אנליזה כמותית של אינדוקציה ואקום התכה על-ידי ספקטרוסקופיית לייזר המושרה

Summary

במהלך אינדוקציה ואקום ההיתוך, ספקטרוסקופיית התמוטטות הנגרמת לייזר משמש לביצוע ניתוח כמותי בזמן אמת של רכיבי המרכיב העיקרי של סגסוגת מותכת.

Abstract

אינדוקציה ואקום התכה היא שיטה פופולרית לזיקוק מתכת טוהר גבוהה וסגסוגות. באופן מסורתי, בקרת תהליך סטנדרטי בתוך מטלורגיה כרוכה במספר שלבים, לכלול דגימות ציור, קירור, גזירה, הובלה למעבדה, ניתוח. תהליך הניתוח כולו דורש יותר מ-30 דקות, המעכבת בקרת תהליכים מקוונת. ספקטרוסקופיית התמוטטות הנגרמת על-ידי לייזר היא שיטת ניתוח מעולה בשורה שיכולה לספק את הדרישות של אינדוקציה ואקום ההיתוך כי זה מהיר ולא מגע ואינו דורש הכנה לדוגמה. המתקן הניסיוני משתמש מנורה שאוב Q-ממותג לייזר לתוך פלדה נוזלי מומס מומסת עם אנרגיה פלט של 80 mJ, תדירות של 5 Hz, רוחב פולס FWHM של 20 ns, ו אורך גל עובד של 1,064 ננומטר. טעינה מרובת ערוצים ליניארי מצמידים התקן (CCD) ספקטרומטר משמש כדי למדוד את ספקטרום הפליטה בזמן אמת, עם טווח ספקטרלי מ 190 אל 600 nm ורזולוציה של 0.06 nm ב אורך הגל של 200 nm. הפרוטוקול כולל מספר שלבים: הכנה לדגימת סגסוגת סטנדרטית ומבחן מרכיב, היתוך של דגימות סטנדרטיות וקביעת ספקטרום התפלגות הלייזר, ובניית האלמנטים של הריכוז בעקומת האנליזה הכמותית של כל רכיב. כדי להגשים את ניתוח הריכוז של דגימות לא ידועות, צריך גם למדוד את הספקטרום של המדגם ולהסולק באותו תהליך. הרכב של כל האלמנטים העיקריים בסגסוגת נמס ניתן לכמת עם שיטה סטנדרטית. עקומת הכיול מראה כי המגבלה של זיהוי של רוב רכיבי מתכת נע בין 20-250 דפים לדקה. ריכוז של אלמנטים, כגון Ti, מו, Nb, V, ו-Cu, יכול להיות נמוך מ 100 דפים לדקה, ואת ריכוזי של Cr, אל, Co, Fe, Mn, C, ו-Si טווח מ 100-200 ppm. R² של עקומות כיול מסוימות יכול לעלות על 0.94.

Introduction

בשל התכונות הייחודיות שלה, כגון חישה מרחוק, ניתוח מהיר, ואין צורך בהכנה לדוגמה, ספקטרוסקופיית התמוטטות בלייזר (libs) מציעה יכולות ייחודיות לקביעת ריכוז מקוון^{1,2, 3}. שלוש. למרות שהשימוש בטכניקת libs בתחומים שונים נחקר^4,5,6, ניסיון ניכר לפתח את יכולותיה ביישומים תעשייתיים מתמשך.

ניתוח תוכן חומר מותך במהלך תהליכים תעשייתיים יכול לשפר ביעילות את איכות המוצר, שהוא כיוון התפתחות מבטיח של LIBS. ממצאים ניסיוניים דווחו על יישום libs בתחום התעשייה, כגון ממצאים על פלדה נוזלי ארגון חמצן^7,8,9,10,11, מותכת אלומיניום סגסוגת¹², מלח מותך¹³, ו סיליקון מותכת¹⁴. רוב החומרים הללו קיימים בסביבה של אוויר או עוזר גז. עם זאת, אינדוקציה ואקום ההיתוך (ועוד) הוא עוד שדה יישום טוב של LIBS להגשים את השליטה בתהליך. הכבשן מסוגל לממש את ההיתוך בטמפרטורות גבוהות מ-1,700 ° צ' לזיקוק סגסוגת; זוהי השיטה הפופולרית ביותר לזיקוק מתכת טוהר גבוהה וסגסוגות כגון ברזל בסיס או ניקל בסיס סגסוגות, סגסוגות טוהר גבוהה, וסגסוגות מגנטי נקי. במהלך ההיתוך, הלחץ בכבשן הוא תמיד באזור של 1-10 Pa, והרכב האוויר בכבשן כולל בעיקר את האוויר הנספג על המדגם או על הקיר הפנימי של הכבשן וכמה תחמוצת היתוך או מתכת נירכוב. אלה מצבי עבודה לגרום שונה למדי מצבי מדידה LIBS עבור היתוך באוויר. כאן, אנו מדווחים על חקירה ניסיונית של ניתוח של סגסוגת מותכת במהלך הקורס על ידי LIBS.

