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增材制造中如果金屬粉末成分不一致會(huì)造成哪些問題,，為了杜絕這些問題我們要如何快速、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)量此類樣品，無需進(jìn)行稀釋,。 

XRF 的其他優(yōu)點(diǎn)包括占地面積小,、操作簡單,、無需使用高純度氣體，而且對(duì)專業(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）。換句話說,，通過測(cè)量從樣品中發(fā)出的 X 射線的能量 Ei（或波長 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,。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,，具有無需復(fù)雜的樣品前處理,，操作簡單，無二次污染,，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