1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 北京星航机电装备有限公司，北京 100074
激光粉末床熔融（LPBF）是钴基高温合金复杂构件整体制造的理想方法。ECY768是一种性能优异的新型钴基高温合金，但目前LPBF成形ECY768合金的研究还十分匮乏。研究了LPBF成形ECY768钴基高温合金的冶金缺陷、显微组织和基础力学性能。结果表明：LPBF成形ECY768合金的冶金缺陷主要为气孔、未熔合和热裂纹；通过调整激光体能量密度等工艺参数，可实现无裂纹、高致密（孔隙率<0.5%）ECY768合金成形。LPBF成形ECY768合金的显微组织为以柱状晶为主的“柱状晶+等轴晶”混合组织，总体上呈一定的“〈0 0 1〉/构建方向”择优取向；晶粒内部具有细密的胞状亚晶结构，胞晶边界不仅分布有胞状位错网络，还分布有球状MC型和条带状M23C6型两类纳米级碳化物析出相。在优选工艺参数下，LPBF成形ECY768合金的屈服强度为1002 MPa（构建方向）/1267 MPa（垂直构建方向），远高于铸造或LPBF成形的其他主要钴基高温合金；延伸率为10.5%（构建方向）/13.3%（垂直构建方向），与铸造或LPBF成形的其他主要钴基高温合金基本相当。优良的致密度、细密的胞状亚晶结构、纳米碳化物的大量析出及其与位错网络的相互作用是LPBF成形ECY768合金具有优异力学性能的关键。
激光粉末床熔融 ECY768钴基高温合金 冶金缺陷 显微组织 力学性能 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0314004
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016
研究了激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术成形新型定向凝固镍基高温合金ZGH451的致密化行为、显微组织和凝固晶粒取向。结果表明：未熔合和凝固裂纹是主要冶金缺陷；通过增大激光功率、减小扫描间距和扫描速度，可以有效消除未熔合缺陷；在激光功率150 W、扫描层厚0.02 mm、扫描速度600~800 mm/s、扫描间距0.06~0.08 mm的工艺窗口内，可以获得无裂纹、高致密（致密度为99.9%）样品，其凝固组织主要由基本沿构建方向定向生长的柱状晶构成，具有典型的微细枝晶显微组织，一次枝晶间距小于1 μm，二次枝晶不发达。枝晶间存在TiC和TaC颗粒析出，未观察到明显的γ/γ'共晶。样品呈现出一定的定向凝固特性，［001］织构明显，但相邻熔道搭接区域内仍有复杂热流产生的大取向差柱晶。样品力学性能优异，其屈服强度与传统定向凝固工艺制备的第三代单晶高温合金相当。研究结果证实了采用LPBF技术成形定向凝固ZGH451镍基高温合金的可行性。
激光技术 激光粉末床熔融 定向凝固镍基高温合金 冶金缺陷 显微组织 中国激光
2023, 50(24): 2402304
华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北，武汉 430074
元素的成分和含量对材料的性能起着至关重要的作用，常规的检测方法能够获取待测样品的类别和成分信息，但存在成本高、操作复杂、效率低等问题。应用领域的不断扩展对分析技术有了更高的需求，找寻一种更新、更快、适应性更强的检测技术成为当前的研究热点。激光诱导击穿光谱技术具有多元素同时检测、结构简单、检测速度快、不受样品形态影响等特点，在诸多领域展现出广阔的应用前景。基于此，综述了激光诱导击穿光谱技术的机理、装置类型、基础研究进展以及应用研究，并对其发展趋势进行了展望。
光谱学 激光诱导击穿光谱 机理 信号增强 定性定量分析 应用 中国激光
2022, 49(12): 1202003
1 华南师范大学, 广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室, 广东 广州 510006
3 深圳技术大学, 中德智能制造学院, 广东 深圳 518118
4 华中科技大学, 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
