基于激光诱导击穿光谱的增材制造成分梯度不锈钢样品的成分分布研究及应用

刘宗鑫， 沈学静*， 李冬玲， 赵 雷

1. 钢铁研究总院， 北京 100081 2. 金属材料表征北京市重点实验室， 北京 100081 3. 钢研纳克检测技术股份有限公司， 北京 100081

引 言

金属增材制造技术凭借其材料利用率高， 无需模具成型， 加工精度高， 速度快等特点， 在生产复杂工件以及小批量制造时优势显著[1-2]。 近年来以异种金属粉末为原料制备的成分梯度样品受到广泛关注， 但该技术工艺目前尚不成熟， 产品内部常常出现较多的缺陷导致其力学性能方面与传统工件存在差距[3]， 需要配套的检测方法指导工艺的改进。 目前通常使用能谱仪(EDS)、 电子探针(EPMA)对该类样品进行点或微区的成分定量分析， 但对于大尺寸的样品而言， 由于检测的视场有限， 无法实现全尺寸样品的成分分布表征， 因此其表征数据对于制造工艺的改进和产品的质量控制有一定的局限性。

目前应用较多的宏观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电所产生， 由于其单火花放电的随机性和扩散性， 导致其空间定位性有所不足， 其激发斑点较大同时激发易受样品表面缺陷影响， 而增材制造中每层熔覆道厚度约为0.5～1.0 mm， 故Spark-OPA不适用于增材制造梯度材料的精细表征。 相比之下LIBS-OPA技术以聚焦的激光为激发源， 激发的束斑可低至100 μm， 对样品损伤小， 空间分辨率高， 成分分布定位更加精确。 本研究以增材制造成分梯度不锈钢样品为研究对象， 优化激发条件以及仪器参数后， 建立工作曲线， 对样品沉积……