PMI là gì? So sánh 3 kỹ thuật PMI phổ biến LIBS, OES và XRF

Ủng phù hợp nhất khi sử dụng ở Sài Gòn vào mùa mưa, giày Nike tốt nhất trong phòng tập thể thao còn dép xỏ ngón hợp nhất khi bạn ở bãi biển.

PMI là gì?

Xác định vật liệu tích cực, nhận diện nhanh hợp kim hay PMI là việc nhận dạng và phân tích hóa học hợp kim khác nhau dựa trên các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy. Kiểm tra PMI có thể được tiến hành ngay tại chỗ hoặc trong phòng thí nghiệm.

Với các kỹ thuật Nhận dạng vật liệu tích cực, thành phần hợp kim và danh tính của vật liệu có thể được xác định một cách nhanh chóng. Nếu chứng chỉ vật liệu bị mất hoặc bạn cần chắc chắn về loại vật liệu được sử dụng, PMI là cách tiếp cận NDT khá phù hợp. Nhận dạng vật liệu tích cực đặc biệt được sử dụng cho các kim loại và hợp kim chất lượng cao như thép không gỉ và kim loại hợp kim cao.

Ba kỹ thuật PMI phổ biến bao gồm:

  • Quang phổ huỳnh quang tia X (XRF)
  • Quang phổ phát xạ Laser (LIBS)
  • Quang phổ phát xạ quang học (OES)

Hai trăm năm trước, người ta chỉ biết tới khoảng 12 kim loại khác nhau. Ngày nay, chúng ta biết đến 86 loại kim loại và rất nhiều các hợp kim và các loại thép. Khi nghiên cứu và phát triển, PMI giúp khách hàng lựa chọn đúng nguyên liệu cho ứng dụng. Trong sản xuất, PMI xác nhận nhanh các vật liệu đầu vào.

Lựa chọn kỹ thuật PMI phù hợp như thế nào?

Khi nào bạn nên sử dụng LIBS hay OES và XRF để kiểm tra PMI? Để chọn kỹ thuật kiểm tra PMI chính xác (LIBS so với OES so với XRF), hãy tự hỏi bản thân 4 câu hỏi sau:

  1. Bạn có thể cho phép để lại dấu trên mẫu thử không?
  2. Bạn cần xác định và đo lường những nguyên tố hoặc hợp kim nào?
  3. Bạn cần hoàn thành thử nghiệm nhanh đến mức nào nào và một ngày bạn cần làm bao nhiêu mẫu?
  4. Trách nhiệm an toàn có phải là mối quan tâm không?

Chúng ta sẽ giải đáp những câu hỏi này để bạn có thể xác định rõ hơn kỹ thuật kiểm tra PMI nào nên sử dụng. Nhưng trước tiên, hãy xem lại cách LIBS, OES và XRF hoạt động.

Tổng quan về XRF cầm tay

Huỳnh quang tia X, hoặc XRF, là một kỹ thuật PMI được sử dụng rộng rãi. Công nghệ XRF đã có hơn 70 năm và có cả thiết bị cầm tay hay để bàn tương đối nhỏ gọn.

Công nghệ XRF sử dụng chùm tia X để kích thích các nguyên tử trong mẫu kim loại. Tia X thứ cấp được tạo ra từ các nguyên tử khi bị kích thích và bước sóng của tia X thứ cấp đặc trưng cho thành phần nguyên tố của kim loại.

Sau đó, cảm biến nhận dạng chùm tia X thứ cấp và được máy phân tích xử lý. Tiếp theo, kết quả của máy phân tích được so sánh với thư viện mác kim loại và nhận diện hợp kim được cung cấp dựa trên tỷ lệ thành phần hóa học.

Ưu điểm của việc sử dụng XRF cho PMI

  • XRF là kỹ thuật không phá hủy (không có dấu vết trên mẫu).
  • XRF cầm tay rất cơ động.
  • Linh hoạt với nhiều ứng dụng và chế độ kiểm tra.
  • XRF nhạy hơn với hàm lượng nguyên tố tối thiểu thấp hơn so với các kỹ thuật PMI khác (với nguyên tử khối lớn hơn 22).
  • Phần mềm đi kèm với thiết bị XRF rất dễ sử dụng.
  • Tốc độ phân tích nhanh từ 2-5s
  • Là kỹ thuật đã được sử dụng rộng rãi và cho kết quả tin cậy.
  • Bề mặt phân tích rộng (7 tới 50mm²)
  • Phân tích và phát hiện tốt các nguyên tố Tramp nên rất phù hợp cho các ứng dụng QA/QC.

