CN113740319B - 激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料微观信息监检测技术领域，具体涉及一种激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法及其应用。为了解决现有大气环境下的激光诱导击穿光谱检测对材料表面产生烧蚀破坏，而水下环境中的激光诱导击穿光谱检测则由于液态水对激光光束能量的电离损耗与液态水对光谱信号传播的大幅削弱而降低测试精度和可靠性的问题，本发明提出一种激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法及其应用，通过对大气环境中的激光诱导击穿光谱测试过程进行约束型改进的新方法，采用脉冲激光冲击强化效果对激光诱导击穿光谱的有损结果进行有效补偿，从而实现“无损化”激光诱导击穿光谱成分检测。

Description

激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法及其应用

技术领域

本发明涉及材料微观信息监检测技术领域，具体涉及一种激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法及其应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)技术通过超短脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体，进而对等离子体发射光谱进行分析以确定样品的物质成分及含量。超短脉冲激光聚焦后能量密度较高，可以将任何物态(固态、液态、气态)的样品激发形成等离子体，LIBS技术(原则上)可以分析任何物态的样品，仅受到激光的功率以及摄谱仪&检测器的灵敏度和波长范围的限制。

大气环境中的激光诱导击穿光谱是一种有损的材料成分测试手段。激光诱导击穿光谱技术利用了激光脉冲导致待检测材料表面烧蚀而形成的光谱信号，对材料表面的元素种类及浓度等信息进行定量表征。由于激光诱导击穿光谱产生光谱信号的前提是材料表面待检测区域的烧蚀，而烧蚀作用对材料表面质量产生不利影响，故该技术在实质上是一种有损测试方法。

由于激光脉冲在液态水等约束材料的作用下，可形成较显著的等离子体冲击效应，且该物理过程可使得材料表面受到明显的冲击压力作用，故水下环境的激光诱导击穿光谱检测可在成分分析的同时对材料表面产生强化效果。

然而，发明人发现水下环境的激光诱导击穿光谱技术由于光谱信号采集难度增大等原因，光谱分析精度与准确度均大幅度降低，其应用局限性明显。

发明内容

为了解决现有大气环境下的激光诱导击穿光谱检测对材料表面产生烧蚀破坏，而水下环境中的激光诱导击穿光谱检测则由于液态水对激光光束能量的电离损耗与液态水对光谱信号传播的大幅削弱而降低测试精度和可靠性的问题，本发明提出一种激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法及其应用，通过对大气环境中的激光诱导击穿光谱测试过程进行约束型改进的新方法，使得激光脉冲在材料表面形成光谱信号的同时，一并引入残余压应力分布与显微组织演变等强化效果。本发明采用脉冲激光冲击强化效果对激光诱导击穿光谱的有损结果进行有效补偿，从而实现“无损化”激光诱导击穿光谱成分检测。

具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：

本发明第一方面，提供一种激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法，包括：

工序一：调整待检测材料表面的约束层厚度；

工序二：调整激光光束聚焦位置与材料表面相对距离；

工序三：激光光束聚焦位置处于材料表面的约束层之上；

工序四：采用激光检测工艺对待检测材料进行成分检测。

本发明第二方面，提供一种激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法制备获得的材料。

本发明第三方面，提供一种激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法在材料表面成分分析领域和/或材料测试方法中的应用。

上述一个或多个技术方案具有以下有益效果：

1)合理调整待检测材料表面起到约束等离子体膨胀的作用的约束层厚度，以及设定对材料表面进行辐照的激光脉冲的离焦状态，使得材料表面可同时形成表征化学元素信息的光谱信号以及强化材料表面一定层深机械性能的改性效果。

2)在实施成分检测工作之前，在材料表面涂敷水约束层，且约束层厚度0.5mm～1mm，该厚度的约束层可产生对材料表面高温高压等离子体的约束作用，又能避免约束层对光束传播过程中激光能量的过多损耗。

3)在实施成分检测工作之前，调整激光光束聚焦位置与材料表面相对距离，使得激光光束聚焦位置处于材料表面的已涂敷水层之上，即脉冲激光光束相对于待检测材料表面为正离焦状态，且离焦量大于水层厚度。正离焦状态可减少材料表面烧蚀，正离焦量大于水层厚度还可避免空化效应在水环境中的发生，减少激光能量在传播路径中的损耗。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1为本发明实验例1大气环境下的激光诱导击穿光谱检测示意图；

