双束脉冲激光诱导等离子体光谱诊断技术快速探测大尺寸特种钢材中稀有金属的痕量分布

稀有金属在特种钢材中浓度含量及分布均匀程度是影响其整体力学性能的首要因素，实现大尺寸（厘米量级以上）范围内稀有金属的快速化、高效率痕量探测已成为特种钢材研发及生产中迫切需要解决的关键技术问题。本申请课题采用双束脉冲激光烧蚀特种钢材，以钛、钨、钒稀有金属的特征谱线作为分析对象，理论与实验紧密结合，深入探究双束脉冲激光作用下谱线演化特性及物理机制。通过研究谱线参数与微量元素浓度的线性变化规律，力求挖掘两者之间深层的内在联系，绘制痕量探测的内标图并加以修正。通过单点位置探测和逐行扫描完成三种元素在大尺寸范围内痕量探测。本课题的设计思路充分彰显了光谱诊断技术的大面积快速扫描分析优势，而且克服了只通过一次烧蚀使得稀有金属难以电离的难题。预期研究成果将会指引后续研究中尝试多束激光烧蚀技术探测更大尺寸内微量元素，不仅适用于特种钢材的痕量探测，更有望为其他领域中微量元素分析开辟新思路，提供理论和实验依据。

合金中稀有金属的快速化、高效率痕量探测已成为特种钢材研发及生产中迫切需要解决的关键技术问题。本项目主要采用双束脉冲激光烧蚀特种钢材诱导等离子体光谱分析技术，系统探索了钛、铬、钨、钒等稀有金属特征谱线的演化特性及物理机制。综合考虑激光波长等参数，我们主要研究了单、双束脉冲激光对烧蚀合金靶材诱导等离子体中Ti离子350.49nm和351.08nm特征谱线的影响情况。以350.49nm特征谱线为例，单束激光波长1064nm变化到532nm谱线峰值强度从2118a.u增加到5161a.u，当采用532nm的双束激光（双束间隔为300ns）峰值强度增加到32279a.u，约是单束1064nm作用下的15.2倍，是单束532nm作用下的6.2倍。实验结果得知：短波长的双束脉冲激光在1Pa左右低真空环境中确实能够极大地提高稀有金属的电离效率，可以获得高强度特征谱线。我们还分析了双束激光之间的延迟时间对特征谱线峰值强度的影响情况。当532nm波长入射激光功率密度设定在16GW/cm2时，尽管选取的元素及谱线不同，但同样在双束延迟时间300ns条件下元素的特征谱线强度最大。随着入射激光功率密度增加，最佳延迟时间也呈现递增趋势。我们进而分析谱线强度与元素浓度的变化规律。例如，选取10块已知Cr浓度的样品为0.14%~24.91%，烧蚀后对应的Cr原子412.65nm特征谱线峰值强度依次增加，线性拟合较好。利用所制得元素内标图，双束激光烧蚀三块未知Cr元素浓度样品后测得Cr(I)412.65nm特征谱线强度分别为8458 a.u、12002 a.u和31205a.u，计算样品中Cr浓度依次为1.719%、3.25%和11.34%。最终，通过单点位置探测和逐行扫描完成在大尺寸范围内稀有金属痕量探测。此外，我们还发现多次烧蚀过程中，烧蚀损伤区域对后续激光诱导等离子体特征谱线有额外的增强效应，为深入掌握该现象的内在机理，将烧蚀靶材扩展到Zn、SiC、TiAl等材料，对烧蚀损伤微结构进行较为全面探索，通过烧蚀区域中微纳米结构的系统分析为激光束与合金相互作用提供了新的理解方式。本项目的顺利完成不仅实现了合金中稀有金属的痕量探测，深入探讨了激光与金属材料多次相互作用的内在机理，更有望为激光诱导等离子体光谱分析技术的广泛应用奠定基础，而且还为激光烧蚀制备多形态微纳米结构提供有价值的理论和实验依据。