利用飛行時(shí)間質(zhì)譜儀在線監(jiān)測(cè)增材制造環(huán)境。

競(jìng)爭(zhēng)無(wú)處不在。

小到學(xué)生學(xué)業(yè)，大到人類商業(yè)藍(lán)海沉浮，都充滿著激烈的競(jìng)爭(zhēng)。激激依稀記得學(xué)生時(shí)代，老師說(shuō)“1分就是一操場(chǎng)對(duì)手”內(nèi)心不以為然洋洋得意的姿態(tài)，最后卻發(fā)現(xiàn)老師就是預(yù)言家。大自然也處處充滿著競(jìng)爭(zhēng)。你有見(jiàn)過(guò)食人花嗎？那是一種看似毫無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力的植物，卻用它貌似花朵的毒性葉片，瞬間把引誘過(guò)來(lái)的大蟲小蟲吞噬得一干二凈。

隨著時(shí)代發(fā)展，很多難以想象的速度和激情已展開(kāi)了宏偉的面貌，這來(lái)源于高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)現(xiàn)和研究。本文就介紹了利用一種利用EI-TOF（基于微型電子碰撞離子源飛行之間質(zhì)譜儀）和高速攝像機(jī)的在線監(jiān)測(cè)，觀察到了空氣中的物質(zhì)成分如O2、N2、H2O到底誰(shuí)是贏家。這為將來(lái)L-DED運(yùn)用于各行各業(yè)提供了充足的依據(jù)。

摘要

激光定向能量沉積（L-DED）是一種很有前途的增材制造技術(shù)，在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。L-DED工件質(zhì)量監(jiān)控的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)要求高精度和實(shí)時(shí)性。本研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于微型電子碰撞離子源飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（EI-TOF）和高速攝像機(jī)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)熔池區(qū)域上方的大氣。本研究使用高速攝影機(jī)測(cè)量飛濺的數(shù)量。使用元素分析儀、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和電子能譜儀測(cè)量樣品和飛濺物的成分。使用EI-TOF測(cè)量大氣中的變化，結(jié)果證實(shí)在L-DED過(guò)程中O2、N2和H2O含量降低。

在激光功率為400w時(shí)，氧耗分別為92.5%和86.4%，而在激光功率為500w和600w時(shí)，氧耗分別為92.5%和86.4%。在L-DED過(guò)程中，當(dāng)激光功率從400 W增加到600 W時(shí)，飛濺的數(shù)量減少。在激光功率為600 W時(shí)，飛濺的平均數(shù)量比激光功率為400 W時(shí)減少到59.3%?？梢园l(fā)現(xiàn)灰塵中含有大量原始粉末和少量飛濺。當(dāng)激光功率為400w、500w和600w時(shí)，粉塵中的含氧量分別為0.544%、0.242%和0.159%。煤層橫截面的相對(duì)含氧量分別為35.58%、43.79%和44.30%。當(dāng)使用不同的材料作為基質(zhì)時(shí)，在相同的功率下，監(jiān)測(cè)結(jié)果（H2O、N2、O2）的偏差顯著。

1.介紹

近年來(lái)，增材制造（AM）以其優(yōu)越性和復(fù)雜個(gè)性化零件的高精度在制造技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，制造復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)、多功能梯度材料和復(fù)合材料是AM的一些優(yōu)勢(shì)?；诩す獾亩ㄏ蚰芰砍练e（L-DED）是一種最先進(jìn)的AM技術(shù)。在L-DED中，計(jì)算機(jī)將CAD模型的復(fù)雜零件分層，以獲得零件的二維平面輪廓數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，激光快速熔化金屬粉末，通過(guò)分層點(diǎn)、線和表面獲得復(fù)雜零件。L-DED復(fù)雜工件強(qiáng)大的加工能力，加上其優(yōu)異的物理和機(jī)械性能，使其具有巨大的應(yīng)用潛力。

