文摘

钛金属注塑允许创建复杂的金属零件,是轻量级和生物相容性与降低成本相比,加工钛。激光诱导击穿光谱(LIBS)可以用来创建表面等离子体样本来分析它的基本成分。重复的消融在同一站点已被证明创建从原样品的差异。本研究探讨潜在的LIBS射出成型钛的选择性表面烧结金属。温度在整个创建库过程表面射出成型钛足够高钛粒子融合在一起。使用Ti II的比值282.81 nm和C I 247.86纳米线,重复的等离子体形成的有效性产生烧结过程中可以监测。能量色散x射线谱上的烧蚀坑确认烧结通过减少碳从20.29 Wt. % 2.13 Wt. %。扫描电子显微镜图像确认烧结。传统库系统,与一个固定的距离,研究激光参数对射出成型和injection-sintered钛。证明在生产线上使用此技术的可行性,第二个库系统,自动对焦和硬件翻译阶段,成功烧结样本空间的表面。

1。介绍

金属注射成型(MIM)是一种制造方法,采用注塑工艺和烧结金属零件具有复杂几何(与不同表面高度部分)。这个过程结合了金属粉末和载波系统或粘合剂,包含热塑性聚合物和蜡原料,可以注入模具,形成一个绿色的部分(1]。然后逐渐从粘结剂溶剂脱脂方法的绿色部分,热脱脂方法,或两者的结合。部分就称为一个棕色的部分和在炉高温烧结,粒子结合或融合在一起形成一个完全整合的金属部分。使用钛金属(Ti) MIM允许创建零件,都是轻和生物相容性2]。复杂形状的形成提供了一个降低成本与钛零件由传统的制造过程,如铸造或机加工,甚至可以形成部分不可能产生任何其他方式。然而,粉末冶金(PM)是生产零部件力学性能不如那些由于压力饲主与从锻造金属表面产生违规行为导致不完整的粒子聚结。不完整的钛点合并部分已知的发生是由于劣质粉开始,低烧结时间,或温度以及炉内气氛污染,所有这些影响最外层的表面。这些表面缺陷可以减轻通过优化烧结周期,二级流程如珠爆破和抛光或治疗如电解抛光和涂层。

钛MIM有许多问题,污染通过任何残留粘结剂成分的碳和氧是最普遍和最难以缓解。在烧结钛晶格结构的变换是受到这些杂质,和氧化物的形成/碳化物也影响着聚结。而间隙氧的饱和水平(我们≤5%)高,碳化合物粉末表面容易形成超过370°C。碳钛粒子的存在干扰传热、氧化物的存在意味着检测和量化的基本水平是很困难的。

烧结金属也可以用大功率连续波(CW)激光如用于直接金属激光烧结和选择性激光烧结。这个过程需要一个高功率密度在很短的时间内(3]。激光诱导击穿光谱(LIBS)使用高功率脉冲激光烧蚀样品表面、创建一个包含表面等离子体元素。这里的研究调查中是否可以用于射出成型钛的选择性表面烧结同时测量的烧结。

1.1。激光诱导击穿光谱

幽默是一种光学发射光谱学利用高能,脉冲激光器。短脉冲聚焦到样品表面,它创建了一个局部地区的高功率密度。创建一个等离子体熔化的材料(4]。等离子体的形成是一个复杂的过程,目前仍在调查。目前的烧蚀模型描述样品材料的热性能的变化是适合这个研究[5]。纳秒激光消融的模型状态,当激光照射目标时,有足够的能量高,表面加热,融化,蒸发,电离形成等离子体。如果有额外的能量在激光脉冲等离子体吸收,增加等离子体温度。进一步加热表面的目标可能发生如果足够热等离子体(6,7]。对于一个更详细的讨论等离子消融,请参考[8)和引用。

大量shot-to-shot变异是LIBS定量分析的问题。等离子体上创建相同的样本可能有不同的温度影响发射谱线强度(9]。实验条件的微小变化和表面成分会导致这些温度变化。改善结果,平均产生重复测量相同的样本。的平均光谱可以提供定量信息的组成样本。

