楊金偉,孔令華,付洪波,練國(guó)富,易定容,黃 旭,雷鵬達(dá)

(1.福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建 福州 350118；2.數(shù)字福建工業(yè)制造物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350118；3.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,安徽 合肥 230031；4.華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建 廈門 361021)

1 引 言

3D打印(增材制造)技術(shù)是一種快速自由成形三維實(shí)體零件的新技術(shù),它以數(shù)字文件為基礎(chǔ),利用金屬粉末和塑料等材料,通過(guò)逐層打印的方式成型形物體。常用的3D打印技術(shù)有電子束熔化成型、選擇性激光燒結(jié)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(guò)高功率激光束選擇性地熔化連續(xù)的粉末層來(lái)制造具有復(fù)雜幾何形狀的零件[1]。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比,SLM可以直接由粉末制造出復(fù)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(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)學(xué)和藝術(shù)等領(lǐng)域。

在3D打印成形零件過(guò)程中,力學(xué)性能直接影響著零件后續(xù)的運(yùn)行安全和使用壽命,硬度是零件材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo),因此對(duì)3D打印零件的硬度進(jìn)行無(wú)損和快速的表征,具有重要的應(yīng)用意義。目前硬度的測(cè)量可以通過(guò)多種不同的硬度試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn),常用的有維氏硬度試驗(yàn)等。傳統(tǒng)的硬度測(cè)量往往需要進(jìn)行破壞性取樣,這對(duì)于一次成形的3D打印零件是不適用的,因此需要發(fā)展無(wú)損的硬度測(cè)量方法。有研究表明,激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-induced Breakdown spectroscopy,LIBS)技術(shù)可以作為硬度表征的一種新方法,與傳統(tǒng)的硬度測(cè)量方法相比,LIBS具有近無(wú)損、快速和在線表征等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜是一種原子發(fā)射光譜技術(shù),可用于對(duì)各種狀態(tài)物質(zhì)(固體、液體、氣體和氣溶膠)的不同元素進(jìn)行定性和定量分析[4-5]。該技術(shù)具有分析速度快、多元素同時(shí)在線分析、無(wú)需樣品處理以及可結(jié)合光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于重金屬檢測(cè)[6]、材料分析[7]、環(huán)境監(jiān)控[8]和地質(zhì)錄井[9]等領(lǐng)域。LIBS技術(shù)作為材料硬度表征的一種新方法受到了許多學(xué)者的關(guān)注。Abdel-Salamed等人[10]將LIBS應(yīng)用于鈣化組織表面硬度的測(cè)定,結(jié)果表明,Ca和Mg的離子線與原子線強(qiáng)度比和表面硬度之間存在良好的線性相關(guān)性。Cowpe等人[11]利用LIBS測(cè)定生物陶瓷的硬度,證明了等離子激發(fā)溫度與樣品硬度之間呈線性關(guān)系,且相比于常規(guī)維氏硬度測(cè)量具有更高的再現(xiàn)性。Aberkane等人[12]用LIBS技術(shù)研究了Fe-V-C合金表面硬度與等離子體溫度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)激光誘導(dǎo)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(guān)系,相比于使用離子與原子譜線強(qiáng)度比的方法具有更高的精度。Huang等人[13]將LIBS和典型相關(guān)分析與支持向量回歸相結(jié)合以估計(jì)鋼的力學(xué)性能,建立了硬度多元定標(biāo)模型,表明將LIBS與化學(xué)計(jì)量法相結(jié)合可以高效準(zhǔn)確地評(píng)估材料的硬度。目前將LIBS技術(shù)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(duì)無(wú)損和在線檢測(cè)技術(shù)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(yīng)用價(jià)值。

本文采用SLM技術(shù)制備了不同工藝參數(shù)的18Ni300模具鋼樣品,利用LIBS技術(shù)和維氏硬度計(jì)分別對(duì)樣品進(jìn)行了硬度表征,建立了LIBS光譜數(shù)據(jù)與樣品表面硬度之間的關(guān)系。結(jié)果表明,LIBS技術(shù)可用于3D打印零件表面硬度的表征。本研究的最終目標(biāo)是隨著實(shí)驗(yàn)裝置和研究方法的進(jìn)一步改進(jìn),將來(lái)將LIBS作為一種近無(wú)損、快速和在線表征的技術(shù)用于零件3D打印過(guò)程中力學(xué)性能的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