图2为本发明实验例2水下环境下的激光诱导击穿光谱检测示意图；

图3为本发明实施例1“无损化”激光诱导击穿光谱的材料成分测试示意图；

其中：1、激光器，2、反射镜，3、聚焦镜，4、光谱仪，5、光纤，6、接收头，7、待检测材料，8、激光光束聚焦位置，9、水下环境，10、水约束层。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在现有的利用激光诱导击穿光谱的物理原理进行材料表面化学元素成分分析的监检测方法中，大气环境下的激光诱导击穿光谱检测对材料表面势必会产生烧蚀破坏，而水下环境中的激光诱导击穿光谱检测则由于液态水对激光光束能量的电离损耗与液态水对光谱信号传播的大幅削弱而降低测试精度和可靠性。

因此本发明提出一种激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法及其应用，通过对大气环境中的激光诱导击穿光谱测试过程进行约束型改进的新方法，使得激光脉冲在材料表面形成光谱信号的同时，一并引入残余压应力分布与显微组织演变等强化效果。本发明采用脉冲激光冲击强化效果对激光诱导击穿光谱的有损结果进行有效补偿，从而实现“无损化”激光诱导击穿光谱成分检测。

具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：

本发明第一方面，提供一种激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法，包括：

工序一：调整待检测材料表面的约束层厚度；

工序二：调整激光光束聚焦位置与材料表面相对距离；

工序三：激光光束聚焦位置处于材料表面的约束层之上；

工序四：采用激光检测工艺对待检测材料进行成分检测。

本发明所采用物理方法及其原理为：合理调整待检测材料表面起到约束等离子体膨胀的作用的约束层厚度，以及设定对材料表面进行辐照的激光脉冲的离焦状态，使得材料表面可同时形成表征化学元素信息的光谱信号以及强化材料表面一定层深机械性能的改性效果。本发明一个或多个实施方式要求技术人员在实施成分检测工作之前，在材料表面涂敷约束层，约束层可产生对材料表面高温高压等离子体的约束作用，又能避免约束层对光束传播过程中激光能量的过多损耗；本发明一个或多个实施方式在实施成分检测工作之前，调整激光光束聚焦位置与材料表面相对距离，使得激光光束聚焦位置处于材料表面的已涂敷约束层之上，即脉冲激光光束相对于待检测材料表面为正离焦状态，且离焦量大于约束层厚度。实验发现，正离焦状态不仅可减少材料表面烧蚀，正离焦量大于约束层厚度还可避免空化效应在水环境中的发生，减少激光能量在传播路径中的损耗。

在大气环境检测过程，必须由激光直接辐照材料表面，且表面烧蚀必然存在，因此，提出新方法来补偿这种损伤是必要的。在激光热致原理的激光光谱成分测试过程中，引入激光力效应，其主要面向的是材料测试方法的优化和改进问题，本发明所述的约束层厚度等参数是经过特殊调整的，该调整是仅针对激光光谱成分测试过程中的损伤问题提出的。

在本发明一个或多个实施方式中，所述约束层厚度为0.5mm～1mm，实验发现该厚度的约束层可产生对材料表面高温高压等离子体的约束作用，又能避免水层对光束传播过程中激光能量的过多损耗。

在本发明一个或多个实施方式中，所述约束层包括在待检测材料表面流动的水层和/或在待检测材料表面设置透明器皿，透明器皿的内部装有去离子水。

在本发明一个或多个实施方式中，所述工序一和工序二顺序可以调整或者同时进行。

在本发明一个或多个实施方式中，所述调整激光光束聚焦位置与材料表面相对距离的方法包括但不限于调整激光发射装置与待检测试样表面的相对距离，或者调整外光路***参数以更改激光光束聚焦位置，实现变换激光光束聚焦位置的测试条件的要求。

在本发明一个或多个实施方式中，所述激光光束相对于待检测材料表面为正离焦状态，且离焦量大于约束层厚度。

优选地，所述约束层厚度为0.7mm～0.8mm，所述激光光束相对于材料表面的正离焦量为0.9mm。在该参数条件下，激光检测检测处理后的材料烧蚀区域被引入-260MPa的表面残余压应力。残余压应力的引入是材料服役性能改善的重要因素。