飛濺通常被認(rèn)為對(duì)L-DED工藝有害。然而，人們對(duì)所產(chǎn)生顆粒的性質(zhì)及其對(duì)零件質(zhì)量的影響知之甚少。Simonelli等人對(duì)L-DED產(chǎn)生的飛濺進(jìn)行了表征，證明飛濺顆粒中存在表面氧化物。他們研究了三種類型的材料：316L、Al-Si10-Mg和Ti-6Al-4 V。他們還發(fā)現(xiàn)表面氧化物可能導(dǎo)致潛在問(wèn)題。Liu等人研究了316L不銹鋼產(chǎn)生的飛濺。Wang等人研究了牙科CoCr合金產(chǎn)生的飛濺。Andani等人研究了al-Si10-Mg多激光制造中的飛濺。Gasper等人研究了Inconel 718的飛濺冶金。然而，很少對(duì)飛濺物的數(shù)量進(jìn)行調(diào)查。

使用提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分割方法提取與熔池相連的飛濺。

為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，需要對(duì)AM過(guò)程有一個(gè)基本的了解，即從材料、過(guò)程和制造到零件的后處理。對(duì)此研究人員已經(jīng)進(jìn)行了一些相關(guān)的研究。如：Balakrishnan等人提出了一種利用脈沖激光沉積從具有不同背景大氣的Cr3C2靶制備結(jié)晶氧化鉻薄膜的方法。Dong等人研究了氣氛和工藝參數(shù)對(duì)選擇性激光熔化純鎢微觀結(jié)構(gòu)的影響。他們的研究表明，與內(nèi)置氬氣的鎢相比，內(nèi)置氮?dú)獾倪x擇性激光熔化處理鎢具有優(yōu)越的機(jī)械性能。Kim等人研究了鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)和磨損性能。Perez Soriano等人利用等離子轉(zhuǎn)移電弧研究了氣體氣氛（空氣和氬氣）對(duì)鎳基合金性能的影響。Elmer等人認(rèn)為，惰性氣體氣氛有助于減少焊絲電弧AM期間的污染物吸收量。

同時(shí)還開(kāi)展了一項(xiàng)相關(guān)工作：Fang等人研究了一種使用基于U網(wǎng)絡(luò)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）捕捉熔池特征的方法。Tan等人首次提出了一種使用CNN和閾值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分割每個(gè)飛濺塊的方法。Yang等人使用基于遺傳算法的最大熵雙閾值圖像處理算法識(shí)別圖像中的飛濺物。然而，在L-DED制造過(guò)程中，熔池區(qū)域大氣成分的監(jiān)測(cè)并沒(méi)有得到太多的關(guān)注。

本文建立了一套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)鉻鎳鐵合金L-DED過(guò)程中熔池上方產(chǎn)生的大氣成分和飛濺進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用自行研制的微型電子沖擊離子源飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(EI-TOF)測(cè)量大氣成分(O2、N2和H2O)，用濾光器采集激光頭部下方的塵埃，并用高速攝像機(jī)在線捕捉。采用元素分析儀(EA)、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)和電子能譜(EDS)對(duì)粉塵成分進(jìn)行測(cè)定。用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)測(cè)定了焊縫橫截面的元素含量。并討論了上述測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)系。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 L-DED制造過(guò)程在線監(jiān)控系統(tǒng)。

大氣在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。利用廣州禾信儀器股份有限公司生產(chǎn)的EI-TOF進(jìn)行了AM期間的大氣監(jiān)測(cè)。儀器使用的電子能量為70 eV，采集頻率為每秒一個(gè)頻譜。此外，還使用了幀率高達(dá)每秒3萬(wàn)幀的高速攝像機(jī)(MEMRECAM ACS-1，日本NAC圖像技術(shù)公司)來(lái)捕捉塵埃。樣品使用L-DED設(shè)備(ABB IRB 2600，廣州雷佳增材制造技術(shù)有限公司)制作，其激光波長(zhǎng)為1080 nm，離焦量為500 mm。原粉由中航金屬粉末冶金技術(shù)有限公司提供。設(shè)備參數(shù)如表1所示，電源組成如表2所示。

表1 設(shè)備和參數(shù)。

表2 鎳鐵合金718粉末的標(biāo)稱化學(xué)成分(wt%)。

圖2是EI-TOF的原理圖。為了保證引入的痕量氣體成分不含顆粒，電子沖擊離子源質(zhì)譜系統(tǒng)采用石英毛細(xì)管獲取樣品。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，樣品被電子轟擊后形成相應(yīng)的離子。通過(guò)雙極加速區(qū)后，得到不同質(zhì)量荷比的離子，其動(dòng)能K相同，定義如下:

其中K為離子加速后的動(dòng)能，m為離子質(zhì)量，V為離子加速后的速度，z為離子質(zhì)量，U為穿過(guò)加速區(qū)的電壓。

圖2 微型EI-TOF檢測(cè)系統(tǒng)。

通過(guò)加速區(qū)后，不同質(zhì)量荷比離子的速度表示為:

加速后，離子進(jìn)入長(zhǎng)度為D的無(wú)飛行區(qū)域，每個(gè)離子通過(guò)無(wú)飛行區(qū)域的時(shí)間定義為:

T是離子的飛行長(zhǎng)度。

顯然，由于質(zhì)量和電荷比的不同，不同的離子通過(guò)無(wú)飛行區(qū)域的時(shí)間也不同。因此，不同質(zhì)量和電荷比的離子最終在不同的時(shí)間到達(dá)檢測(cè)器，并分別被檢測(cè)。

襯底采用尺寸為200mm × 200mm × 9mm的316L商用不銹鋼。在L-DED過(guò)程中，以6mm /s的激光掃描速度，400 W、500 W和600 W的激光功率打印出一系列接縫。圖3為制作的樣品，每個(gè)接縫的長(zhǎng)度為60mm。

圖3 由L-DED制作的樣品照片。

質(zhì)譜分析儀的腔室采用分子渦輪泵提供5 × 10- 4pa的高真空度，泵速為67 L/s，滿足離子檢測(cè)靈敏度。整個(gè)抽真空過(guò)程持續(xù)了大約4個(gè)小時(shí)。為了保證L-DED過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)，在對(duì)基片進(jìn)行激光沉積之前，EI-TOF 0610開(kāi)始利用石英毛細(xì)管對(duì)基片上方的大氣進(jìn)行采集和檢測(cè)?？刂聘咚贁z像機(jī)在每個(gè)接縫處開(kāi)始拍攝圖像，并以傾斜角拍攝圖像。

為了檢測(cè)飛濺物的成分，在L- ded激光頭下方6mm處安裝了過(guò)濾精度為7 μm的直通式粒子過(guò)濾器，并將過(guò)濾器連接到流量為3.2 L/min的真空泵上抽吸。濾芯形狀為圓柱形，外徑為12毫米，內(nèi)徑為9毫米。

3.結(jié)果與討論

3．1.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池上方的大氣

圖4 激光功率為(a) 400 W、(b) 500 W和(c) 600 W時(shí)大氣的變化。

圖4為激光功率為400 W、500 W和600 W時(shí)L-DED過(guò)程中大氣的變化情況，其中掃描速度為6 mm/s。圖4顯示了三種主要的氣體(N2, O2和H2O)的明顯變化。同時(shí)，在L-DED過(guò)程中，N2和O2的變化均呈下降趨勢(shì)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在給定的掃描速度下，氣體的變化程度隨激光功率的變化而顯著變化。激光功率從400 W到600 W，水、氧、N2的耗量依次增大。不同功率下的RN2(定義為氮信號(hào)幅值范圍)分別為125,992、129,357和131,086。激光功率為400 W時(shí)，氮耗分別比激光功率為500 W和600 W時(shí)高97.4%和96.1%。不同功率下的RO2(定義為氧氣信號(hào)幅值范圍)分別為58607、63343和67790。激光功率為400 W時(shí)，耗氧量為92.5%，比激光功率為500 W時(shí)高86.4%。不同功率下的RH2O(定義為水蒸氣信號(hào)幅度范圍)分別為3,258、5,485和6,704。從激光功率400w到500w，熔池附近的水汽消耗也逐漸增加。

大氣中氮含量較高，因此氬氣對(duì)氮含量影響較大。激光功率為400 W時(shí)，耗氧量為86.4%，相比于激光功率為600 W時(shí)。其原因可能是由于鉻鎳鐵合金718粉末中的某些金屬與氧發(fā)生反應(yīng)，氧隨激光功率的增加而變得更加強(qiáng)烈。隨著激光功率的增大，激光功率越大，熔池上方的水蒸氣就越干燥。此外，在L-DED過(guò)程中，作為保護(hù)氣體的氬氣也可能影響熔池上方的大氣。