使用多个LIBS脉冲被用于不同的目的。一个用各种材料去除表面层次。填词激光集中在同一表面的位置,和使用多个脉冲光谱反馈来决定当表层已成功删除。Costela et al。10)清理涂鸦了城市建筑的表面损伤小。李等人。11删除从碳化钨钴硬质合金。Diego-Vallejo et al。12)使用线性相关和人工神经网络来确定当顶部层太阳能电池被移除。北京et al。13从热障涂层)清洗污染物,罗伯茨et al。14]删除rock-covering化石。Maravelaki et al。15清理大理石所覆盖。Acquaviva et al。16)清洗污染物的圣格雷戈里亚美尼亚的半身像。弗洛雷斯et al。17]删除从刺刺梨梨没有可见的损坏,和本特松等。18高压绝缘子)清洗盐。

另一个使用多个LIBS脉冲深度剖析。马特利et al。19,20.)确定不同的组织在小麦通过观察Mg II 279.55毫克我285.22 nm强度比率在同一位置重复的镜头拍摄。Abdelhamid et al。21研究激光辐照度的影响和工作距离的样本观察铜的强度我465.1 nm和非盟431.5 nm改变重复的镜头。Theodorakopoulos和Zafiropulos22]看着深度的清漆使用C2天鹅乐队。德·博尼斯et al。23)观察到的变化比率由铜我282.35 nm和Sn 283.94 nm的越来越多的镜头腐蚀铜锡合金。使用的大多数研究上面提到的100多个脉冲,因为少量的表面材料去除。在底层表面热传播的影响并没有解决,因为他们为了工作无关。热分布是由激光脉冲参数(8和材料的光耦合效率。消融网站相比原来的表面可以有差异。这些差异包括熔化和再浓缩的事不再展品原样品组成。表面反射率和表面击穿阈值改变(7]。这是由于高功率密度脉冲、热、压力,压力在等离子体的形成(24]。在烧蚀坑,还有再浓缩材料从等离子体4]。这项研究提出了利用热,压力,压力由多个等离子体形态改变表面性质所需的状态。

中曾被用作过程监控技术。Boue-Bigne [25]调查种族隔离和脱碳抛光高碳钢上使用填词。基本地图的表面是用单独的发射谱线。地图创建使用中性线与中性规范化锰铁行消除基线梯度。Cabalin和Laserna26)利用脉冲激光沉积涂层硅锰镍铜合金。他们生产multielemental地图监控涂料组成。Pedarnig et al。27)利用LIBS原位监测薄膜沉积等离子体发射。发射谱线的利益被中性规范化和电离钇线和中性锌线。格鲁伯et al。28)设计了一个库系统的原位分析固体和熔融金属。铬、铜、锰和镍进行了使用铁行作为内部标准。格鲁伯et al。29日)也表现库分析对熔融金属铬,镍,锰但在真空中。Lopez-Moreno et al。30.)创建了一个僵局中系统分析熔融金属作为过程控制。定量分析的铬,镍,锰在钢样品在1000°C。目前工作调查中作为实时监控方法的烧结发生的LIBS过程。

1.2。内部标准

在理论上,比两个发射谱线可以弥补波动的振幅谱实验条件引起的。这称为一个内部参考,所有感兴趣的发射谱线规范化使用一个单一的发射谱线。作为参考使用的发射谱线通常与一个常数浓度从一个元素或者一个元素的占绝大多数的等离子体6]。样品也可以上升与外国元素的浓度不变,可以作为参考。一个重要的考虑是选择线路,也有类似的上层电子能量(Ek)。这将减少温度的影响,导致排放强度大的偏差。温度的特点,每一行需要考虑如果差异最小化。发射谱线的大小要与减少产生的统计不确定性结合每个信号的比例的不确定性。这个问题的一个例子是将强与弱。比例的不确定性,用于计算结果的方差,将大弱线产生很高的不确定性。