2 樣品制備與實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品制備

樣品制備設(shè)備為德國(guó)SLM SOLUTIONS 公司的SLM 125系列,該設(shè)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(hù)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(xué)成分見表1。

表1 18Ni300模具鋼粉末的化學(xué)成分(wt. %)

采用正交試驗(yàn)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(yàn)因素,每個(gè)因素分別選取3個(gè)水平,試驗(yàn)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(jì)對(duì)樣品進(jìn)行表面硬度測(cè)量,載荷500 N,加載時(shí)間20 s。取5個(gè)隨機(jī)測(cè)量點(diǎn)的平均值做為硬度測(cè)量結(jié)果,結(jié)果如表3所示。

表2 SLM成形工藝參數(shù)

表3 樣品表面硬度測(cè)量值

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

LIBS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖1所示。采用帶調(diào)Q開關(guān)的Nd∶YAG(Dawa100,Beamtech,China)脈沖激光器作為激發(fā)光源,工作波長(zhǎng)為1064 nm,單脈沖能量為45 mJ,重復(fù)頻率為1 Hz,脈沖寬度約為7 ns。激光器發(fā)出的脈沖激光經(jīng)過(guò)反射鏡(Mirror)反射后通過(guò)f=100 mm的會(huì)聚透鏡(Lens 1)聚焦在樣品表面激發(fā)樣品產(chǎn)生等離子體,等離子體的光譜信號(hào)經(jīng)過(guò)收集透鏡(Lens 2)耦合到光纖中并傳輸至光譜儀。實(shí)驗(yàn)使用的是Avantes光譜儀(Avantes,Mechelle 5000),其可探測(cè)波長(zhǎng)范圍為220～750 nm,分辨率為0.1 nm,采集延遲時(shí)間為1.28 μs,積分時(shí)間為1.05 ms。實(shí)驗(yàn)在大氣環(huán)境中進(jìn)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(dòng)平臺(tái)上,可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品多個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量。在每個(gè)樣品的5個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行LIBS測(cè)量,每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行100次LIBS實(shí)驗(yàn),其中前20次去除表面雜質(zhì)與氧化層,后80次光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平均作為該點(diǎn)的代表性光譜。

圖1 LIBS實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)范圍內(nèi)的LIBS光譜。選用譜線豐富、易于識(shí)別的Ni和Al元素進(jìn)行光譜特性分析,將實(shí)驗(yàn)光譜與NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配,識(shí)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(guān)譜線參數(shù)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(shù)

計(jì)算了Ni和Al元素的離子譜線與原子譜線的強(qiáng)度比,比值與樣品表面硬度之間的相關(guān)性如圖3所示。樣品表面硬度和離子譜線與原子譜線的強(qiáng)度比之間呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系,隨著樣品表面硬度的增加,離子譜線與原子譜線的強(qiáng)度比也隨之增大,這種關(guān)系與等離子體的電離度密切相關(guān)。當(dāng)激光作用于樣品表面之后,樣品的表面開始蒸發(fā)和離解,產(chǎn)生初始等離子體。等離子體中的自由電子繼續(xù)從激光中吸收能量,并通過(guò)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(dāng)?shù)入x子體電離度達(dá)到最大后,沖擊波前沿速度降低,等離子體開始冷卻并發(fā)射出包含物質(zhì)成分信息的原子和離子譜線。對(duì)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(fā)射譜線上表現(xiàn)為離子譜線與原子譜線的強(qiáng)度比值較低[14]。反之,對(duì)于較硬的材料,離子譜線與原子譜線的強(qiáng)度比值較高。這一理論已經(jīng)在關(guān)于等離子體沖擊波速度的研究中得到了證實(shí)[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(duì)于不同的元素,由于不同的激發(fā)特性和自吸收效應(yīng),離子譜線與原子譜線的強(qiáng)度比和表面硬度之間具有不同斜率的線性關(guān)系,這證實(shí)了使用譜線強(qiáng)度比的方法表征3D打印零件表面硬度的是可行的?；陔x子譜線與原子譜線的強(qiáng)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(huì)給硬度的測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的不確定性,因此有學(xué)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(lái)的不確定性[12],本文中也對(duì)這種方法進(jìn)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(xué)平衡(local thermodynamic equilibrium,LTE)狀態(tài),則元素中性原子和離子的布居數(shù)服從玻爾茲曼分布[17]；這時(shí),能級(jí)間躍遷發(fā)射譜線的強(qiáng)度可用于計(jì)算等離子體溫度,即Boltzmann平面圖法。等離子體溫度可由式(1)計(jì)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(jí)和下能級(jí);λki是躍遷波長(zhǎng)；Iki是譜線強(qiáng)度；gk是上能級(jí)簡(jiǎn)并度；Aki是k能級(jí)向i能級(jí)躍遷的幾率；Ek是上能級(jí)能量；kB是玻爾茲曼常數(shù)；T是等離子體溫度；N(T)是總粒子數(shù)密度；U(T)是配分函數(shù)。

