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增材制造中如果金屬粉末成分不一致會(huì)造成哪些問(wèn)題，為了杜絕這些問(wèn)題我們要如何快速、準(zhǔn)確地獲取金屬粉末的元素分析結(jié)果，以確保最終金屬粉末滿(mǎn)足增材制造的要求。本文將介紹元素分析在增材制造領(lǐng)域的重要性，并介紹XRF分析技術(shù)的原理及其在金屬粉末材料成分檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。

01丨化學(xué)性分析的重要性

良好的增材制造粉末，其中非常重要的一點(diǎn)是要考察粉末的化學(xué)成分的一致性-也就是粉末需要符合指定材料的合金成分，并且必須仔細(xì)選擇等級(jí)以控制存在的間隙元素，如氧或氮，這些元素可能會(huì)影響成品組件的性質(zhì)。此外，增材制造粉末必須不受到外部顆粒的污染，如粉末生產(chǎn)廠、增材制造設(shè)施的其他物料批次或加工/回收設(shè)備中的碎屑，百萬(wàn)分之幾的污染物水平就會(huì)對(duì)組件質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

如果增材制造粉末的成分不一致會(huì)造成如下問(wèn)題：

• 力學(xué)性能下降：成分不一致可能導(dǎo)致材料的強(qiáng)度、韌性、疲勞壽命等力學(xué)性能顯著降低。例如，合金元素的流失或偏析會(huì)改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，形成脆性相或裂紋源。

• 微觀結(jié)構(gòu)缺陷：成分不一致可能引發(fā)微觀偏析、晶粒粗化或不均勻的相分布，影響材料的均勻性和穩(wěn)定性。

• 裂紋和氣孔：成分差異可能導(dǎo)致凝固過(guò)程中溶質(zhì)富集、熱應(yīng)力增加，從而產(chǎn)生裂紋和氣孔。這些缺陷會(huì)成為裂紋擴(kuò)展的起點(diǎn)，降低部件的承載能力和可靠性。

• 工藝適配性問(wèn)題：不同成分的材料需要不同的工藝參數(shù)，成分不一致可能導(dǎo)致工藝參數(shù)難以適配，增加制造難度。

• 梯度材料性能不穩(wěn)定：在制造梯度材料時(shí)，成分不一致會(huì)使實(shí)際成分梯度偏離設(shè)計(jì)值，影響功能梯度材料的性能。

02丨XRF分析的優(yōu)勢(shì)

X 射線熒光法 (XRF) 是分析金屬粉末中的化學(xué)成分和雜質(zhì)的簡(jiǎn)單快捷方法。XRF 可以測(cè)定粉末樣品中的元素成分和雜質(zhì)，如疏松粉末、壓片，或熔片或熔鑄片等樣品。雖然電感耦合等離子體 (ICP) 分析廣泛用于分析金屬和金屬粉末，但是ICP 需要進(jìn)行樣品消解、稀釋和日常校準(zhǔn)，這是一種費(fèi)力且昂貴的金屬和金屬粉末分析方法。特別是對(duì)于主要元素為幾個(gè)百分點(diǎn)含量的化學(xué)成分分析，XRF 可以測(cè)量此類(lèi)樣品，無(wú)需進(jìn)行稀釋。 

XRF 的其他優(yōu)點(diǎn)包括占地面積小、操作簡(jiǎn)單、無(wú)需使用高純度氣體，而且對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的要求很低。XRF 中的準(zhǔn)確定量分析要求使用標(biāo)樣進(jìn)行校準(zhǔn)。在需要重新校準(zhǔn)之前，XRF 的校準(zhǔn)有效期可以達(dá)到一年以上。XRF 在許多情況下都是 ICP 的合適替代品。在對(duì)于特定痕量元素時(shí)，XRF 是一種對(duì)于ICP的補(bǔ)充的方法，減少了所需的 ICP 分析量并簡(jiǎn)化工作流程。

03丨X射線熒光光譜法XRF

XRF 分析的基本原理很簡(jiǎn)單，如果我們使用 X 射線光照射樣品，就會(huì)使樣品內(nèi)產(chǎn)生二次 X 射線（熒光）。這些二次 X 射線具有樣品中存在的代表元素的特征能量（或特征波長(zhǎng)）。換句話(huà)說(shuō)，通過(guò)測(cè)量從樣品中發(fā)出的 X 射線的能量 Ei（或波長(zhǎng) li），我們可以判斷樣品中存在哪些元素。元素周期表中每種元素的特征能量都會(huì)充分記錄下來(lái)。例如，如果樣品中發(fā)出 7.7 keV X 射線光子，則表示存在鈷，如果發(fā)出 8.3 keV 光子，則表示存在鎳，依此類(lèi)推。

圖1 . 圖中顯示了 X 射線熒光法的基本原理，并嵌入到典型 XRF 光譜中

04丨EDXRF實(shí)測(cè)樣品結(jié)果

下表顯示了使用臺(tái)式 EDXRF 系統(tǒng)測(cè)定三個(gè) Inconel 718 樣品的平均成分與 ASTM F3055 中所述的合金標(biāo)稱(chēng)成分的比較^【1】。

圖2 使用EDXRF測(cè)定的Inconel718粉末的平均成分

結(jié)論

XRF用于金屬粉末的元素分析，具有無(wú)需復(fù)雜的樣品前處理，操作簡(jiǎn)單，無(wú)二次污染，低成本等優(yōu)勢(shì)，還可以快速獲得樣品中主量元素和痕量元素的準(zhǔn)確含量。為增材制造的粉末成分一致性控制，提供了更為便捷，準(zhǔn)確的檢測(cè)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]  ASTM F3055-14a, Standard Specification for Additive Manufacturing Nickel Alloy (UNS N07718) with Powder Bed Fusion, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014