Nhược điểm của việc sử dụng XRF cho PMI

  • Sử dụng bức xạ có thể rất có hại nếu không có biện pháp phòng ngừa.
  • Yêu cầu đăng ký thiết bị XRF khi sử dụng bức xạ nguy hiểm.
  • XRF cầm tay có xu hướng dễ hỏng hơn và tốn kém để sửa chữa khi hỏng cảm biến ($ 7k- $ 10k).
  • XRF cầm tay không thể kiểm tra các nguyên tố nhẹ như lithium, berili và carbon.
  • XRF có thể khó khăn khi kiểm tra các nguyên tố nhẹ như magiê, nhôm và silic.

Tổng quan về OES

OES, hay quang phổ phát xạ quang học , có hai dạng:

  • OES tia lửa truyền thống
  • LIBS laser OES

Vào những năm 1960, các phòng thí nghiệm sản xuất kim loại đã phát triển từ sử dụng ngọn lửa sang sử dụng tia lửa để kiểm tra PMI. Và, mặc dù còn nhiều hạn chế, nhưng những tiến bộ trong công nghệ đã sử dụng tia laser thay thế tia lửa.

Nguyên lý hoạt động của spark OES truyền thống

Hệ thống OES tia lửa truyền thống sử dụng nguồn điện để kích thích các nguyên tử trong mẫu. Ánh sáng mà mẫu phát ra sau đó tương ứng với thành phần nguyên tố của nó.

Cường độ bước sóng của ánh sáng được thu nhận bởi một cảm biến và đo bằng hệ thống máy tính. Cuối cùng, phần mềm sử dụng thông tin từ cảm biến để xác định cường độ của từng nguyên tố nhằm cung cấp đầy đủ thông tin về thành phần hóa học của mẫu.

Ưu điểm của spark OES truyền thống

  • Là một kỹ thuật PMI đáng tin cậy để xác định các nguyên tố bao gồm cacbon, bo, phốt pho, lưu huỳnh và nitơ.
  • Phương pháp cung cấp đầy đủ thành phần hóa học và thành phần nguyên tố của mẫu kim loại.
  • Hệ thống Spark OES được sử dụng rộng rãi.

Nhược điểm spark OES truyền thống

  • Kiểm tra kim loại mất nhiều thời gian.
  • Thiết bị EOS tia lửa điện di động nặng khoảng 10kg khiến nó cồng kềnh và khó di chuyển.
  • Có những nguy cơ tiềm ẩn về an toàn khi di chuyển OES tia lửa truyền thống.
  • Việc khôi phục lại bình chứa khí argon có độ tinh khiết cao khá tốn công sức và cần được thực hiện thường xuyên.
  • Tính ổn định của các hệ thống OES tia lửa rất dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường sử dụng.
  • Hệ thống Spark OES cần thời gian để thích nghi với môi trường mới.
  • Chuẩn bị mẫu cho spark OES rất khó khăn.
  • Điện cực cần được bảo dưỡng thường xuyên.
  • Không sử dụng được trên mẫu kích thước nhỏ vì kích thước của vị trí cần đốt.
  • Quá trình hiệu chuẩn lại và tiêu chuẩn hóa kéo dài và là quá trình bắt buộc cần thực hiện để có kết quả đo chính xác.

Nguyên lý hoạt động của LIBS laser OES

LIBS laser OES sử dụng xung laser năng lượng cao để sạc kích thích các nguyên tử trong mẫu. Ánh sáng plasma được phát ra sau đó cho thấy các dấu hiệu quang phổ của các nguyên tố trong mẫu.

Tương tự như spark OES, laser OES cung cấp một hệ thống phần mềm máy tính với dữ liệu cường độ ánh sáng. Do đó, hệ thống giúp người dùng hiểu thành phần nguyên tố của mẫu dễ dàng hơn.

Ưu điểm của LIBS laser OES cho PMI

  • Có thể thực hiện 10 phép đo mỗi phút và 300-600 phép đo mỗi giờ.
  • Thiết bị này có trọng lượng khoảng 5kg bao gồm cả bình chứa argon, vì vậy việc xử lý và vận chuyển dễ hơn.
  • Không có nguy cơ an toàn khi vận chuyển hệ thống OES laser.
  • Chỉ yêu cầu một chai argon nhẹ và có thể sử dụng cho khoảng 1.000 phép đo.
  • Có thể hoạt động bằng pin.
  • Không cần thời gian để điều chỉnh khi môi trường thay đổi.
  • Không sử dụng điện áp cao hoặc nhiệt độ cao nguy hiểm để kiểm tra.
  • Cần thời gian chuẩn bị mẫu ngắn hơn.
  • Hệ thống Laser OES không có điện cực yêu cầu bảo trì hoặc thay thế thường xuyên.
  •  Laser OES microspot có thể kiểm tra các mẫu nhỏ như đai ốc và bu lông.
  •  Có thể hiệu chuẩn lại bằng cách sử dụng một mẫu chuẩn trong vài giây.

