激光誘導擊穿光譜表征3D打印18Ni300模具鋼表面硬度

楊金偉,孔令華,付洪波,練國富,易定容,黃 旭,雷鵬達

(1.福建工程學院機械與汽車工程學院,福建 福州 350118；2.數字福建工業制造物聯網實驗室,福建 福州 350118；3.中國科學院安徽光學精密機械研究所,安徽 合肥 230031；4.華僑大學機電及自動化學院,福建 廈門 361021)

1 引 言

3D打印(增材制造)技術是一種快速自由成形三維實體零件的新技術,它以數字文件為基礎,利用金屬粉末和塑料等材料,通過逐層打印的方式成型形物體。常用的3D打印技術有電子束熔化成型、選擇性激光燒結和選擇性激光融化等。選擇性激光熔化(Selective laser melting,SLM)是3D打印工藝的一種,其通過高功率激光束選擇性地熔化連續的粉末層來制造具有復雜幾何形狀的零件[1]。與傳統的制造技術相比,SLM可以直接由粉末制造出復雜形狀的零件,具有良好的減重、熱控制、摩擦磨損、生物匹配等性能[2]。目前廣泛應用于航空航天、汽車、醫學和藝術等領域。

在3D打印成形零件過程中,力學性能直接影響著零件后續的運行安全和使用壽命,硬度是零件材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標,因此對3D打印零件的硬度進行無損和快速的表征,具有重要的應用意義。目前硬度的測量可以通過多種不同的硬度試驗來實現,常用的有維氏硬度試驗等。傳統的硬度測量往往需要進行破壞性取樣,這對于一次成形的3D打印零件是不適用的,因此需要發展無損的硬度測量方法。有研究表明,激光誘導擊穿光譜(Laser-induced Breakdown spectroscopy,LIBS)技術可以作為硬度表征的一種新方法,與傳統的硬度測量方法相比,LIBS具有近無損、快速和在線表征等諸多優點[3]。

激光誘導擊穿光譜是一種原子發射光譜技術,可用于對各種狀態物質(固體、液體、氣體和氣溶膠)的不同元素進行定性和定量分析[4-5]。該技術具有分析速度快、多元素同時在線分析、無需樣品處理以及可結合光纖進行遠距離測量等優點,已廣泛應用于重金屬檢測[6]、材料分析[7]、環境監控[8]和地質錄井[9]等領域。LIBS技術作為材料硬度表征的一種新方法受到了許多學者的關注。Abdel-Salamed等人[10]將LIBS應用于鈣化組織表面硬度的測定,結果表明,Ca和Mg的離子線與原子線強度比和表面硬度之間存在良好的線性相關性。Cowpe等人[11]利用LIBS測定生物陶瓷的硬度,證明了等離子激發溫度與樣品硬度之間呈線性關系,且相比于常規維氏硬度測量具有更高的再現性。Aberkane等人[12]用LIBS技術研究了Fe-V-C合金表面硬度與等離子體溫度的關系,發現激光誘導的等離子體溫度與樣品表面的維氏硬度之間存在著直接的線性關系,相比于使用離子與原子譜線強度比的方法具有更高的精度。Huang等人[13]將LIBS和典型相關分析與支持向量回歸相結合以估計鋼的力學性能,建立了硬度多元定標模型,表明將LIBS與化學計量法相結合可以高效準確地評估材料的硬度。目前將LIBS技術用于3D打印零件表面硬度表征的研究還很少,而3D打印零件對無損和在線檢測技術的需要使得將LIBS作為一種表征3D打印零件表面硬度的新方法具有一定的研究意義和應用價值。

本文采用SLM技術制備了不同工藝參數的18Ni300模具鋼樣品,利用LIBS技術和維氏硬度計分別對樣品進行了硬度表征,建立了LIBS光譜數據與樣品表面硬度之間的關系。結果表明,LIBS技術可用于3D打印零件表面硬度的表征。本研究的最終目標是隨著實驗裝置和研究方法的進一步改進,將來將LIBS作為一種近無損、快速和在線表征的技術用于零件3D打印過程中力學性能的實時在線監測。

2 樣品制備與實驗

2.1 樣品制備

樣品制備設備為德國SLM SOLUTIONS 公司的SLM 125系列,該設備采用單激光(1×400 W)IPG光纖激光器,最大加工尺寸為125 mm×125 mm×125 mm,采用氬氣作為保護氣體。樣品材料為使用等離子霧化法制備的18Ni300模具鋼粉末,粉末粒度分布在10 ～ 45 μm之間,化學成分見表1。

表1 18Ni300模具鋼粉末的化學成分(wt. %)