חלון אופטי מתווסף לכבשן עבור אבלציה לייזר וזיהוי אור זוהר. זכוכית סיליקה עם קוטר של 80 מ"מ משמש כחלון. לייזר פולט ואיסוף של אור קורן להעסיק את אותו חלון; זהו מבנה אופטי שכונתיות המתמקד באותה נקודה. אורך מוקד העבודה הוא כ 1.8 מ', ואורך ההתמקדות של ההתקנה הניסיונית ניתן לכוונן מ 1.5 ל 2.5 m.

בהתבסס על המעשיות של ניתוח מקוון תעשייתי, דיוק, היכולת לעבור חזרה ויציבות חשוב יותר מאשר גבול נמוך של גילוי (לוד) במהלך ניתוח מרכיב סגסוגת מותכת. התוואי הטכני של ספקטרומטר CCD ארבעה ערוצים ליניארי נבחר, הטווח הספקטרלי של ספקטרומטר הטווחים מ 190 כדי 600 nm, הרזולוציה היא 0.06 nm, ואת אורך הגל הוא ה200 nm. דיודת לייזר שאוב Q-החלפת לייזר (שנבנה בבית) משמש לסגסוגת מותכת, עם אנרגיה פלט של 100 mJ, תדירות של 5 Hz, רוחב הדופק FWHM של 20 ns, ו אורך גל עובד של 1064 ננומטר. החלק הנותר יציג את תהליך הניתוח ומדידה בשידור חי, ואחריו מבוא של תוצאות עיבוד הנתונים.

Protocol

1. הכנת דגימות סטנדרטיות

הערה: שלב זה אינו חיוני.

1. הכן חומרי גלם (טבלה 1). כדי לעשות 100 ק ג של מדגם1, להוסיף 12.82 ק ג של Cr, 3.39 ק ג של מו, 4.79 ק ג של אל, 1.00 ק ג של Ti, 0.60 ק"ג של Cu, ו כ 77.4 ק ג של ני לכור המצרף. במהלך תהליך ההיתוך, חלק מהרכיבים יישרפו. המרכיב הסופי נקבע על ידי טמפרטורת ההיתוך, משך ההיתוך, ופרמטרים עבודה אחרים. בדיקת המרכיב מראה את כמות כל אלמנט בתוך הסגסוגות.
2. לבצע אינדוקציה ואקום ההיתוך על כ 1,700 ° צ' עבור כ 45 דקות עבור כל דוגמה סטנדרטית. הכבשן המשמש כדי להפוך דגימות סטנדרטיות יכול להמיס כ 100 ק ג סגסוגות כל פעם עבור 2 סטים של דגימות סטנדרטיות.
3. יוצקים את כל פלדה נוזלית מותכת לתוך עובש דביק לעשות דגימות סטנדרטיות, ומגניב באופן טבעי לפחות 4 h. גודל הדגימות הסטנדרטיות נקבע על ידי הכבשן בניסוי. השתמש מוט בצורת דגימות סטנדרטיות בניסויים עם קוטר מוט של 100 מ"מ. הצורה של הכור בכבשן הוא קונוס frustum עם מכולה כמו ספל. קוטרו של החישוק הוא 150 מ"מ, התחתון הוא 100 מ"מ, והעומק הוא 200 mm. ניתן גם להעסיק דגימות סטנדרטיות מסוג מקוטע.
4. השתמש במסור חשמלי כדי לגזור דגימות סטנדרטיות עבור הניסוי. אורכו של דגימת מוט סטנדרטי נקבע על ידי הכבשן. השתמש באורך של 150 מ"מ עבור מערכת ההיתוך ניסיוני. ממיסים חלק מהדגימות. עבור כל ניסוי
5. חזור על שלבים אלה והפוך את כל הדגימות הסטנדרטיות. בניסוי זה מועסקים 10 דגימות.

2. מרכיב מבחן של דוגמאות מסגסוגת סטנדרטי

1. השתמש בשיטה לניתוח כימי כדי לבדוק את ההרכב של כל דגימות הסגסוגת הסטנדרטיות. בדוק את כל הרכיבים בכל אחת מהדוגמאות.
   הערה: אנו ממליצים בחום לשלוח דגימות אלה לארגון סמכות לבצע את הניתוח. דגימות אלה נשלחות הברזל המרכזי & מכון המחקר פלדה של סין לבדיקת החומרים. תוצאות הבדיקה עבור דוגמאות אלה מפורטות בטבלה 2.