这项研究调查了使用多个库脉冲,后处理,提高Ti MIM样品的外表面与复杂的几何形状。这是通过消除残余碳(化合物)和下表面从而使聚结。这一过程将由光谱碳和钛的反馈控制。造成的假设是,热库的过程,从多个脉冲,是足够高,表面烧结是相对较大的数量相比,熔化的材料。这将使激光烧结和表面性质同时测量。

2。实验装置

商业Spectrolaser 4000单元(激光技术,分析澳大利亚)包含一个Nd: YAG激光操作在1064 nm 7 ns的脉冲宽度和脉冲能量50,100年和200年乔丹都集中在一个固定的距离垂直于样品表面生成等离子体。光斑直径约为650μ米,这导致一个辐照度约为8.6 GW厘米−2在200焦每脉冲。185.25 - -948.80 nm的波长范围是被四个光谱仪Spectrolaser内的单位。光谱仪是1.27后将整合为1毫秒μ延迟发作的激光脉冲。这个系统可以达到高的激光脉冲能量的但不允许改变lens-to-sample距离。设置用于研究激光脉冲能量的作用对热debound射出成型钛样品。

第二个商业系统(LIBS-6、应用光子学、英国),它包含一个Nd: YAG激光(大天空超,Quantel,法国)相同的波长,脉宽、延迟,和集成时间Spectrolaser被设置为100焦每脉冲。内置的光束扩展器是产生光斑尺寸关注450年的样本μ米,约80毫米的光束扩展器产生的辐照度9.0 GW厘米−2。每个光谱收购有六个光谱仪(旅行车、荷兰)覆盖范围182.26 - -908.07海里。使用硬件翻译阶段样品进入的焦点位置LIBS梁。这个系统产生更少的激光脉冲能量比前一个但可以改变lens-to-sample距离。设置被用来展示不同高度的选择性烧结过程使用一个简单的自动对焦系统。

Spectrolaser系统使用一个固定的距离样本平均获得100光谱从不同的位置在一个热debound样本和single-sintered样本(见部分2。2样品描述)。不同的地点被用来避免前一个脉冲的影响在同一站点。光谱被抽样10个不同的地点,然后获得热debound样本,50岁的20倍,100和200焦每脉冲。第二个库系统使用自动对焦功能来评估其使用在去除表面碳与不同样品表面高度。

商业场发射扫描电子显微镜(SEM)(美国日立高新技术日立s - 4700)的加速电压20 kV、11000 nA的发射电流,和11200年的工作距离μ米被用来研究烧蚀坑的形态。一个能量色散x射线能谱(EDS)对扫描电镜(热费希尔科学Noran系统6日,美国)是用来比较的构成从填词光谱获得的陨石坑。

2.1。自动对焦

635海里,4.5 mW,连续波激光消融网站直接结合使用一个微型CCD摄像头,连接到LIBS-6模块,创建一个基于三角法的自动对焦系统。激光是对齐,这样激光光束的轴相交的消融。AForge。净框架(常见的计算机视觉算法的一个图书馆31日])是用于过滤相机的图片只显示了梁的位置。由此产生的图像的质心(数字1 (b),1 (d),1 (f))计算,模型创建与激光点的质心位置与距离消融。图1 (b)对应样本过于接近LIBS-6机、数字1 (d)太远从LIBS-6系统,图1 (f)在远处填词光束的焦点在哪里直接表面的样本。这个设置是在反馈控制系统中使用移动垂直翻译阶段,将样品保持在正确的高度。

2.2。样品

样品是使用粘结剂系统由聚乙二醇8000、聚乙二醇20000、天然蜂蜡,线性低密度聚乙烯,聚丙烯(32]。产生的金属粉末是商业纯钛hydride-dehydride路线与粒度小于325μ米(专业冶金制品有限公司公司,美国)。粘结剂体系结合钛粉生产原料与金属粉末粘结剂体积分数30%至70%。原料混合使用双螺杆挤出机共转(美国实验室数字ThermoLab)操作D= 16毫米的螺丝,l/D= 24ω= 0 - 250 r / minT= 30 - 300°C。注射成型是通过使用一个全液压注射机(35米,男孩博士,德国)创建一个部分和复杂的几何形状,也就是说,与多个步骤的高度。部分的尺寸如图所示2