采用正交試驗方法制備具有不同表面硬度的樣品,固定鋪粉層厚為50 μm,選取激光功率、掃描間距和掃描速度作為正交試驗因素,每個因素分別選取3個水平,試驗方案見表2。樣品成形尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。

樣品表面使用砂紙打磨平整,使用MVA 402 TS型顯微硬度計對樣品進行表面硬度測量,載荷500 N,加載時間20 s。取5個隨機測量點的平均值做為硬度測量結果,結果如表3所示。

表2 SLM成形工藝參數

表3 樣品表面硬度測量值

2.2 實驗裝置

LIBS實驗系統裝置如圖1所示。采用帶調Q開關的Nd∶YAG(Dawa100,Beamtech,China)脈沖激光器作為激發光源,工作波長為1064 nm,單脈沖能量為45 mJ,重復頻率為1 Hz,脈沖寬度約為7 ns。激光器發出的脈沖激光經過反射鏡(Mirror)反射后通過f=100 mm的會聚透鏡(Lens 1)聚焦在樣品表面激發樣品產生等離子體,等離子體的光譜信號經過收集透鏡(Lens 2)耦合到光纖中并傳輸至光譜儀。實驗使用的是Avantes光譜儀(Avantes,Mechelle 5000),其可探測波長范圍為220～750 nm,分辨率為0.1 nm,采集延遲時間為1.28 μs,積分時間為1.05 ms。實驗在大氣環境中進行,為避免空氣被擊穿,激光聚焦在樣品表面下方約2 mm處。樣品放置在三維移動平臺上,可實現對樣品多個位置進行測量。在每個樣品的5個不同點進行LIBS測量,每個點進行100次LIBS實驗,其中前20次去除表面雜質與氧化層,后80次光譜數據進行平均作為該點的代表性光譜。

圖1 LIBS實驗裝置

3 實驗結果與討論

3.1 光譜特性與硬度

圖2中顯示了不同硬度的模具鋼樣品在228～440 nm波長范圍內的LIBS光譜。選用譜線豐富、易于識別的Ni和Al元素進行光譜特性分析,將實驗光譜與NIST原子光譜數據庫進行匹配,識別出Ni和Al元素的原子譜線與離子譜線。分析中所使用的譜線和相關譜線參數列于表4中。

圖2 不同硬度模具鋼樣品的LIBS光譜

表4 所選分析線的譜線參數

計算了Ni和Al元素的離子譜線與原子譜線的強度比,比值與樣品表面硬度之間的相關性如圖3所示。樣品表面硬度和離子譜線與原子譜線的強度比之間呈現出一定的線性關系,隨著樣品表面硬度的增加,離子譜線與原子譜線的強度比也隨之增大,這種關系與等離子體的電離度密切相關。當激光作用于樣品表面之后,樣品的表面開始蒸發和離解,產生初始等離子體。等離子體中的自由電子繼續從激光中吸收能量,并通過碰撞將能量傳遞給原子,從而向周圍傳播沖擊波。隨著自由電子不斷增加,等離子體的電離度逐漸增大,當等離子體電離度達到最大后,沖擊波前沿速度降低,等離子體開始冷卻并發射出包含物質成分信息的原子和離子譜線。對于較軟的材料,斥力較小,沖擊波前沿的速度較慢,使得等離子體的電離度較低,在發射譜線上表現為離子譜線與原子譜線的強度比值較低[14]。反之,對于較硬的材料,離子譜線與原子譜線的強度比值較高。這一理論已經在關于等離子體沖擊波速度的研究中得到了證實[15-16]。

(a)Ni(所選譜線為Ni Ⅱ 251.087和Ni Ⅰ 232.003)

(b)Al(所選譜線為Al Ⅱ 281.618和Al Ⅰ 394.401)

從圖3中可以看出,對于不同的元素,由于不同的激發特性和自吸收效應,離子譜線與原子譜線的強度比和表面硬度之間具有不同斜率的線性關系,這證實了使用譜線強度比的方法表征3D打印零件表面硬度的是可行的。基于離子譜線與原子譜線的強度比表征材料的表面硬度需要選擇合適的譜線,譜線的選擇會給硬度的測量結果帶來一定的不確定性,因此有學者提出了用等離子體溫度表征材料表面硬度的方法,且表明這種方法可以減少譜線選擇帶來的不確定性[12],本文中也對這種方法進行了研究。

3.2 等離子體溫度與硬度

假定等離子體處于局部熱力學平衡(local thermodynamic equilibrium,LTE)狀態,則元素中性原子和離子的布居數服從玻爾茲曼分布[17]；這時,能級間躍遷發射譜線的強度可用于計算等離子體溫度,即Boltzmann平面圖法。等離子體溫度可由式(1)計算:

ln(λkiIki/gkAki)=-Ek/kBT+ln(N(T)/U(T))