在175 W激光功率下，各種圖像分割算法的飛濺提取性能。

３．２．實(shí)時(shí)監(jiān)控飛濺

激光掃描速度為6 mm/s，激光功率為400 W，激光功率為500 W，激光功率為600 W，分別拍攝了L-DED過(guò)程中熔池和飛濺的一系列圖像。選取時(shí)間間隔相同、時(shí)間順序相同的典型圖像，如圖5(a)所示。圖5(b)為自行開(kāi)發(fā)的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(D-CNN)[19]的飛濺提取結(jié)果，該網(wǎng)絡(luò)采用多重輕量化架構(gòu)，以減少檢測(cè)時(shí)間。

圖5 (a) 6 mm/s激光掃描速度和3種不同激光功率下采集的飛濺圖像，(b) D-CNN方法提取結(jié)果。

圖6為激光功率為400 W、500 W和600 W時(shí)的飛濺數(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)激光功率從400 W增加到600 W時(shí)，飛濺數(shù)減少。激光功率為400 W、500 W和600 W時(shí)，平均飛濺數(shù)分別為13.5、10.5和5.75塊。在激光功率為600 W時(shí)，飛濺的平均數(shù)量比激光功率為400 W時(shí)減少了59.3%。這種現(xiàn)象可能與激光利用效率有關(guān)。以鉻鎳鐵合金718粉為初粉，在激光功率為400 W時(shí)，利用效率最佳。

圖6 用D-CNN方法提取飛濺。

3．3．粉塵的分析

表3 從ICP-MS和EA得到的飛濺物和原始材料的平均組成(wt%)。

表3為電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)和元素分析儀(EA)對(duì)粉塵成分的分析。與典型的Inconel718材料規(guī)格相比，粉塵成分顯示Cr和Ni含量低于標(biāo)準(zhǔn)范圍。在400 W激光功率下，Cr和Ni的含量高于500 W和600 W激光功率下的含量。這可能是因?yàn)殡S著激光功率的增大，粉塵中飛濺的含量降低?？梢园l(fā)現(xiàn)，與原粉相比，在粉塵中檢測(cè)到氧元素。隨著激光功率的增大，粉塵中氧的含量逐漸降低。在600 W激光功率下，氧的含量是400 W激光功率下的29.2%。這個(gè)結(jié)果是在線監(jiān)測(cè)大氣中氧氣消耗的一部分。

圖7 掃描電鏡圖像(a)原始鉻鎳鐵合金718粉末，以及在(b) 400 W、(c) 500 W和(d) 600 W激光功率下的粉塵。

圖7為激光功率分別為400 W、500 W和600 W的原始lnconel 718粉末和粉塵的掃描電子顯微鏡圖像。圖6(a)所示的原始粉體顆粒的形貌具有較高的球狀度。與原始粉末的SEM圖像相比，在400 W、500 W和600 W激光功率下，粉末呈現(xiàn)出粗糙的球形形貌和不規(guī)則的飛濺顆粒。除飛濺表面會(huì)產(chǎn)生一些氧化化合物外，粉塵的化學(xué)成分與原始粉末基本相同。

圖8 (a)原粉和(b) 400 W、(c) 500 W、(d) 600 W粉末的XRD譜圖。

圖8為400 W、500 W和600 W不同功率下的初粉和粉塵的XRD譜圖。與原始粉體相比，每一種粉體的粉塵中都含有AlNbO4。此外，隨著功率的增加，粉塵中初生粉的數(shù)量增加，AlNbO4含量降低?？梢园l(fā)現(xiàn)，粉塵中含有大量的初粉和一些飛濺，這可能是由于隨著激光功率的增加，產(chǎn)生的飛濺數(shù)量減少。因此，不同功率的粉塵飛濺次數(shù)減少，導(dǎo)致氧含量逐漸減少。濾光片在水平方向上距離激光光斑中心點(diǎn)10 mm，可能會(huì)影響部分飛濺的有效采集。另外，過(guò)濾器的固定高度也可能影響粉塵飛濺的含量。

3．4．相對(duì)密度分析

用電子密度計(jì)(MD-200S, AlfaMirage Ltd.，日本)根據(jù)ASTM B962-17標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同功率下制備的樣品的相對(duì)密度進(jìn)行表征。樣品的絕對(duì)密度取為鉻鎳鐵合金718,8170 kg/m3的密度。如圖9所示，當(dāng)打印激光功率從400 W提高到600 W時(shí)，相對(duì)密度可以從88.1±0.2%提高到95.4±0.2%。當(dāng)激光功率增大時(shí)，達(dá)到熔點(diǎn)的時(shí)間大大縮短，從而保證了熔池的足夠擴(kuò)散。制造缺陷的形成可以得到明顯的抑制。