脱脂是用溶剂和热过程完成的。溶剂脱脂工具包(SDK)聚集在德克萨斯泛美大学是用于测试样品32]。造成了热脱脂对流干燥箱(美国粘合剂FED53) (V= 53 L,T= 30 - 300°C)气密箱和可编程的PID温度控制。部分被溶剂debound之后,使用指定的样本确定“TD”热debound(灰色部分)。

棕色的部分在炉烧结(ACME,中国)初始加热等温时间在470°C (β= 5°C /分钟,t= 60分钟)之后,进一步加热到800°C,所有在氩尾气( = 10.0升/分钟)。其次是进一步的热量增加,最终在真空烧结温度下等温时间(5°C /分钟,t= 180分钟,T= 1350°C, mbar)。烧结部分被指定的。“TD和年代样本掺沙子,去除表面涂层和指纹残留。切割和抛光年代由x射线衍射(XRD)分析的样本(PANalytical苍天,荷兰),与权力设置45 kV 40 mA通过铜电极扫描从20到100°2θ,使用步长为0.026°2θ,扫描步骤时间17.340秒的连续扫描模式。峰鉴别是利用HighScore软件(PANalytical、荷兰)。

3所示。结果和讨论

3.1。TD和S样本

确定在MIM粘结剂水平处理的传统方法是通过权衡每个样本和比较质量的理论价值。对于大多数溶剂,这种方法是准确和250°C下进行热脱脂过程。然而,传统的热脱脂温度高于420°C,此时的热塑性粘结剂减少组成元素(碳、氧、氮、氢)。在这些温度下,钛优先吸收这些元素没有指示组件的质量。没有破坏性试验,很难确定粘结剂残留水平足够低,并取得了理想的机械性能。更高的元素水平附近的外部表面可以看到(图3(一个)内部)相比(图3 (b))。的区别是因为元素扩散的速度比表面沉积的速率慢一次颗粒之间的孔隙关闭在烧结和密度大于达到94%左右。

即使在碳和氧水平符合指定的标准,他们可能仍然阻碍粒子的聚结在烧结和引起表面孔隙度。表面孔隙度如图3减少了机械性能的最后一部分。x射线衍射分析证实碳和氧的存在,碳化物的形成,外表面附近(33]。能够减少元素水平表面应使孔隙度和随后的减少增加整体密度导致力学性能的改善。使用库的选择性烧结部分表面,后处理可能有能力这样做。

3.2。不同碳含量之间的TD和S样本

100次的平均光谱每个TD和S样品如图4。这些光谱分析发现谱线实现章节中讨论的标准1.2。每一个镜头是针对不同位置的样本。观察到的发射谱线的光谱年代样品较弱,和背景连续下降。Ti二线是主导,Ti我强,普遍在400和600海里,显著降低。这些差异在图所示4。紫外线范围,精心确定Ti的行数,突出显示在图5

线被认定为适合内部标准化C I 247.86 nm (Ek= 7.685 eV)和Ti II 282.81 nm (Ek= 8.132 eV)。这些线的比率,在100年代样品的照片2.45。C我和Ti二线强度取决于过渡概率,电子温度和等离子体的电子密度,由多元等离子体高度复杂的过程。时间物种不同的概要文件。等离子体的生命周期是比光谱仪的最低积分时间短,无法分析颞行为。然而,C I / Ti的强度比二线可以对其他测量校准,像EDS,应该足够有用的决定什么时候碳被移除。阈值为2.45时用来表示TD样品烧结。在这个阈值,钛和碳的数量在TD样品表面会像S样品。