Nhược điểm của laser OES cho PMI

Có một số hạn chế khi quyết định sử dụng laser OES cho PMI:

  • Chưa được phổ biến rộng rãi.
  • Đó là một công nghệ tương đối mới với các hạn chế về ứng dụng và độ nhạy khác nhau cho các nguyên tố khác nhau.
  • Giá thành đắt.

Tổng quan về LIBS cầm tay

LIBS (hay còn gọi là laser-induced breakdown spectroscopy) được sử dụng từ cách đây 50 năm, nhưng công nghệ cầm tay LIBS mới chỉ xuất hiện trong vài năm gần đây.

Những tiến bộ trong công nghệ đã làm cho tia laser có kích thước nhỏ trong khi vẫn duy trì hiệu suất cao. Vì vậy, thay vì hệ thống LIBS để bàn, các nhà sản xuất có thể cung cấp các thiết bị LIBS di động hơn.

Nguyên lý hoạt động của LIBS

Công nghệ LIBS sử dụng một nguồn laser để làm bốc hơi vật liệu mẫu, trong quá trình này, các nguyên tử bên trong vật liệu bị kích thích dẫn đến một nguồn sáng đặc trưng được phát ra bởi các nguyên tố trong vật liệu. Cảm biến nhận dạng các dấu hiệu ánh sáng và chuyển dữ liệu đến máy phân tích. Máy phân tích xác định tính chất hóa học và cấu tạo của kim loại. Cuối cùng, máy phân tích so sánh phần trăm nguyên tố, hóa học và thành phần với thư viện cấp để xác nhận nhanh hợp kim.

Ưu điểm của LIBS cầm tay cho PMI

  • Có thể kiểm tra một mẫu trong vòng 1-3 giây.
  • Không sử dụng bức xạ hay phóng xạ.
  • Thời gian kiểm tra không phụ thuộc vào loại hợp kim.
  • Chi phí không cao.
  • Là một phương pháp tương đối chắc chắn.

Nhược điểm của LIBS cầm tay cho PMI

  • Cần tiếp xúc hoàn hảo với mẫu nên hạn chế khi kiểm tra ngoài công trường hay kiểm tra nhanh các chi tiết.
  • Bề mặt của mẫu phải hoàn toàn sạch.
  • Không có bất kỳ rỉ sét, ăn mòn hoặc lớp phủ nào trên mẫu.
  • LIBS cầm tay gặp khó khăn với các kim loại nặng, đặc biệt là W.
  • Cần quá trình chuẩn bị mẫu phù hợp.
  • Không phù hợp để phân tích khi có nhiều nguyên tố TRACE và TRAMP.
  • Không thể định lượng C ở mức 200-300ppm
  • LOD cao cho S, P, làm cho việc nhận diện các hợp kim thép không gỉ (SS 303, SS 416) và các hợp kim đồng phosphor (Đồng điếu phosphor: hay gặp trong các chi tiết cơ khí như lò xo, nhíp, bu lông) kém hiệu quả.
  • Độ chính xác kém hơn so với XRF ở các nguyên tố nặng.
  • Khu vực phân tích nhỏ nên cần kiểm tra nhiều điểm để có kết quả tương đồng với các phương pháp khác.
  • Là phương pháp phá hủy và để lại vết trên mẫu.

Tramp hay Trace – Cái nào có thể là vấn đề khi phân tích PMI?

Thuật ngữ “TRAMP – lang thang” và “TRACE – vết” trong PMI không phải lúc nào cũng có thể được sử dụng thay thế cho nhau.

Tramp mô tả một hoặc nhiều nguyên tố không được “chỉ định” trong mác hợp kim, nhưng một lượng (TRAMP – lang thang) có thể chấp nhận được có thể có mặt mà không có bất kỳ ảnh hưởng bất lợi nào đến tính năng của hợp kim. Ví dụ: Thép không gỉ 304 có thể chứa tới 0,3% đồng lang thang, nhưng nếu lượng đồng ở mức trên giá trị đó, nó có thể làm cho vật liệu trở nên giòn hơn và không được chấp nhận.

