部，而熔池內部中強大的材料流動會使WC顆粒分布均勻。
為了估計熔覆層上表面鎳富集對LIBS分析的影響，在熔池內和熔覆層表面使用LIBS測量一系列具有不同WC送粉率的樣品，待樣品冷卻之后對其進行打磨以去除熔覆表層（約深200μm），打磨前后的熔覆層表面見圖5(a)，根據獲得的SEM圖片可以發現與更深處相比，熔覆層上表面具有較低的WC顆粒濃度。選擇EDX作為離線分析的參考，觀察圖5(b)可以清楚地看到上表面的WC顆粒濃度（黑色）不及深層WC顆粒濃度（紅色）的一半。觀察圖5(c)可以發現LIBS測量分析得到的譜線強度比結果與EDX測量結果一致，這說明可以將LIBS作為定量分析W和C元素的工具。使用LIBS對熔池進行采樣的另一個問題是不確定激光燒蝕是否會影響熔覆層的特性（尺寸和WC顆粒分布），為了進一步確定這一點，比較有無LIBS測量的熔覆層橫截面輪廓，根據光學顯微鏡和SEM可以得到圖6，觀察圖6可以發現不論尺寸還是WC顆粒分布，LIBS測量均未對熔覆層特性產生影響。
圖5 (a)SEM圖片；(b)EDX分析結果（黑線為表層，紅線為深層）(c) LIBS分析結果（橙線為熱固層，紫線為熔池內部）
圖6 (a)熔覆層頂部光學顯微鏡圖片；(b) 熔覆層橫截面SEM圖片（左為有LIBS測量的樣品；右邊為無LIBS測量的樣品）
基于這些分析，我們建議將LIBS應用于同軸激光熔覆過程的在線分析。分別使用EDX和燃燒紅外吸收法（Combustion infrared absorption method-CIAM）校準LIBS中的鎢元素和碳元素，鎢和碳的校準曲線與拋物線吻合度很高，見圖7。
圖7 (a)LIBS中的鎢校準曲線；(b)LIBS中的碳校準曲線
為了證明利用LIBS能對具有梯度濃度的熔覆層中的元素進行原位定量分析，設計了改變WC的送粉率并通過LIBS對W和C元素進行測量的實驗，送粉率通過編程實現調節，送粉率的變化見圖8(a)，WC的送粉率從0g/s增大到20g/s、35g/s，Ni-Fe-B-Si的送粉率從在第200秒的時候從20 g/s減小為10 g/s，經過100秒之后又恢復到20 g/s。LIBS測量的頻率為10Hz，并且LIBS光譜在10個連續激光脈沖上取平均以提高精度。鎢和碳的LIBS原位測量結果分別見圖8(b)和(c)。待熔覆層冷卻之后，使用XRF對鎢的LIBS測量結果進行驗證，使用CIAM對碳的LIBS測量結果進行驗證，觀察圖8(b) 和(c)可以發現鎢元素含量的一致性很好，而碳元素含量的一致性稍差些，這是由于LIBS光譜信噪比較低。
圖8 (a) WC粉末和Ni-Fe-B-Si粉末在熔覆過程中的變化；(b) 鎢元素含量的LIBS和XRF原位分析結果；(c) 鎢元素含量的LIBS和CIAM原位分析結果
(責任編輯：admin)
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