EDS结果表明,TD样本之间存在不同的碳和18.5 Wt. % S样本。表1显示的结果。钒含量很低时,钒的浓度不正确的决定,因为环境之间的重叠β(4.93 keV)和VKα(4.95 keV)山峰EDS光谱(34]。实际的钒含量确定小于0.01% V从供应商(专业冶金制品有限公司公司,美国)。的内容是残留硅砂光。峰值谱线的强度比成正比的Ti二世与C相比我出现在等离子体。钛的含量在等离子体分离Ti我和Ti II。因此,实际的集中度,可以计算从EDS的结果,不能轻易决定所有的光谱完全不知情的情况下等离子体参数,如电子温度和电子密度。

3.3。能源对多个镜头的影响

辐射烧蚀网站多次与LIBS脉冲和比较了产生的光谱信息的烧结。TD的样本是由20个连续脉冲辐照在10个不同的地方。这个过程被重复在不同的激光脉冲能量。由此产生的光谱进行调查以确定激光脉冲能量的影响。图6显示了消融的网站在不同的激光能量。数据6(一),6 (c),6 (e)光学显微镜图像和数据吗6 (b),6 (d),6 (f)扫描电镜图像。烧结增加面积随着激光脉冲能量的增加,增加点可以看到的数据6(一),6 (c),6 (e)。SEM图像所示的烧蚀坑的中心人物6(一),6 (c),6 (e)显示在数据6 (b),6 (d),6 (f)。这些图片确认烧结。烧结钛颗粒的边缘图6 (b)。钛颗粒之间的对比,没有烧结是显示在图7

除了上面提到的线比,其他谱线被认为是适宜性监控烧结。16 Ti我线进行了计算Ti我线强度的比值C I 247.86 nm强度。这些比率是规范化了,然后他们可能比上述参考阈值。连续采样使用不同能量是显示在图8Ti的我398.18 nm / C 247.86 nm强度比率。图的误差8对应的标准差10光谱被用来找到图上的每个点的平均比率。所有其他的发射谱线比率表现出类似的趋势图8。第一枪的小初始值可能是由于表面污染。大的波动和误差是由ΔE大不同k(E上的差异k)之间的Ti我线和C 247.86 nm范围从3.26 eV 5.29 eV。在这些高能差异,比率不能减轻shot-to-shot引起的等离子体温度的差异变化。

使用相同的正常化和扩展过程如上所述,47 Ti II C I 247.86 nm强度比率进行分析。Ti二线的波长在252.56和457.20 nm,ΔE之间k4.02−0.39电动汽车和电动汽车之间。这些线路的选择如表所示2,他们变化的数量200 mJ激光枪在图9。10投后,所有线比率都高于烧结阈值。

使用Ti二世而不是Ti,实质性行改善了烧结的预测。Ti二线产生最好的结果是264.59,280.48,281.02,281.78,和282.81海里。他们的上能级影响C我线,ΔEk−−0.397和0.881之间,是电动汽车。所有行趋势如图10282.81纳米线。然而,C I 247.86 nm (Ek= 7.685 eV)和Ti II 282.81 nm (Ek= 8.132 eV)被确认为最强大的组合内部标准化。

10显示50个乔丹连续镜头带来没有增加钛碳强度比,而是给出一个缓慢、稳步下降。100 mJ,峰值强度的比率增加,直到第十射率开始降低。目前还不清楚是什么原因导致这种行为。200 mJ,强度比率增加,直到超过阈值的样本来自部分3.2。后10次,超过阈值,和TD表面成分与S表面。比例继续增加200倍木星质量的原因是,200年乔丹脉冲产生的高功率密度提高了温度的样品通过加热的LIBS电子束在等离子体的形成。表面的热启动烧结过程,消除残留粘结剂和钛粒子融合在一起。随着激光脉冲的数量增加,增加粒子融合。数字粒子融合和柱头6,7,11证据表明,表面烧结。

