利用飛行時間質譜儀在線監(jiān)測增材制造環(huán)境。

競爭無處不在。

小到學生學業(yè)，大到人類商業(yè)藍海沉浮，都充滿著激烈的競爭。激激依稀記得學生時代，老師說“1分就是一操場對手”內心不以為然洋洋得意的姿態(tài)，最后卻發(fā)現老師就是預言家。大自然也處處充滿著競爭。你有見過食人花嗎？那是一種看似毫無競爭力的植物，卻用它貌似花朵的毒性葉片，瞬間把引誘過來的大蟲小蟲吞噬得一干二凈。

隨著時代發(fā)展，很多難以想象的速度和激情已展開了宏偉的面貌，這來源于高科技產業(yè)的發(fā)現和研究。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譜儀）和高速攝像機的在線監(jiān)測，觀察到了空氣中的物質成分如O2、N2、H2O到底誰是贏家。這為將來L-DED運用于各行各業(yè)提供了充足的依據。

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，在許多領域具有廣闊的應用前景和實用價值。L-DED工件質量監(jiān)控的無損檢測技術要求高精度和實時性。本研究開發(fā)了一個基于微型電子碰撞離子源飛行時間質譜儀（EI-TOF）和高速攝像機的在線監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測熔池區(qū)域上方的大氣。本研究使用高速攝影機測量飛濺的數量。使用元素分析儀、電感耦合等離子體質譜儀和電子能譜儀測量樣品和飛濺物的成分。使用EI-TOF測量大氣中的變化，結果證實在L-DED過程中O2、N2和H2O含量降低。

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

1.介紹

近年來，增材制造（AM）以其優(yōu)越性和復雜個性化零件的高精度在制造技術中發(fā)揮了重要作用。與傳統(tǒng)制造技術相比，制造復雜幾何結構、多功能梯度材料和復合材料是AM的一些優(yōu)勢?；诩す獾亩ㄏ蚰芰砍练e（L-DED）是一種最先進的AM技術。在L-DED中，計算機將CAD模型的復雜零件分層，以獲得零件的二維平面輪廓數據。根據這些數據，激光快速熔化金屬粉末，通過分層點、線和表面獲得復雜零件。L-DED復雜工件強大的加工能力，加上其優(yōu)異的物理和機械性能，使其具有巨大的應用潛力。

飛濺通常被認為對L-DED工藝有害。然而，人們對所產生顆粒的性質及其對零件質量的影響知之甚少。Simonelli等人對L-DED產生的飛濺進行了表征，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)現表面氧化物可能導致潛在問題。Liu等人研究了316L不銹鋼產生的飛濺。Wang等人研究了牙科CoCr合金產生的飛濺。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，很少對飛濺物的數量進行調查。

使用提出的基于神經網絡的圖像分割方法提取與熔池相連的飛濺。

為了提高產品質量，需要對AM過程有一個基本的了解，即從材料、過程和制造到零件的后處理。對此研究人員已經進行了一些相關的研究。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靶制備結晶氧化鉻薄膜的方法。Dong等人研究了氣氛和工藝參數對選擇性激光熔化純鎢微觀結構的影響。他們的研究表明，與內置氬氣的鎢相比，內置氮氣的選擇性激光熔化處理鎢具有優(yōu)越的機械性能。Kim等人研究了鈦合金的微觀結構和磨損性能。Perez Soriano等人利用等離子轉移電弧研究了氣體氣氛（空氣和氬氣）對鎳基合金性能的影響。Elmer等人認為，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。

同時還開展了一項相關工作：Fang等人研究了一種使用基于U網絡的卷積神經網絡（CNN）捕捉熔池特征的方法。Tan等人首次提出了一種使用CNN和閾值神經網絡分割每個飛濺塊的方法。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別圖像中的飛濺物。然而，在L-DED制造過程中，熔池區(qū)域大氣成分的監(jiān)測并沒有得到太多的關注。

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

2.實驗裝置

圖1 L-DED制造過程在線監(jiān)控系統(tǒng)。

大氣在線監(jiān)測實驗平臺如圖1所示。利用廣州禾信儀器股份有限公司生產的EI-TOF進行了AM期間的大氣監(jiān)測。儀器使用的電子能量為70 eV，采集頻率為每秒一個頻譜。此外，還使用了幀率高達每秒3萬幀的高速攝像機(MEMRECAM ACS-1，日本NAC圖像技術公司)來捕捉塵埃。樣品使用L-DED設備(ABB IRB 2600，廣州雷佳增材制造技術有限公司)制作，其激光波長為1080 nm，離焦量為500 mm。原粉由中航金屬粉末冶金技術有限公司提供。設備參數如表1所示，電源組成如表2所示。

表1 設備和參數。

表2 鎳鐵合金718粉末的標稱化學成分(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，電子沖擊離子源質譜系統(tǒng)采用石英毛細管獲取樣品。根據動量守恒定律，樣品被電子轟擊后形成相應的離子。通過雙極加速區(qū)后，得到不同質量荷比的離子，其動能K相同，定義如下:

其中K為離子加速后的動能，m為離子質量，V為離子加速后的速度，z為離子質量，U為穿過加速區(qū)的電壓。

圖2 微型EI-TOF檢測系統(tǒng)。

通過加速區(qū)后，不同質量荷比離子的速度表示為:

加速后，離子進入長度為D的無飛行區(qū)域，每個離子通過無飛行區(qū)域的時間定義為:

T是離子的飛行長度。

顯然，由于質量和電荷比的不同，不同的離子通過無飛行區(qū)域的時間也不同。因此，不同質量和電荷比的離子最終在不同的時間到達檢測器，并分別被檢測。

襯底采用尺寸為200mm × 200mm × 9mm的316L商用不銹鋼。在L-DED過程中，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，每個接縫的長度為60mm。

圖3 由L-DED制作的樣品照片。

質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，滿足離子檢測靈敏度。整個抽真空過程持續(xù)了大約4個小時。為了保證L-DED過程的在線監(jiān)測，在對基片進行激光沉積之前，EI-TOF 0610開始利用石英毛細管對基片上方的大氣進行采集和檢測?？刂聘咚贁z像機在每個接縫處開始拍攝圖像，并以傾斜角拍攝圖像。

為了檢測飛濺物的成分，在L- ded激光頭下方6mm處安裝了過濾精度為7 μm的直通式粒子過濾器，并將過濾器連接到流量為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，內徑為9毫米。

3.結果與討論

3．1.實時監(jiān)測熔池上方的大氣

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

圖4為激光功率為400 W、500 W和600 W時L-DED過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，在L-DED過程中，N2和O2的變化均呈下降趨勢?？梢园l(fā)現，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(定義為氮信號幅值范圍)分別為125,992、129,357和131,086。激光功率為400 W時，氮耗分別比激光功率為500 W和600 W時高97.4%和96.1%。不同功率下的RO2(定義為氧氣信號幅值范圍)分別為58607、63343和67790。激光功率為400 W時，耗氧量為92.5%，比激光功率為500 W時高86.4%。不同功率下的RH2O(定義為水蒸氣信號幅度范圍)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，因此氬氣對氮含量影響較大。激光功率為400 W時，耗氧量為86.4%，相比于激光功率為600 W時。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，氧隨激光功率的增加而變得更加強烈。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過程中，作為保護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．實時監(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過程中熔池和飛濺的一系列圖像。選取時間間隔相同、時間順序相同的典型圖像，如圖5(a)所示。圖5(b)為自行開發(fā)的深度卷積神經網絡(D-CNN)[19]的飛濺提取結果，該網絡采用多重輕量化架構，以減少檢測時間。

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方法提取結果。

圖6為激光功率為400 W、500 W和600 W時的飛濺數。結果表明，當激光功率從400 W增加到600 W時，飛濺數減少。激光功率為400 W、500 W和600 W時，平均飛濺數分別為13.5、10.5和5.75塊。在激光功率為600 W時，飛濺的平均數量比激光功率為400 W時減少了59.3%。這種現象可能與激光利用效率有關。以鉻鎳鐵合金718粉為初粉，在激光功率為400 W時，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譜(ICP-MS)和元素分析儀(EA)對粉塵成分的分析。與典型的Inconel718材料規(guī)格相比，粉塵成分顯示Cr和Ni含量低于標準范圍。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。這可能是因為隨著激光功率的增大，粉塵中飛濺的含量降低?？梢园l(fā)現，與原粉相比，在粉塵中檢測到氧元素。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%。這個結果是在線監(jiān)測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，粉末呈現出粗糙的球形形貌和不規(guī)則的飛濺顆粒。除飛濺表面會產生一些氧化化合物外，粉塵的化學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，粉塵中初生粉的數量增加，AlNbO4含量降低?？梢园l(fā)現，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，產生的飛濺數量減少。因此，不同功率的粉塵飛濺次數減少，導致氧含量逐漸減少。濾光片在水平方向上距離激光光斑中心點10 mm，可能會影響部分飛濺的有效采集。另外，過濾器的固定高度也可能影響粉塵飛濺的含量。

3．4．相對密度分析

用電子密度計(MD-200S, AlfaMirage Ltd.，日本)根據ASTM B962-17標準對不同功率下制備的樣品的相對密度進行表征。樣品的絕對密度取為鉻鎳鐵合金718,8170 kg/m3的密度。如圖9所示，當打印激光功率從400 W提高到600 W時，相對密度可以從88.1±0.2%提高到95.4±0.2%。當激光功率增大時，達到熔點的時間大大縮短，從而保證了熔池的足夠擴散。制造缺陷的形成可以得到明顯的抑制。

圖9 實驗中不同樣品的相對密度。

如上所述，隨著激光功率的增加，飛濺和粉塵減少。通過增加激光功率，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論，增加激光功率對相對密度有積極的影響。

3．5.接縫內氧

采用線電火花加工的方法從基板上切下焊縫。從每個激光燒結焊縫上切下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組成。圖10為EDS檢測焊縫橫截面的氧含量。標記了不同激光功率下焊縫截面的相對氧含量?？梢园l(fā)現，激光功率為500 W時，相對氧含量比激光功率為400W時增加了8.21%。在激光功率為600 W時，相對氧含量比激光功率為500W時有所增加。這些結果與熔池上方大氣的實時監(jiān)測結果一致。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 焊縫橫截面的相對成分(wt%)。

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

3.6不同基質的大氣演化

文中還詳細討論了不同基質對大氣演化的影響。圖11分別為Inconel 718和316L襯底L-DED過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時不同襯底的大氣演化。

可以發(fā)現，在給定的掃描速度下，無論基片是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，氧和氮的消耗變化更大。不同底物的監(jiān)測結果(H2O、N2、O2)偏差較大。具體偏差見表5。

表5 不同基材的大氣監(jiān)測結果

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更劇烈。而316L底物與水的反應是不活躍的。

4.結論

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

結果如下:

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

（2）當激光功率從400 W增加到600 W時，飛濺數減少。

（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。焊縫橫截面相對氧含量分別為35.58%、43.79%和44.30%。

（5）不同材料作為底物時，在相同功率下監(jiān)測結果(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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