基于激光誘導擊穿光譜的增材制造成分梯度不銹鋼樣品的成分分布研究及應用

劉宗鑫， 沈學靜*， 李冬玲， 趙 雷

1. 鋼鐵研究總院， 北京 100081 2. 金屬材料表征北京市重點實驗室， 北京 100081 3. 鋼研納克檢測技術股份有限公司， 北京 100081

引 言

金屬增材制造技術憑借其材料利用率高， 無需模具成型， 加工精度高， 速度快等特點， 在生產復雜工件以及小批量制造時優勢顯著[1-2]。 近年來以異種金屬粉末為原料制備的成分梯度樣品受到廣泛關注， 但該技術工藝目前尚不成熟， 產品內部常常出現較多的缺陷導致其力學性能方面與傳統工件存在差距[3]， 需要配套的檢測方法指導工藝的改進。 目前通常使用能譜儀(EDS)、 電子探針(EPMA)對該類樣品進行點或微區的成分定量分析， 但對于大尺寸的樣品而言， 由于檢測的視場有限， 無法實現全尺寸樣品的成分分布表征， 因此其表征數據對于制造工藝的改進和產品的質量控制有一定的局限性。

目前應用較多的宏觀成分分布分析手段主要包括Spark-OPA[4-6]和LIBS-OPA[7-9]。 Spark-OPA所用的光源由火花放電所產生， 由于其單火花放電的隨機性和擴散性， 導致其空間定位性有所不足， 其激發斑點較大同時激發易受樣品表面缺陷影響， 而增材制造中每層熔覆道厚度約為0.5～1.0 mm， 故Spark-OPA不適用于增材制造梯度材料的精細表征。 相比之下LIBS-OPA技術以聚焦的激光為激發源， 激發的束斑可低至100 μm， 對樣品損傷小， 空間分辨率高， 成分分布定位更加精確。 本研究以增材制造成分梯度不銹鋼樣品為研究對象， 優化激發條件以及儀器參數后， 建立工作曲線， 對樣品沉積……