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创新光谱分析技术 助力高端合金精确制造——国家重大科学仪器设备开发专项“激光诱导等离子体光谱分析设备开发和应用”研发成果

2018-01-08

激光诱导等离子体光谱技术(Laser Induced Plasma Spectroscopy,LIPS)也称激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS),是基于激光和材料相互作用产生发射光谱的一种定量分析技术,采用激光烧蚀材料产生等离子体,对等离子体辐射的光谱进行成分分析,可用于对固体、液体和气体成分以及浓度的测量。此技术测试快速、无需预处理的非破坏测量,对痕量进行精确定量分析,高温、辐射等危险环境进行远程测量,实时性和快速性良好。因此LIPS技术近十年来倍受关注,被应用到工业控制、化学分析、环境检测、生物医学、太空应用和文物鉴定等诸多领域。

国家重大科学仪器设备开发专项“激光诱导等离子体光谱分析设备开发和应用”是将激光诱导等离子体光谱技术(LIPS技术)应用于特种高端合金冶炼的在线成分检测,实现冶金生产过程中产品质量监控“零”突破,多功能、全元素测量,精准实时控制合金成分。不仅有效缩短检测时间,提升产品品质和合格率,还能大大降低制造成本,节约能源,缩短生产流程,产生的直接经济效益可达上千万元。同时该技术具有重要的战略意义,为制造特种高端合金真空冶炼工艺提升提供了有力保障,打破了国际垄断技术壁垒,摆脱了高端合金的进口依赖,助力航空航天、“两机重大专项”“2025智能制造”等重大项目的实施。

一、项目简介

该项目由8家单位共同承担,中国科学院光电研究院为项目牵头单位,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学技术大学、长春工业大学、天津理工大学提供关键技术开发,北京国科世纪激光技术有限公司实现工程化,安泰科技股份有限公司、北京北冶功能材料有限公司为现场应用单位。目前,项目多项关键技术已经突破,进展到应用开发阶段。

项目总体目标:研制出具有自主知识产权的激光诱导等离子体光谱分析设备,实现LIPS 技术在冶金行业的生产应用,制定出针对激光诱导等离子体光谱分析设备研制的技术及产业化规范,形成批量生产能力。

仪器开发目标:对LIPS技术的相关理论及应用特性进行深入研究,针对高温冶炼的极端环境特征,掌握基于激光诱导光谱的钢水成分在线检测技术。

应用开发目标:针对真空感应炉和中频感应炉实现冶炼过程中的成分在线检测,为冶金行业提高生产效率,降低成本,实现自动化在线检测。

产业化目标:解决仪器的稳定性和批量化问题,进行产业化基地建设,形成明确的生产流程、生产规范和产品检验规范,进行应用推广和营销。

二、基本原理

激光诱导光源发射激光,由光学系统聚焦至样品(钢水)由中阶梯光栅光谱仪采集光谱,进行钢水成分标定,基本原理见图1。

激光诱导等离子体光谱分析设备由激光光源、激光导入系统、光谱收集及导出系统、分光系统光谱接收系统和控制及计算软件五部分构成,设备样机见图2。

项目主要目标是研制出基于激光诱导等离子体光谱技术(LIPS)的钢水成分在线检测系统,并进行冶炼现场的应用实验,实现对所有规定检测元素的实时在线检测,现场实验见图3。

三、项目意义

现有的高端特种合金冶炼过程中,由于无法进行在线成分分析,决定材料性能的关键元素成分仅能实现百分之几十至数倍范围内的精度控制。这使得生产出的合金一致性、稳定性差,严重影响了我国航天材料、航空发动机、精密加工等高端制造领域的材料水平。同时,生产过程中过多添加贵重稀有成分及烧损效应,导致生产成本高、能耗大、污染严重。

在国家重大科学仪器设备开发专项的支持下,中国科学院光电研究院研制出用于真空冶金生产的在线成分检测设备,率先实现了真空合金冶炼过程中的成分诊断,开拓了高端合金精确制造的新模式。

项目所研制的设备是对冶金传统制造技术的智能升级、绿色升级。通过将项目研发的设备引入真空合金生产工艺流程中,能够数十倍地提高成分控制精度,实现高端复杂合金生产过程中关键元素成分的精确配比,大幅提高合金批次一致性、稳定性,为我国高端制造领域的技术发展提供保障。同时,该项目所研制的设备能够起到节能减排、提质降本的效果。实验报道表明,设备的新技术能够对冶金生产起到降低能耗率2%5%,降低产品成本3%6%,单台冶炼炉年经济效益可达千万元。

在项目实施过程中,实现了全部核心技术及部件的国产化,衍生出紫外、大能量脉冲激光器、中阶梯光栅光谱仪、多通道光谱仪等核心部件的系列产品。