EDS结果(表3)从200年创建的烧蚀坑mJ处理(图6 (e)20次后)表明,碳含量从20.29 Wt. %减少到2.13 Wt. %与S样本。检查EDS呈现在图6 (f)。这证实了减少碳钛的碳强度比获得的LIBS光谱。这些结果表明,有足够的热量穿透与非常小的示例创建烧结去除材料由于表面等离子体的形成。

3.4。减少碳信号LIBS光谱

的焦点位置填词梁定位表面的TD样本。激光的光斑大小,决定从烧蚀坑,大约是650年μ米直径。当连续枪击,烧结膨胀,直到充满整个入射激光的光斑大小。高碳含量与被采样的未烧结的部分表面被采样,减少区域融合在一起。当整个面积激光点烧结,Ti / C比类似于烧结钛。

它可以看到从图的扫描电镜图像6,烧结烧蚀坑从50,100年和200年乔丹即使填词的激光脉冲强度比不达到阈值的样本。在50 mJ 20次后,有一个烧结点中间的烧蚀坑约为250μ米直径。由于较低的激光能量,没有足够的热量生成表面的样品生产粒子融合在整个激光的光斑大小。随后镜头仍然是抽样的碳未烧结的烧蚀坑的一部分,和Ti / C比值不达到阈值。100年乔丹陨石坑显示了类似的结果稍微大的烧结点。

3.5。实现

LIBS-6系统,加上自动对焦单元和硬件翻译阶段,是用于生产烧结样品的表面台阶上的高度2,4,6毫米(见图12)。Spectrolaser系统生产烧结在200焦每脉冲,辐照度的8.6 GW厘米−2。使用库6系统,具有更小的光斑大小,增加了对样品造成更高的温度和辐照度增加局部加热表面的样本。脉冲能量100 mJ, 9.0 GW厘米的辐照度−2是生产与Spectrolaser系统。因此,LIBS-6系统将提供相同的热量,Spectrolaser系统产生,完全烧结后现货区10次。

烧结一行的结果在TD示例使用LIBS-6系统和2.45的比率阈值来控制过程中显示数据1112。450年的LIBS-6系统有一个光斑直径μm和20赫兹的重复率与样品阶段移动的速度约0.4毫米/秒−1。可以看出,钛粒子融合在一起形成一个固体。发生了烧结后,消融站点,LIBS光束被调到一个新的表面它们重叠前面的位置。在新的表面烧结然后重复。液体钛上形成新的现货流淌在以前烧结点,融合在一起。这些区域在图11。重复此过程,直到整个样品烧结线生产。图12显示脉冲激光烧结一行的有效性在injected-molded钛在步骤6、4、2毫米使用自动对焦。热传播的影响通过钛发蓝处理部分可以看到。

4所示。结论

中已被证明有助于sintering-selected射出成型钛的表面。LIBS梁,等离子体,和样品表面的余热为射出成型钛引起的加热烧结。通过观察C I 247.856 nm和Ti II 282.806纳米线,然后对比强度比常规烧结的样品,可以确定烧结发生的数量。重复的照片继续加热表面和提供光谱反馈监控烧结过程是否完成。使用幽默的效果来确定当样品被烧结验证用EDS和SEM图像。EDS结果显示18.5 Wt. %减少碳含量。发现10投8.6和9.0 GW厘米之间的辐照度−2足以烧结现场产生的LIBS梁。

使用三角测量方法,产生了一种自动对焦机制和校准LIBS-6系统。这个系统是用于一个射出成型的灰色部分不同步骤的高度来证明在生产过程中使用幽默的可行性与复杂几何金属零件。烧结线在不同的生产步骤山庄射出成型的样品。重复的等离子体形成的热色前面烧结钛。

附加分

突出了。烧结的数量在一个激光点评估使用填词。光谱测量确定碳含量相对钛。LIBS和能量色散x射线光谱结果显示烧结表面碳含量的减少。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢并提供持续的尊重和钦佩已故仪轨Talele博士的同事,他没有能够看到这项工作完成。这项工作是由新西兰的商业、创新和就业C11X1209合同下。