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(3)
时间：2019-02-28 08:43 来源：南极熊 作者：中国3D打印网 阅读：次
三、结果与讨论
LIBS最佳分析光谱的选择取决于包括探测器灵敏度、线强度和光谱干扰等多种因素的影响，由于强烈的光谱干扰，要在含铁材料中选择进行碳分析的谱线是极为困难的。如紫外（C Ι 247.86nm）和红外区域（C Ι 833.51nm）的碳谱线受铁和钨谱线的强烈干扰[35]，在本研究中，碳和钨是研究的重点，选择深紫外范围进行分析，这是因为C Ι 193.09nm谱线不受主要元素（W, Ni, Co, Fe, Cr, Si）谱线的干扰且同时存在于189-210nm的波长范围内。
熔池形状为椭圆形（约为3mm×4mm），因此可以通过调整LIBS探针（0.3mm×0.5mm）位置测量任意熔覆层区域。熔池、热凝固熔覆层表面和冷却至室温的熔覆层的LIBS测量光谱结果对比见图3，结果表明样品表面温度越高，则等离子体光谱强度越强，这为碳分析（C Ι 193.03nm）提供了有利的条件。
图3 (a) 采样区域示意图；(b)LIBS期间拍摄的照片；(c)不同采样区域的LIBS光谱：熔池（红色）、热凝固熔覆层表面（橙色）、冷却至室温的熔覆层（黑色）
我们已经研究了采样点位置对等离子体特性和LIBS信号强度的影响，熔池表面以及热熔覆层表面的温度梯度会影响激光烧蚀过程并因此影响LIBS等离子体性质。为了进一步证明熔覆层温度对等离子体光谱强度的影响，需要测量熔覆层的表面温度和对应的等离子体光谱强度，实验选择的元素谱线为Ni Ι 361.93nm，表面温度由配备有CMOS相机的高温计测量得到，实验示意图和结果见图4，观察图4(b)和(c)可以发现熔池中心的高温处与发射光谱强度较强的区域具有很强的一致性，表明熔池中心处的LIBS取样具有更大的原子发射强度，从而进一步证明了表面温度越高，等离子体光谱的强度越强。通常来说，熔池表面温度在熔覆过程中是相当不稳定[37,38]，这在一定程度上说明采样区域温度波动会降低LIBS测量的重复性和精确度。
图4 (a) LIBS采样位置示意图；(b)Ni Ι 361.93nm完成一层熔覆时的谱线强度变化；(c)穿过熔池中心时的熔覆层表面温度
要使高耐磨涂层达到最佳质量需要镍合金颗粒在熔池中完全熔化的条件下而WC颗粒不被熔化（防止形成低硬度的二次碳化物），这需要通过选择合理的熔覆条件实现，WC具有更高的熔点（WC熔点为2870℃，Ni熔点为1455℃）和更小的粒径（WC和Ni粒径分别为70和120μm）。撞击在固化层表面的WC颗粒优先分散，同时熔化的镍合金附着在固化层表面，这会导致熔覆层上表面（10-50μm）具有镍富集且更深处的熔覆层中WC颗粒会分布得更均匀。基于这个特点，除非样品表面经过抛光，否则这个特点将是在线分析和离线分析的潜在问题。幸运的是，LIBS技术可以测量熔池内部，而熔池内部中强大的材料流动会使WC颗粒分布均匀。
为了估计熔覆层上表面镍富集对LIBS分析的影响，在熔池内和熔覆层表面使用LIBS测量一系列具有不同WC送粉率的样品，待样品冷却之后对其进行打磨以去除熔覆表层（约深200μm），打磨前后的熔覆层表面见图5(a)，根据获得的SEM图片可以发现与更深处相比，熔覆层上表面具有较低的WC颗粒浓度。选择EDX作为离线分析的参考，观察图5(b)可以清楚地看到上表面的WC颗粒浓度（黑色）不及深层WC颗粒浓度（红色）的一半。观察图5(c)可以发现LIBS测量分析得到的谱线强度比结果与EDX测量结果一致，这说明可以将LIBS作为定量分析W和C元素的工具。使用LIBS对熔池进行采样的另一个问题是不确定激光烧蚀是否会影响熔覆层的特性（尺寸和WC颗粒分布），为了进一步确定这一点，比较有无LIBS测量的熔覆层横截面轮廓，根据光学显微镜和SEM可以得到图6，观察图6可以发现不论尺寸还是WC颗粒分布，LIBS测量均未对熔覆层特性产生影响。
图5 (a)SEM图片；(b)EDX分析结果（黑线为表层，红线为深层）(c) LIBS分析结果（橙线为热固层，紫线为熔池内部）
图6 (a)熔覆层顶部光学显微镜图片；(b) 熔覆层横截面SEM图片（左为有LIBS测量的样品；右边为无LIBS测量的样品）
基于这些分析，我们建议将LIBS应用于同轴激光熔覆过程的在线分析。分别使用EDX和燃烧红外吸收法（Combustion infrared absorption method-CIAM）校准LIBS中的钨元素和碳元素，钨和碳的校准曲线与抛物线吻合度很高，见图7。
图7 (a)LIBS中的钨校准曲线；(b)LIBS中的碳校准曲线
为了证明利用LIBS能对具有梯度浓度的熔覆层中的元素进行原位定量分析，设计了改变WC的送粉率并通过LIBS对W和C元素进行测量的实验，送粉率通过编程实现调节，送粉率的变化见图8(a)，WC的送粉率从0g/s增大到20g/s、35g/s，Ni-Fe-B-Si的送粉率从在第200秒的时候从20 g/s减小为10 g/s，经过100秒之后又恢复到20 g/s。LIBS测量的频率为10Hz，并且LIBS光谱在10个连续激光脉冲上取平均以提高精度。钨和碳的LIBS原位测量结果分别见图8(b)和(c)。待熔覆层冷却之后，使用XRF对钨的LIBS测量结果进行验证，使用CIAM对碳的LIBS测量结果进行验证，观察图8(b) 和(c)可以发现钨元素含量的一致性很好，而碳元素含量的一致性稍差些，这是由于LIBS光谱信噪比较低。
图8 (a) WC粉末和Ni-Fe-B-Si粉末在熔覆过程中的变化；(b) 钨元素含量的LIBS和XRF原位分析结果；(c) 钨元素含量的LIBS和CIAM原位分析结果
(责任编辑：admin)
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