冶金、 核工业、 污染检测和环境监测等领域对元素分析的需求是必不可少。 激光诱导击穿光谱技术作为一种新型的原子光谱分析技术, 具有实时快速、 对样品几乎无损、 可多元素同时分析等特点, 因此一直受到广泛的关注。 但其分析灵敏度较差的缺点一直限制着该技术的发展。 激光诱导荧光辅助激光诱导激光光谱技术能够通过激光共振激发提高分析灵敏度并高效检测样本元素种类, 通过光谱仪收集光谱信息并建立模型可对未知样本进行浓度预测。 但当基体原子与目标原子的特征谱线十分接近时, 基体谱线会受到影响, 此时一元定标准确度下降。 通过一元线性拟合和多元线性拟合两种方式对钢铁中的Ni和Cr元素分别建立线性模型。 首先, 选取样品光谱中的峰值谱线, 核实其是否为待测元素或基体元素所对应的特征谱线, 选定合适的特征谱线后, 将多个谱线的光谱强度以及对应该样品的待测元素浓度作多元线性拟合模型, 将各个谱线所对应的拟合系数由高到低进行排序, 并以多元线性拟合模型中各个特征谱线对应的光谱强度对浓度预测的贡献度为标准不断减少拟合维度, 使Ni和Cr拟合模型的决定系数分别由0.960 1提高至0.992 9和0.992 0提高至0.998 7, Ni和Cr元素含量的回归模型平均相对误差分别由38%降低至10%左右和55%降低至25%以内, Ni和Cr元素的线性回归模型的交叉验证均方根误差随着维度的增加分别由3.4%降低至2%左右和2.5%降低至1.5%左右。 选取多个谱线建立多元线性回归模型的方法较为有效的降低了激发干扰的影响, 以较小的工作量提高了对待测样品的待测元素浓度预测的准确度, 为推进激光诱导荧光辅助激光诱导激光光谱技术在元素分析的实际应用提出了一种可行的方案。
激光诱导激光光谱 激光诱导荧光 多元线性回归 Laser-induced breakdown spectroscopy Laser-induced Fluorescence Multiple linear regression
1 湖北工程学院 物理与电子信息工程学院，湖北 孝感 432000
2 华中科技大学 武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
3 湖北大学 物理与电子科学学院，湖北 武汉 430062
4 湖北省计量测试技术研究院，湖北 武汉 430223
作为一种新型快速的物质成分分析技术，激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）已经在越来越多的工业领域中被证明具有巨大的应用潜力。然而，由于野外作业或工业现场检测环境嘈杂恶劣，对仪器设备的尺寸和抗恶劣环境的能力提出了更高的要求。近年来，新型激光器的发展进一步促进了LIBS仪器化的进程，使得其逐渐从实验室迈向工业应用，同时也使得LIBS系统逐渐趋于仪器化、专业化、便携化。本文综述了便携式LIBS的发展历程，对各种激光光源（小型Nd:YAG固体激光器、二极管泵浦固体激光器、微片激光器、光纤激光器以及光纤传能的方案）应用于便携式LIBS系统的最新研究进展进行了综述和分类讨论，探讨了当前便携式LIBS存在的基本问题，并对其未来发展趋势进行了展望。
激光诱导击穿光谱 便携式 激光器 元素检测 laser-induced breakdown spectroscopy portable laser element detection
1 湖北工程学院 物理与电子信息工程学院, 湖北 孝感 432000
2 华中科技大学 光电国家研究中心, 武汉 430074
针对工业现场和野外恶劣环境下快速检测的需求, 设计并搭建了基于光纤激光器的便携式激光诱导击穿光谱实验系统.采用迭代小波变换去背景算法对光纤激光器的高重复频率造成的高的连续背景干扰进行消除.对比了去背景前后攀钢生铁样品中的Mn元素的谱线, 发现Mn元素的4条特征谱线的定标曲线决定系数分别由0.988、0.985、0.982和0.992提高到了0.994、0.994、0.994和0.995; 采用留一交叉验证得到的均方根误差分别从0.123、0.146、0.101和0.083, 降低到了0.072、0.085、0.062和0.073.结果表明, 采用该迭代的小波变换去背景算法, 能够有效地去除连续背景干扰, 提高回归模型的准确性, 进而提高激光诱导击穿光谱定量分析的准确度.
