Спектрометрия лазерно-индуцированной плазмы для анализа состава и управления технологией лазерной наплавки металлических изделий (3D принтер) в реальном времени

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-19-10656

НазваниеСпектрометрия лазерно-индуцированной плазмы для анализа состава и управления технологией лазерной наплавки металлических изделий (3D принтер) в реальном времени

Руководитель Леднев Василий Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова 3D принтер, аддитивные технологии, спектрометрия лазерно-индуцированной плазмы, многоэлементный анализ, онлайн анализ, коаксиальная лазерная наплавка

Код ГРНТИ55.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Бурное развитие аддитивных технологий за последние десятилетия привело к появлению новых перспективных технологий создания металлических изделий заданной формы (3D) и элементного состава методом лазерной наплавки. Особый интерес вызывает развитие технологии лазерной наплавки как для ремонта деталей простыми сплавами (нержавеющими сталями, никелевыми сплавами и т.д.), так и для упрочнения изделий с помощью нанесения новых композиционных материалов. Например, применение износостойких никелевых сплавов, упрочненных карбидами вольфрама, позволяет значительно увеличить срок службы различного бурового оборудования (эффективны при высоком гидроабразивном износе) или продлить срок службы деталей, эксплуатируемых при повышенных температурах. Специфической проблемой лазерной наплавки композиционных материалов является неравномерность распределения элементов по поперечному сечению валика, что приводит к таким дефектам, как трещинообразование и повышенный износ. Постоянство химического состава наплавляемого материала важно и для наносимого покрытия, и для выращиваемого нового материала. В настоящее время контроль химического состава изделия с помощью классических методов анализа состава металлических образцов (рентгеновской флуоресценции, рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии, атомно-эмиссионного анализа с дуговым или искровым возбуждением) возможен лишь после завершения процесса наплавки. Также данные методы часто не позволяют изучить распределение критически важных элементов в полученной детали. Например, для определения распределения углерода в сталях классическими методами не хватает или чувствительности определения (низкая чувствительность для легких элементов для рентгеновских методов) или пространственного разрешения (минимальный размер анализируемой зоны больше изучаемой области). С другой стороны, создание новых перспективных материалов или изделий с заданным градиентом концентрации элементов является одним из наиболее перспективных задач технологии трехмерной печати. На современном уровне технологии управлять распределением концентрации элементов в создаваемом изделии/покрытии можно за счет изменения условий в области плавки порошка (состав и количество в смеси порошковых материалов, температура расплава в фокусе лазерного луча, и т.д.). Отсутствие метода контроля элементного состава в наплавляемом валике в реальном времени значительно сдерживает развитие данной технологии. Требуется большое количество времени для отработки технологии нанесения даже одного типа покрытия, так как материалы различной природы подаются и плавятся в зоне нанесения по-разному, что не позволяет судить о конечном соотношении компонентов. Таким образом, использование метода элементного анализа с высокой чувствительностью к легким элементам, высоким пространственным разрешением и возможностью получения результатов в реальном времени представляет большой интерес для развития технологии лазерной наплавки. В данной работе впервые будет применена спектрометрия лазерно-индуцированной плазмы (Laser induced breakdown spectrometry) для многоэлементного анализа состава непосредственно во время технологического процесса (в режиме реального времени) получения изделия методом коаксиальной лазерной наплавкой. Данный метод лазерного спектрального анализа обладает высокой чувствительностью к легким элементам, может быть выполнен на образцах любого типа (твердый, расплав, аэрозоль, и т.д.) и позволят картировать распределение элементов с высоким пространственным разрешением (до 10 мкм). В результате это позволит не только осуществлять онлайн контроль процесса получения изделия, но и значительно сократить время и стоимость отработки технологии нанесения новых перспективных композиционных материалов и покрытий. Особое внимание будет уделено изучению распределения концентрации элементов, как в процессе его создания изделия («горячее» изделие), так и по завершении печати (готовое, «холодное изделие»).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сдвиженский П.А., Леднев В.Н., Гришин М.Я., Першин С.М., Филиппов М.Н., Давыдов М.А., Третьяков Р.С., Ставертий А.Я. Laser induced breakdown spectrometry for elemental analysis of high wear resistant coating produced by laser cladding International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/Lasers, Applications and Technology (ICON/LAT 2016), 2016, Minsk, 26-30 September, Book of abstracts, P. LTuL10, International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/Lasers, Applications and Technology (ICON/LAT 2016), 2016, Minsk, 26-30 September, Book of abstracts, P. LTuL10 (год публикации - 2016)