3. דגימות הריחו

1. בדוק את האבטחה של מערכת ההיתוך, הכוללת את ספק הכוח, הזמינות של כל משאבה, יכולת החזקת ואקום של הכבשן הניסיוני, מים קירור, וזרם.
2. הציבו את הדגימות הסטנדרטיות. במערכת ההיתוך כדי להבטיח כי כמות קטנה של כל מדגם מלווה על ידי הלייזר, השתמש בדגימות קטנות עבור הניסוי. בגלל גודל הכור בכבשן, הריחו כ -10 ק ג דגימות בכל פעם.
3. פתח את משאבת ואקום עד הלחץ נמוך יותר 0.1 Pa. השתמש 2 רמות של משאבה כדי להפוך את הוואקום: משאבה מכנית משאבת דיפוזיה. משאבת מכני יכול להגיע כ 1 האבא בתוך 15 דקות, ואת משאבת דיפוזיה יכול להגיע 0.01 Pa לאחר 40 דקות.
4. . להמיס דגימות הגדל את הכבשן הפעיל עד כ 130 A; פרמטר זה נקבע על ידי המרכיבים של הדגימות וגודל הכבשן. מדגם סטנדרטי דורש כ 15 דקות להיות מותכת. עקב חמצון או מתוך מעשה, המרכיבים של פלדה נוזלית להשתנות לאט במהלך ההיתוך.
   1. כדי להבטיח דיוק של הניסוי, לקבוע את הספקטרום בתוך 15 דקות לאחר הדגימות הסטנדרטיות מותכת.

4. קביעת התפלגות ספקטרום הלייזר של דגימות סטנדרטיות

1. בדוק את הזמינות של מערכת לייזר התמקדות ואיסוף ספקטרום, גנרטור לייזר, ספקטרומטר.
2. הגדר את הספקטרומטר ומחולל לייזר כדי לפעול באופן סינכרוני. השתמש באות סנכרון ספקטרומטר פלט ובשיטת עבודה פסיבית לייזר במערכת. השיטה של מחולל לייזר סנכרון אות או שיטה של הסנכרון הפלט האיתות יכול גם להיות מועסק כדי לשלוט על גנרטור לייזר וספקטרומטר.
3. פתח את גנרטור לייזר וספקטרומטר; להתכונן לייצר את לייזר הדופק. רוחב הפולס הוא 20 ns, התדר הוא 5 Hz, והאנרגיה של כל פעימה היא 90 mJ.
4. השתמש בתוכנה הפקדה ספקטרום להפעיל את פלט הלייזר ולאסוף את הספקטרום. הגדר את זמן האינטגרציה של הספקטרומטר ל -10 אלפיות השניה, וכל פעימת לייזר יוצרת מסגרת של הספקטרום. אם זמן האינטגרציה קצר מדי, עוצמת האות של הספקטרום תהיה חלשה מדי. אם זמן השילוב ארוך מדי, עוד אותות רקע ייאספו.
5. כוונן את מיקום המיקוד של לייזר, וביעילות את המדגם. למטב את מיקום המיקוד עד האות הספקטרום החזק מתקבל. תהליך זה משמש להתאמת נקודת המיקוד. עוצמת האות המחולקת בין הספקטרומטר הנומרי נעה בין 0 ל-65,535. ברוב המקרים, עוצמת האות עולה על 15% מאות הרוויה, המציינת שעוצמת השיא הגבוהה ביותר תעלה על 10,000. אם עוצמת האות קטנה מדי, הניתוח הכמותי יהיה בעל דיוק נמוך.
6. מטב את זמן ההשהיה. בחר את העיכוב לאחר bremsstrahlung, ואת החוזק של האות צריך עם זמן ההשהיה אופטימיזציה צריך להספיק.
7. השתמש בספקטרומטר. כדי לאסוף ספקטרום לניתוח לאסוף 20 מסגרות של הספקטרום, ולקבל את הממוצע עבור ניתוח LIBS.
8. כבה את זרם העבודה של הכבשן וצנן את הדגימות. מיצוק הדגימות דורש כ 15 דקות.
9. הכנס חנקן לתוך הכבשן הניסיוני כדי לשבור את הוואקום.
10. פתחו את המכסה של הכבשן הנסיוני. והסירו את דגימות המייצוק
11. חזור על שלב 3.3 עד 4.10 עד למדידה של כל הדגימות.