激光诱导击穿光谱 去背景 小波变换 光纤激光器 定量分析 Laser-induced breakdown spectroscopy Background removal Wavelet transform Fiber laser Quantitative analysis
1 北京科技大学 冶金与生态工程学院, 北京 100083
2 华中科技大学 武汉光电国家实验室 激光与太赫兹技术功能实验室, 湖北 武汉 430074
到目前为止, 尚没有适用于大型金属材料试样元素偏析定量检测的有效方法。该研究将新兴的激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于生铁中Si、Mn、Ti元素偏析的同步检测, 选取Si (288.16 nm)、 Mn (293.31 nm) 和Ti (334.94 nm)作为三种元素的定量分析谱线, 同时选取Fe (263.58 nm, 441.51 nm, 370.79 nm)分别作为三种元素的内标谱线, 使用内标法降低基体效应的影响。定标拟合系数R2分别为0.991 7、0.990 3和0.991 2, 因此证明LIBS适用于对生铁中Si、Mn、Ti元素的准确同步定量检测。随后将取自高炉的铁样切割为两个圆形的铁块, 用空间分辨的LIBS装置对样品表面进行面扫描分析并得出元素分布图, 基于元素分布图识别出Si、Mn、Ti元素的偏析区域并计算最大正偏析度和负偏析度。该研究证明了LIBS用于同步检测生铁中Si、Mn、Ti元素偏析的可行性, 同时也揭示了生铁中合金元素的偏析规律, 有利于加深对凝固过程元素迁移和分布的理解和认识。
激光诱导击穿光谱 面扫描 生铁 偏析 laser-induced breakdown spectroscopy surface analysis pig iron segregation 红外与激光工程
2018, 47(8): 0806003
华中科技大学, 武汉光电国家实验室(筹)激光与太赫兹功能实验室, 武汉 湖北 430074
在激光诱谱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)中, 元素特征光谱信号强度和信噪比在不同采集延时下具有显著差异, 直接影响定量分析的结果。 LIBS分析系统通常采用通用型延时发生器来控制采集延时, 然而其体积大、 功耗高、 价格昂贵, 不利于LIBS仪器的小型化和便携化。 为此, 采用单片微控制器芯片和简单外围电路设计实现了具有55 ps可调延时精度的多通道微型同步时序发生器(简称LDG30), 大幅度降低了同步时序发生器的体积、 功耗和成本。 对比LDG30与一种典型通用延时发生器DG535作为同步时序发生器的LIBS系统, 以钒钛生铁中微量钒(V)元素定量检测为例进行两种同步时序发生器性能分析。 结果表明, 采用LDG30和DG535的LIBS系统建立的V元素定标曲线拟合系数R2均大于0997, 前者的平均相对标准偏差ARSD略小于后者, 达到228%; 前者检测极限LoD略低于后者, 达到1990 μg·g-1。 因此, 自主设计的同步时序发生器LDG30与DG535在LIBS系统中的精度基本一致, 完全满足LIBS系统的实际控制和集成应用需求, 特别适合于体积与功耗受限的LIBS仪器。
激光诱导击穿光谱 微型同步时序发生器 采集延时 Laser-induced breakdown spectroscopy Compactsynchronous timing generator Delay times
华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)激光与太赫兹功能实验室, 湖北 武汉 430074
在大气环境中, 采用激光诱导击穿光谱技术与支持向量机算法相结合, 对来自不同厂家不同颜色的20种工业塑料进行分类研究。 首先对分类结果有影响的实验参数进行优化, 在最佳的实验参数条件下进行光谱采集, 采用6条非金属元素特征谱线, 有效缩短了训练支持向量机分类模型所需时间, 从而提高了塑料的分类效率。 实验结果表明, 利用碳、 氢、 氧、 氮等主量非金属元素对这些工业塑料样品进行分类, 测试集1 000个光谱数据中有996个识别正确, 算术平均识别精度达到996%。 在选取较少的主量非金属特征谱线的情况下, 结合采用支持向量机算法, 可以实现激光诱导击穿光谱技术对更多类型的塑料制品快速、 高精度分类, 为激光诱导击穿光谱技术在实现塑料分类方面提供了数据参考。
激光诱导击穿光谱技术 非金属元素特征谱线 支持向量机 塑料分类 Laser-induced breakdown spectroscopy Characteristic spectral lines of non-metallic elem Support vector machine Plastics identification 光谱学与光谱分析
2017, 37(7): 2205
华中科技大学, 武汉光电国家实验室(筹)激光与太赫兹功能实验室, 湖北 武汉 430074
采用显微激光诱导击穿光谱技术对低合金钢标准样品进行定量分析, 空间分辨率达到20 μm, 单脉冲检测极限(LoD)为0.10%。 根据谱线强度和元素浓度的关系获得Mn元素的基本定标曲线, 定标曲线的拟合度系数R2为0.97, 采用去一交互验证法预测了样品中Mn元素的浓度, 七个样品的平均预测误差为12.91%, 去一交互验证均方根误差为0.11%。 采用内标法时定标曲线的拟合度系数R2为0.99, 七个样品的平均预测误差为7.25%, 去一交互验证均方根误差为0.07%。 实验结果表明显微激光诱导击穿光谱技术能有效应用于物质微区元素的高精度定性、 定量分析。
激光诱导击穿光谱 显微光学 定量分析 Laser-induced breakdown spectroscopy Microscope optics Mn Mn Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2017, 37(4): 1254