2. В.Н. Леднев, С.М. Першин, П.А. Сдвиженский, М.Я. Гришин, М.А. Давыдов, А.Я. Ставертий, Р.С. Третьяков Laser induced breakdown spectroscopy with picosecond pulse train Laser Physics Letters (год публикации - 2016)

Публикации

1. Леднев В.Н., Дормидонов А.Е., Сдвиженский П.А., Гришин М.Я.,Федоров А.Н., Саввин А.Д., Сафронова Е.С., Першин С.М. Compact Diode Pumped Nd:YAG Laser for Remote Analysis of Low Alloy Steels by Laser Induced Breakdown Spectroscopy Journal of Analytical Atomic Spectrometry (год публикации - 2017)
10.1039/C7JA00319F

2. В.Н. Леднев, С.М. Першин, П.А. Сдвиженский, М.Я. Гришин, А.Н. Федоров, В.В. Букин, В.Б. Ошурко, А.Н. Щеголихин Combining Raman and laser induced breakdown spectroscopy by double pulse lasing Analytical and Bioanalytical Chemistry (год публикации - 2017)
10.1007/s00216-017-0719-6

3. В.Н. Леднев, П.А. Сдвиженский, М.Я. Гришин, В.В. Чеверикин, А.Я. Савертий, Р.С. Третбяков, М.В. Таксанц, С.М. Першин Laser-induced breakdown spectroscopy for three-dimensional elemental mapping of composite materials synthesized by additive technologies Applied Optics (год публикации - 2017)
10.1364/AO.56.009698

Публикации

1. В.Н. Леднев, П.А. Сдвиженский, Р.Д. Асютин, Р.С. Третьяков, М.Я. Гришин, А.Я. Ставертий, С.М. Першин In situ multi-elemental analysis by laser induced breakdown spectroscopy in additive manufacturing Additive Manufacturing, vol. 25, pp.64-70 (год публикации - 2019)
10.1016/j.addma.2018.10.043

2. В.Н. Леднев, М.Я. Гришин, П.А. Сдвиженский, Р.Д. Асютин, Р.С. Третьяков, А.Я. Ставертий, С.М. Першин Sample temperature effect on laser ablation and analytical capabilities of laser induced breakdown spectroscopy Journal of Analytical Atomic Spectrometry (год публикации - 2019)
10.1039/C8JA00348C

3. В.Н. Леднев, П.А. Сдвиженский, М.Я. Гришин, М.А. Давыдов, А.Я. Ставертий, Р.С. Третьяков, М.В. Таксанц, С.М. Першин Laser induced breakdown spectroscopy for multielement analysis of powdered materials used in additive technologies Spectroscopy Letters, vol. 51, issue 4, pp. 184-190 (год публикации - 2018)
10.1080/00387010.2018.1447967

4. В.Н. Леднев, П.А. Сдвиженский, Р.Д. Асютин, М.Я. Гришин, Р.С. Третьяков, С.М. Першин Effect of Surface Plasma on Nanosecond Laser Ablation Bulletin of the Lebedev Physics Institute, vol. 45, N 12, pp. 399-403 (год публикации - 2018)
10.3103/S1068335618120084

5. В.Н. Леднев, Р.С. Третьяков, П.А. Сдвиженский, М.Я. Гришин, Р.Д. Асютин, С.М. Першин Laser induced breakdown spectroscopy for in-situ multielemental analysis during additive manufacturing process Journal of Physics: Conference Series, vol. 1109, p.012050 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1109/1/012050

6. П.А. Сдвиженский, В.Н. Леднев, М.Я. Гришин, В.В. Чеверикин, Р.С. Третьяков, Р.Д. Асютин, С.М. Першин Laser induced breakdown spectrometry for elemental mapping of wear resistant coatings synthesized by laser cladding Journal of Physics: Conference Series, vol. 1109, p. 012066 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1109/1/012066

7. В.Н. Леднев, П.А. Сдвиженский, Р.Д. Асютин, М.Я. Гришин, Р.С. Третьяков, С.М. Першин Surface plasma influence on nanosecond laser ablation Applied Optics, vol. 58 (6), pp. 1496-1501 (год публикации - 2019)
10.1364/AO.58.001496