Экспресс анализ износостойких покрытий с помощью спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы

Создание новых износостойких покрытий с помощью аддитивных технологий (3D принтеры) находит все большее применение в различных отраслях промышленности (бурение скважин, обработка металлических изделий). Это связано с возможностью контроля геометрической формы и управлением элементным составом покрытия. При создании износостойких покрытий применяют карбид вольфрама, распределение которого в материале может оказывать сильное влияние на механические свойства объекта. Картирование элементного состава в полученном покрытии требует применения методов локального химического анализа.

Спектрометрия лазерно-индуцированной плазмы позволяет проводить количественный многоэлементный анализ с пространственным разрешением до 10 мкм. При фокусировании мощного импульсного лазерного излучения на поверхность мишени материал плавится, испаряется, и образуется лазерная плазма (T ~10000 K). Метод является квазинеразрушающим, так как за один лазерный импульс испаряется масса около 10 нанограмм. В плазме происходит атомизация пробы и возбуждение оптических эмиссионных спектров атомов и ионов. По положению линии в спектре проводят качественный анализ, а по интенсивности линии – количественный.

Для образцов износостойких покрытий на основе карбида вольфрама зарегистрированы и интерпретированы спектры лазерной плазмы в диапазоне от 250 до 800 нм. Выбраны спектральные линии для основных элементов износостойкого покрытия (углерод, бор, вольфрам, никель) и стальной подложки. Проведена оптимизация момента регистрации спектров для элементов с различной энергией возбуждения. Обнаружено снижение концентрации углерода и вольфрама в поверхностном слое 0.5 мм, при этом вдоль направления нанесения износостойкого покрытия сохраняется равномерное распределение элементного состава. В то же время выявлена тенденция к снижению концентрации вольфрама в верхнем слое покрытия толщиной 0.5 мм.

Научный руководитель - к.ф.-м.н. В.Н. Леднев