Sử dụng mô tả nguyên tố “vết” TRACE được định nghĩa là là một lượng nhỏ nguyên tố cần xuất hiện trong đặc điểm kỹ thuật của hợp kim, và nó ở đó vì một lý do cụ thể. Ví dụ: Một lượng nhỏ Zirconium (Zr) được chỉ định trong hợp kim nhôm 7050 giúp phân biệt và làm nó khác với nhôm 7075. Zr hiện diện (0,08 – 0,115%) trong 7050 để giảm khả năng dễ bị ăn mòn do ứng suất.

Các câu hỏi khi lựa chọn kỹ thuật kiểm tra PMI

1. Có thể lưu vết trên mẫu sau khi kiểm tra không?

Nếu câu trả lời là KHÔNG, bạn cần chọn XRF. Vì kỹ thuật này sử dụng tia X để kiểm tra, nên nó là kỹ thuật không phá hủy duy nhất.

Ngoài ra, XRF có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng, đo chiều dày lớp mạ hay lớp phủ và thiết bị XRF cầm tay cho phép bạn kiểm tra cả lớp phủ mỏng cũng như vật liệu nền.

Nếu câu trả lời là CÓ, có thể cân nhắc sử dụng máy phân tích dựa trên tia laser khi ứng dụng phù hợp.

2. Bạn cần xác định và đo những nguyên tố hoặc hợp kim nào?

  • Nếu cần xác nhạn hàm lượng carbon , bạn cần chọn LIBS hoặc OES.
  • Đối với thép cấp L và cấp H với cacbon <800 ppm, bạn sẽ cần OES
  • Để đo bo, phốt pho, lưu huỳnh và nitơ , bạn sẽ muốn OES.
  • Để đo vật liệu với nhiều nguyên tố kim loại nặng, Vonfram, bạn sẽ cần XRF.
  • Để phân loại nhôm, có thể cân nhắc LIBS.

3. Tốc độ và số lượng mẫu và loại mẫu cần kiểm tra?

LIBS có tốc độ kiểm tra nhanh nhất, tuy nhiên diện tích kiểm tra nhỏ và việc cần chuẩn bị bề mặt sẽ làm giảm hiệu quả thực tế khi gặp các vật liệu không đồng nhất.

XRF là kỹ thuật nhanh tương đương với LIBS và có ưu thế hơn khi có bề mặt kiểm tra rộng.

4. Yêu cầu về an toàn

Dù sử dụng phương pháp nào thì người thực hiện cung cần được đào tạo đúng cách. Mặc dù LIBS không sử dụng bức xạ nguy hiểm nào như XRF, nhưng người dùng cũng phải phải hiểu đầy đủ về cách hoạt động để đảm bảo an toàn.

Sử dụng thiết bị XRF có thể cần thực hiện các thủ tục giấy phép làm việc liên quan đến phóng xạ.

Bảng lựa chọn nhanh giữa LIBS, OES và XRF

Tham khảo bảng dưới đây để có cái nhìn chi tiết hơn về LIBS, OES và XRF:

 LIBSOESXRF
Vết trên bề mặt kiểm traCó (vết nhỏ)Không
Các nguyên tố kiểm tra tốtLithium, Beryllium, Magnesium, Aluminum, SiliconCarbon, Boron, Phosphorus, Nitrogen, SulfurHầu hết các nguyên tố, đặc biệt là các nguyên tố nặng
Ứng dụngKiểm tra phân loại nhanh hợp kim nhẹ, hợp kim nhôm.Trong phòng thí nghiệm.Phân loại thép không gỉ cần độ chính xác tốt.
Tốc độ1-3 giâyLaser: 10 tests/phút
Spark: Chậm nhất
3-20 giây
Phóng xạ?KhôngKhông
Chi phí ban đầu$20k-$40k$40k-$60k$15k-$35k
Chi phí bảo trìBảo trì tối thiểu
Khá bền
Laser: Bảo trì ở mức trung bình
Spark: Cần bảo trì thường xuyên, chi phí sửa chữa đắt tiền
Hầu như không cần bảo trì
Chi phí sửa chữa đắt tiền
Bảng so sánh nhanh các phương pháp PMI

Kết luận về các phương pháp PMI

Bài học kinh nghiệm chính hy vọng bạn sẽ rút ra khi đọc bài viết này là “làm bài tập về nhà” khi chọn kỹ thuật kiểm tra PMI tốt nhất cho công việc của mình.

Có ưu và nhược điểm của từng kỹ thuật PMI này, và tùy thuộc vào bạn để hiểu chi tiết của ứng dụng của mình và xác định các tính năng cần thiết trong một hệ thống PMI.

Và, như mọi khi, hãy tiếp tục biến thiết bị thành một công cụ phục vụ công việc của bạn!

Thiết bị XRF sử dụng trong PMI

Trả lời