5. בניית עקומת כיול של אנליזה כמותית

1. טיפול בספקטרום
   1. . תיקון רקע מחק את אפקט הרקע הנגרם על-ידי קרינת בלימה. שיטת התיקון הבסיסי מועסק בניסוי.
   2. מחפש בשיא הספקטרום. השתמש בשיטה נגזרת של שתי הזמנות כדי לזהות פסגות של כל אלמנט; נקודות המינימום המקומיות הן משוקלל.
   3. . התאמת ספקטרום החל שכבת-על של ספקטרום לורנץ על הפסגות שנבחרו כדי למנוע העצמה מפני קורוזיה או חפיפה. עוצמת השיא הספקטרלית, מצב המתיחה, ואורך הגל המרכזי מתקבלים על ידי אלגוריתם הולם.
2. יבא את תוצאות ניתוח המרכיב הכימי של כל הדגימות הסטנדרטיות.
3. בנו את עקומת הכיול.
   1. בחר את אורך הגל הפנימי של התקן היחסי. הקווים העיקריים של האלמנט הספקטרלי תמיד מסומנים.
   2. בחר אורך-גל של כיול. בחר מתוך מסד הנתונים של ספקטרום הנשים¹⁵.
   3. . להתאים את העקומה השתמש בהתאמה ליניארית או במדידה ריבועית.
4. השג את דיוק הניתוח. חשב את הגורם המתאים ואת שגיאת התקן היחסית לאחר ההתאמה. תוכנית משמשת באופן אוטומטי לבחור את אורך הגל הטוב ביותר הקרוב ביותר וכיול אורך הגל מבסיס אורך הגל של נשים¹⁵.

6. ניתוח הרכב אלמנטלים של סגסוגת מותכת

הערה: הכיוונון הנסיוני מחולק לשני חלקים, כלומר, ראש הגלאי וארון הבקרה, כפי שמוצג באיור 1. אותם פרמטרים לייזר וספקטרומטר, מולטינג, ותהליך איסוף הספקטרום המועסקים בתהליך הקודם מנוצלים כדי להבטיח תוצאות מדויקות ניתוח כמותי.

1. שים את הדגימה הלא ידועה. במערכת ההיתוך
2. . ואקום למערכת הניסיונית
3. הגדילו את הזרם ההיתוך עד שהדגימה מותכת. טמפרטורת ההיתוך היא כ 1,700 ° c, וזמן ההיתוך הוא כ 45 דקות.
4. פתח את גנרטור לייזר ולהגשים את פלט לייזר הדופק. השתמש בפרמטרי הלייזר הבאים: רוחב הפולס הוא 20 ns, התדר הוא 5 Hz, והאנרגיה של כל פעימה היא 90 mJ.
5. פתח את הספקטרומטר ותוכנת הפקדת. הספקטרום כדי לקבוע את הספקטרום להעסיק את ספקטרומטר אותו עם טווח ספקטרלי מ 190 אל 600 ננומטר והרזולוציה של 0.06 nm ב אורך הגל של 200 nm. זמן האינטגרציה של הספקטרומטר. הוא 10 אלפיות הספקטרומטר משמש כדי להפעיל את הלייזר ולקבוע את הספקטרום.
6. להתאים את מיקום המיקוד לייזר. למטב את מיקום המיקוד עד האות הספקטרום החזק מושגת; ערך השיא הגבוה ביותר יעלה על 10,000.
7. . קבע את ספקטרום התפלגות הלייזר כל פעימת לייזר יוצרת מסגרת של הספקטרום; 20 מסגרות של הספקטרום מתקבלות וממוצעים לניתוח.
8. טיפול מקדים בספקטרום. בצע תיקון רקע, כגון מחיקת אפקט הרקע הנגרם על-ידי קרינת בלימה, כפי שהוזכר ב5.1.3, כדי לבצע התאמת ספקטרום.
9. . חישובי ריכוז אלמנטלים בצע את הריכוז הבסיסי על ידי שיטת התקן הפנימי מעקומת הכיול.

תוצאות

עשר דגימות סגסוגת מבוססות ניקל (110) משמשות לבניית עקומות כיול בתקן פנימי. הקומפוזיציות של כל הדגימות מפורטות בטבלה 1. הריכוזים היסודיים של דגימות אלה מתוכננים באופן אורתוגונאלי כדי למנוע הפרעה באותות. הריכוז של כל אלמנט בכל הדגימות נמדד בשיטות ניתוח כימיות.

Discussion

עבור ניתוח היסודות, שיטות פופולריות הם קרני רנטגן פלואורסצנטית (XRF), הניצוץ פריקה אופטית ספקטרומטריה (SD-מאוס), ספקטרוסקופיית קליטת האטום (AAS), ו השראה זוג פלזמה (הקאמרי הנוכחי). שיטות אלו מתאימות בעיקר ליישום מעבדה ותעשייתי מקוון לסגסוגות מותכת, אשר נקבעת על ידי דמויות של טכנולוגיות אלה, הוא ק...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Laser source	Gklaser Co.,Ltd.
Molten alloy to be measured
Smelting furnace	Tianyu Co.,Ltd.
Spectrometer	Avantes
standard samples			Well known of its composition