如果幾條譜線屬于同一電離級(jí)次,如全部為原子或一級(jí)離子譜線,則總粒子數(shù)密度N(T)和配分函數(shù)U(T)相同,可以根據(jù)式(1)計(jì)算等離子體溫度。選取同一元素的同一級(jí)次的數(shù)條譜線,以它們的上能級(jí)能量Ek為橫坐標(biāo),以ln(λkiIki/gkAki)值為縱坐標(biāo),可以得到Boltzmann平面圖,通過(guò)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(lái)計(jì)算等離子體溫度,這些譜線相對(duì)獨(dú)立,不會(huì)與其他元素的譜線發(fā)生干擾,自吸收效應(yīng)可忽略不計(jì)[18]。選用的特征譜線參數(shù)如表5所示。圖4顯示了樣品1的典型玻爾茲曼圖。

根據(jù)Boltzmann平面圖法的計(jì)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(guān)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(xiàn)良好的線性相關(guān)關(guān)系。這種相關(guān)關(guān)系的存在是因?yàn)楫?dāng)樣品較硬時(shí),其抵抗外界破壞的能力較強(qiáng),因此在相同的激光能量和作用時(shí)間下,樣品表面的燒蝕質(zhì)量較小,相同的激光能量作用在較小的燒蝕質(zhì)量上,則等離子體對(duì)脈沖激光能量的吸收增加,這導(dǎo)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(shù)

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(guān)系

3.3 局部熱力學(xué)平衡的驗(yàn)證

使用Boltzmann平面圖法計(jì)算等離子體溫度基于假設(shè)等離子體處于局部熱力學(xué)平衡(LTE)狀態(tài),因此需要對(duì)LTE狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)Mc Whirter標(biāo)準(zhǔn),等離子體滿足LTE狀態(tài)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(guò)計(jì)算LIBS光譜合適發(fā)射譜線的展寬來(lái)估計(jì)的,根據(jù)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(lái)源,其他展寬(如共振和多普勒展寬)的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)[21],因此電子密度和譜線展寬之間的關(guān)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(shù),可從文獻(xiàn)[22]中查得。

選擇Al I 396.152 nm譜線計(jì)算樣品的電子密度,其最大躍遷能量ΔE=3.129 eV,根據(jù)式(2),使用等離子溫度最高的7號(hào)樣品計(jì)算滿足Mc Whirter標(biāo)準(zhǔn)所需的最小電子密度,T=8673.034 K,得到滿足Mc Whirter標(biāo)準(zhǔn)所需的最小電子密度為Ne≥4.625×1015cm-3。根據(jù)式(3),對(duì)譜線進(jìn)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(shù)ω可通過(guò)查找文獻(xiàn)[22]并插值獲得,計(jì)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(jù)計(jì)算結(jié)果可知,所有樣品的等離子電子密度均大于滿足Mc Whirter標(biāo)準(zhǔn)所需的最小電子密度,這基本上驗(yàn)證了LTE假設(shè)。

4 結(jié) 論

本文采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜法對(duì)不同工藝參數(shù)制備的3D打印18Ni300模具鋼的表面硬度進(jìn)行了表征。分析了離子譜線與原子譜線的強(qiáng)度比和樣品表面硬度的關(guān)系,結(jié)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(guān)系,決定系數(shù)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(fā)特性和自吸收效應(yīng)不同導(dǎo)致的。使用玻爾茲曼法計(jì)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(guān)系,決定系數(shù)R2=0.91。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,LIBS可以作為3D打印零件表面硬度的一種近無(wú)損、快速和在線表征的方法；同時(shí)為進(jìn)一步研究LIBS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)3D打印過(guò)程中零件的力學(xué)性能提供了初步的理論依據(jù)。