激光增材制造中激光诱导击穿光谱学技术对多种元素原位的研究(2)
时间：2019-02-28 08:43 来源：南极熊 作者：中国3D打印网 阅读：次
二、材料与方法
2.1 同轴激光熔覆实验设置
实验使用镱掺杂光纤激光器（1070nm，5kW，YSL-5，IPG Photonics）熔化粉末（Ni-Fe-B-Si合金粉末和WC粉末），粉末成分见表1。实验设置的示意图和实物图如图1所示，通过双通道粉末进料器（PF-2/2，GTV）产生气溶胶，气溶胶通过载气（氩气，99.99％）将粉末输送到熔覆头，然后两种粉末在进入熔覆头之前混合；同轴激光熔覆头由工业机器臂实现精确度为100μm的移动控制（见图1(a)）；实验所用的基材为Fe37-3FN钢板。LIBS设备安装在熔覆头上，并通过光纤连接到光谱仪，光谱仪与电脑连接并将实验中探测到的光谱数据传输到电脑端进行存储和后续分析。实验工艺参数为：激光功率为1.4kW，Ni-Fe-B-Si合金粉末和WC粉末的送粉率分别为6g/s和2g/s，熔覆头移动速度为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）均通过EDX进行定量分析，这是因为镍、钨和铁等基质元素受光谱干扰较为严重，不适用于LIBS在线分析，且EDX对碳、硼和硅等这些轻元素灵敏度较低 [34]。
表1 激光熔覆过程粉末和基材的元素组成（wt%）
图1配备LIBS系统的同轴激光熔覆实验示意图(a)和实物图(b)
2.2 LIBS系统
开发的LIBS系统应满足以下要求：能定量分析轻元素和重元素；LIBS探头应安装在激光熔覆头处以防止机械臂或合成部件本身可能产生的视线遮挡；熔池和LIBS探头之间的最小可接近距离应大于30cm以防止热粉末颗粒或熔滴后向散射而造成光学损坏，换而言之即LIBS设备应尽量紧凑轻便以便在易安装在机器臂上的基础上仍能定量分析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组成：安装在熔覆头处的LIBS探头和位于安全地面五米外的设备箱，其中设备箱包含激光电源、光谱仪和用于存储处理LIBS数据的计算机。LIBS探头的具体结构见图2，选择具有相同光轴的180°后向散射光学方案用于激光束聚焦和光学器件聚光，激光束通过透镜（焦距F = 280 mm）并穿过镀铝镜聚焦到样品表面，光斑直径为0.5 mm。聚焦透镜离轴略微旋转，以防止激光头被反向散射光束损坏。镀铝镜和石英透镜（焦距F = 70mm）收集等离子体光谱信号并将其传输到光纤电缆输入端，然后光纤电缆将等离子体光谱信号传输到检测器。LIBS探针将通过连续流动氩气（6升/分钟）以保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同步，这样可以在任何期望的时刻获取LIBS测量值。
图2 LIBS探针的具体组成示意图(a)和实物图(b)
(责任编辑：admin)
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