(1)

其中,k、i分別是躍遷的上能級和下能級;λki是躍遷波長；Iki是譜線強度；gk是上能級簡并度；Aki是k能級向i能級躍遷的幾率；Ek是上能級能量；kB是玻爾茲曼常數；T是等離子體溫度；N(T)是總粒子數密度；U(T)是配分函數。

如果幾條譜線屬于同一電離級次,如全部為原子或一級離子譜線,則總粒子數密度N(T)和配分函數U(T)相同,可以根據式(1)計算等離子體溫度。選取同一元素的同一級次的數條譜線,以它們的上能級能量Ek為橫坐標,以ln(λkiIki/gkAki)值為縱坐標,可以得到Boltzmann平面圖,通過圖中擬合直線的斜率-1/kBT,即可求得等離子體溫度。本文選擇Al Ⅰ的四條特征譜線來計算等離子體溫度,這些譜線相對獨立,不會與其他元素的譜線發生干擾,自吸收效應可忽略不計[18]。選用的特征譜線參數如表5所示。圖4顯示了樣品1的典型玻爾茲曼圖。

根據Boltzmann平面圖法的計算,各樣品的等離子溫度在6500～9000 K之間。圖5顯示了各樣品表面硬度與等離子體溫度之間的關系,等離子體溫度隨著樣品表面硬度的增加而增加,兩者呈現良好的線性相關關系。這種相關關系的存在是因為當樣品較硬時,其抵抗外界破壞的能力較強,因此在相同的激光能量和作用時間下,樣品表面的燒蝕質量較小,相同的激光能量作用在較小的燒蝕質量上,則等離子體對脈沖激光能量的吸收增加,這導致等離子體羽流中更多的碰撞電離,電子溫度隨之增加[19]。

表5 Al元素特征譜線參數

圖4 樣品1的玻爾茲曼圖

圖5 等離子體溫度和表面硬度的關系

3.3 局部熱力學平衡的驗證

使用Boltzmann平面圖法計算等離子體溫度基于假設等離子體處于局部熱力學平衡(LTE)狀態,因此需要對LTE狀態進行驗證。根據Mc Whirter標準,等離子體滿足LTE狀態的必要條件為[20]:

Ne≥1.6×1012T1/2ΔE3

(2)

式中,Ne為電子密度；T為等離子體溫度；ΔE最大躍遷能量。

等離子體電子密度通常是通過計算LIBS光譜合適發射譜線的展寬來估計的,根據激光等離子體展寬理論,由于等離子體中各粒子相互碰撞而引起的stark展寬是譜線展寬的主要來源,其他展寬(如共振和多普勒展寬)的貢獻可以忽略不計[21],因此電子密度和譜線展寬之間的關系可近似為:

ΔλFWHM≈2×10-16ωNe

(3)

式中,ΔλFWHM為譜線的Lorentz擬合線寬；ω為電子碰撞系數,可從文獻[22]中查得。

選擇Al I 396.152 nm譜線計算樣品的電子密度,其最大躍遷能量ΔE=3.129 eV,根據式(2),使用等離子溫度最高的7號樣品計算滿足Mc Whirter標準所需的最小電子密度,T=8673.034 K,得到滿足Mc Whirter標準所需的最小電子密度為Ne≥4.625×1015cm-3。根據式(3),對譜線進行Lorentz擬合得到譜線的ΔλFWHM,不同溫度下Al I 396.152 nm譜線電子碰撞系數ω可通過查找文獻[22]并插值獲得,計算得到本文中的等離子電子密度Ne在5.065×1016～6.009×1016cm-3之間。根據計算結果可知,所有樣品的等離子電子密度均大于滿足Mc Whirter標準所需的最小電子密度,這基本上驗證了LTE假設。

4 結 論

本文采用激光誘導擊穿光譜法對不同工藝參數制備的3D打印18Ni300模具鋼的表面硬度進行了表征。分析了離子譜線與原子譜線的強度比和樣品表面硬度的關系,結果表明,NiⅡ/NiⅠ和AlⅡ/AlⅠ的比值與樣品表面硬度之間存在線性關系,決定系數分別為R2=0.83和R2=0.92,二者的差異是由于不同元素的激發特性和自吸收效應不同導致的。使用玻爾茲曼法計算了等離子體溫度,等離子體溫度與樣品表面硬度之間同樣存在良好的線性關系,決定系數R2=0.91。實驗結果表明,LIBS可以作為3D打印零件表面硬度的一種近無損、快速和在線表征的方法；同時為進一步研究LIBS實時在線監測3D打印過程中零件的力學性能提供了初步的理論依據。