在本发明一个或多个实施方式中，所述激光检测工艺参数为：激光脉冲波长为1064nm，能量为50mJ，脉宽为9ns。

在本发明一个或多个实施方式中，所述约束层厚度设置方法包括但不限于：选用塑料软管对待检测位置进行定点喷射，调整约束层厚度。

在本发明一个或多个实施方式中，所述待检测材料选自金属和/或非金属。

在一些实施方式中，所述待检测材料为不锈钢材料，在获得待检测材料的成分检测结果之后，对激光检测区域烧蚀位置进行残余应力检测。结果显示，利用本发明实施方式所述方法进行检测处理后的材料烧蚀区域被引入表面残余压应力。残余压应力的引入是材料服役性能改善的重要因素。

本发明所述方法的主要应用对象是指，现有激光诱导击穿光谱方法可对其进行成分检测，但较高的表面质量与机械性能要求与检测过程中所产生的表面烧蚀形成冲突，从而亟需寻求可导致“低的表面烧蚀程度”和增强“表面机械性能”的待检测材料。在一些更具体的实施方式中：

1.搭建现有的常规激光诱导击穿光谱的材料成分检测装置。

本步骤要求技术人员确定待检测材料的激光诱导击穿光谱检测工艺，并搭建相应装置。

默认所述检测装置是基于已有相关检测工作及数据的基础，待检测材料的激光成分检测设备已经具备，但现有检测手段可导致材料表面的明显烧蚀。所述激光成分检测装备的检测原理为激光诱导击穿光谱方法，所述检测工艺已确定的工艺参数包括发射激光脉冲信号的脉冲激光波长、能量、脉宽等，还包括接收光谱信号的光谱仪的相关仪器设置参数等。

2.调整步骤1确定的现有装置的激光光束发射装置与材料表面待检测位置的直线距离。

本步骤需要技术人员提前确定激光光束相对于待检测材料表面为正离焦状态的工艺方案，并且相关操作建立在技术人员已确定激光检测过程中激光光束与待检测材料表面需保持的正离焦量数值的基础上。要求技术人员将现有激光检测方法的激光光束无离焦状态调整为正离焦状态，具体方法为增大现有装置的激光光束发射装置与材料表面待检测位置的直线距离。

在实际操作过程中，技术人员可采用调整待检测材料位置的方式进行相应测试工作，使待检测材料远离激光光束发射装置，且设定的远离距离为拟设定的激光光束正离焦量。

3.涂敷水约束层于待检测材料的待检测区域。

本步骤需要技术人员在激光检测工作开始前，预先在待检测材料表面设置固定厚度的流动水约束层。

需要指出的是，本步骤建立在技术人员已确定拟采用的水约束层具体厚度的基础上。所述水约束层厚度需与步骤2所述的激光光束相对于材料表面的正离焦量具体数值同时设定，水约束层厚度需设定为0.5mm～1mm，而所述正离焦量具体数值需大于水约束层厚度。

本发明第二方面，提供一种激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法制备获得的材料。

本发明第三方面，提供一种激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法在材料表面成分分析领域和/或材料测试方法中的应用。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

实验例1

如图1所示，为本实验例公开的一种大气环境下的激光诱导击穿光谱检测装置示意图，在该方法中，1为激光器，2为反射镜，3为聚焦镜，4为光谱仪，5为光纤，6为接收头，7为待检测材料，8为激光光束聚焦位置，激光器1产生的激光光束经反射镜2反射、聚焦镜3聚焦后，直接辐照待检测材7料表面，形成烧蚀以及材料激发效应的过程中，激光器1另一端连有光谱仪4，光谱仪4通过光纤5、接收头6采集光谱信号，进而分析材料表面的元素种类与成分含量等信息。在所述过程中，激光光束聚焦位置8处于材料表面，即激光光束相对于材料表面为无离焦状态。

本实验例中激光诱导击穿光谱技术利用了激光脉冲导致待检测材料表面烧蚀而形成的光谱信号，对材料表面的元素种类及浓度等信息进行定量表征。由于激光诱导击穿光谱产生光谱信号的前提是材料表面待检测区域的烧蚀，而烧蚀作用对材料表面质量产生不利影响，故在实质上是一种有损测试方法。