圖9 實(shí)驗(yàn)中不同樣品的相對(duì)密度。

如上所述，隨著激光功率的增加，飛濺和粉塵減少。通過(guò)增加激光功率，可以在一定程度上避免飛濺附著力造成的缺陷。Delcuse等人也得出了類似的結(jié)論，增加激光功率對(duì)相對(duì)密度有積極的影響。

3．5.接縫內(nèi)氧

采用線電火花加工的方法從基板上切下焊縫。從每個(gè)激光燒結(jié)焊縫上切下9 × 3 × 5 mm3薄片。表4列出了電子能譜(EDS)分析煤層截面的相對(duì)組成。圖10為EDS檢測(cè)焊縫橫截面的氧含量。標(biāo)記了不同激光功率下焊縫截面的相對(duì)氧含量?？梢园l(fā)現(xiàn)，激光功率為500 W時(shí)，相對(duì)氧含量比激光功率為400W時(shí)增加了8.21%。在激光功率為600 W時(shí)，相對(duì)氧含量比激光功率為500W時(shí)有所增加。這些結(jié)果與熔池上方大氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。從400-600瓦的激光功率，部分消耗的氧氣在接縫和灰塵中。在接縫處有更多的氧氣。

表4 焊縫橫截面的相對(duì)成分(wt%)。

圖10 對(duì)激光功率為(a) 400 W、(b) 500 W和(c) 600 W時(shí)焊縫截面的EDS分析。

3.6不同基質(zhì)的大氣演化

文中還詳細(xì)討論了不同基質(zhì)對(duì)大氣演化的影響。圖11分別為Inconel 718和316L襯底L-DED過(guò)程中大氣的變化情況。

圖11 激光功率為(a) 800 W、(b) 800 W、(c) 1000 W、(d) 1000 W、(e) 1200 W和(f) 1200 W時(shí)不同襯底的大氣演化。

可以發(fā)現(xiàn)，在給定的掃描速度下，無(wú)論基片是316L還是Inconel 718，隨著激光功率的增加，氮、氧和水蒸氣的消耗都在不斷增加。而在相同功率下，316L作為底物時(shí)，氧和氮的消耗變化更大。不同底物的監(jiān)測(cè)結(jié)果(H2O、N2、O2)偏差較大。具體偏差見(jiàn)表5。

表5 不同基材的大氣監(jiān)測(cè)結(jié)果

與316L基材相比，Inconel 718基材在高溫空氣和蒸汽中具有更好的抗氧化性，316L基材在大氣中與氧和氮反應(yīng)更劇烈。而316L底物與水的反應(yīng)是不活躍的。

4.結(jié)論

本研究建立了一套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)鉻鎳鐵合金L-DED過(guò)程中熔池上方產(chǎn)生的大氣成分和飛濺進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用自行研制的EI-TOF測(cè)量大氣成分(O2、N2和H2O)，用濾鏡采集激光頭下的粉塵，用高速攝像機(jī)在線采集。通過(guò)EA、ICP-MS和EDS測(cè)定粉塵的成分，通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)和EDS測(cè)定接縫截面中的元素含量。文中還詳細(xì)討論了不同基質(zhì)對(duì)大氣演化的影響。

結(jié)果如下:

（1）在L-DED過(guò)程中，O2、N2和H2O的含量降低。激光功率為400W時(shí)，耗氧量分別為500 W和600 W時(shí)的92.5%和86.4%。

（2）當(dāng)激光功率從400 W增加到600 W時(shí)，飛濺數(shù)減少。

（3）灰塵中含有大量的初粉和少量的飛濺物。

（4）從400瓦到600瓦的激光功率，部分消耗的氧氣在接縫和灰塵中。焊縫橫截面相對(duì)氧含量分別為35.58%、43.79%和44.30%。

（5）不同材料作為底物時(shí)，在相同功率下監(jiān)測(cè)結(jié)果(H2O、N2、O2)偏差顯著。隨著激光功率的增加，氮、氧和水蒸氣的消耗都在不斷增加。

來(lái)源：online monitoring of an additive manufacturing environment using atime-of-flight mass spectrometer，Measurement，doi.org/10.1016/j.measurement.2021.110473

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