以检测某不锈钢材料表面Ni35+TiC激光熔覆层中Ni元素含量为例。本实验例采用激光诱导击穿光谱的常规测试装置与工艺条件对待检测材料进行成分检测。在在获得待检测材料的成分检测结果之后，对激光检测区域烧蚀位置进行残余应力检测。结果显示，利用该方法进行检测处理后的材料烧蚀区域表面残余应力数值为20MPa。残余拉应力的存在是材料在服役过程中发生失效的最可能原因之一。

实验例2

如图2所示，为本实验例公开的一种大气环境下的激光诱导击穿光谱检测装置示意图，与实验例1区别在于，待检测材料7完全位于水下环境9中，其余设置与实验例1相同。

在该方法中，激光光束穿过水下环境9而辐照待检测材料7表面，形成烧蚀以及材料激发效应的过程中，光谱仪4通过接收头6采集光谱信号，进而分析材料表面的元素种类与成分含量等信息。在该过程中，激光光束聚焦位置8处于材料表面，即激光光束相对于材料表面为无离焦状态；另外，激光光束在水中的传播可引发激光能量损耗，并且光谱信号穿过水层被接收头接收的过程中同样发生信号的削弱影响，因此光谱分析精度与准确度均大幅度降低。

实施例1

如图3所示，为本实施例公开的一种大气环境下的激光诱导击穿光谱检测装置示意图，激光器1产生的激光光束经反射镜2反射、聚焦镜3聚焦后，穿过水约束层10而辐照待检测材料表面辐照待检测材7料表面，形成烧蚀以及材料激发效应的过程中，激光器1另一端连有光谱仪4，光谱仪4通过光纤5、接收头6采集光谱信号，进而分析材料表面的元素种类与成分含量等信息。在所述过程中，激光光束聚焦位置8处于材料表面的水约束层10之上，即激光光束相对于材料表面为正离焦状态。

使用本实施例方法进行激光诱导击穿光谱实验：

以检测某不锈钢材料表面Ni35+TiC激光熔覆层中Ni元素含量为例。激光诱导击穿光谱的谱线强度直接反映材料元素成分的浓度大小，本实施例通过检测材料表面的谱线强度来反映Ni元素含量。以激光诱导击穿光谱的常规测试装置与工艺条件为基础进行测试，其中所采用激光脉冲波长为1064nm，能量为50mJ，脉宽为9ns。预先设定待检测材料表面需涂敷水约束层厚度为0.7mm～0.8mm，激光光束相对于材料表面的正离焦量为0.9mm；调整待检测材料位置，使其远离激光光束聚焦位置0.9mm；采用塑料软管喷射的方式对待检测位置设置流动的去离子水层，水层厚度保持在0.7mm～0.8mm；采用上述工艺条件对待检测区域进行成分检测。

在获得待检测材料的成分检测结果之后，对激光检测区域烧蚀位置进行残余应力检测。结果显示，利用该方法进行检测处理后的材料烧蚀区域被引入-260MPa的表面残余压应力。残余压应力的引入是材料服役性能改善的重要因素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法，其特征在于，包括：

工序一：调整待检测材料表面的约束层厚度；

工序二：调整激光光束聚焦位置与材料表面相对距离；

工序三：激光光束聚焦位置处于材料表面的约束层之上；

工序四：采用激光检测工艺对待检测材料进行成分检测；

所述约束层厚度为0.7mm～0.8mm；

所述激光光束相对于材料表面的正离焦量为0.9mm；

所述激光检测工艺参数为：激光脉冲波长为1064nm，能量为50mJ，脉宽为9ns；

所述激光光束相对于待检测材料表面为正离焦状态，且离焦量大于约束层厚度。

2.根据权利要求1所述激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法，其特征在于，所述约束层包括在待检测材料表面流动的水层和/或在待检测材料表面设置透明器皿，透明器皿的内部装有去离子水。

3.根据权利要求1所述激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法，其特征在于，所述工序一和工序二顺序可以调整或者同时进行。

4.根据权利要求1所述激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法，其特征在于，所述约束层厚度设置方法包括：选用塑料软管对待检测位置进行定点喷射，调整约束层厚度。

5.根据权利要求1所述激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法，其特征在于，所述待检测材料选自金属和/或非金属。

6.权利要求1至5中任一项所述激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法制备获得的材料。

7.权利要求1至5中任一项所述激光诱导击穿光谱成分检测的无损化实现方法在材料表面成分分析领域和/或材料测试方法中的应用。

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