激光等离子体（精选9篇）
激光等离子体 篇1
随着激光技术的发展,激光诱导产生的等离子体长期以来都是研究激光与物质相互作用的重要课题,并且是一些重要技术的应用基础[1,2,3]。激光与物质的相互作用是一系列的非线性过程,与许多因素密切相关,相互作用的结果不仅依赖于激光的参数,而且与物质的光电特性密不可分[4,5]。文中通过改变激光的能量对Cu等离子体发射光谱的展宽机制进行了研究。
1 等离子体发射光谱的展宽机制
根据波尔(Bohr)频率条件和能级的不连续性,电子在原子能级之间的跃迁产生的电磁辐射,谱线的能量应该是单一的。事实上,谱线并非单一频率,而是具有一定的频率范围,即谱线具有一定的宽度。谱线的轮廓是指谱线的强度按频率的分布值,习惯上把谱线强度峰值的一半处的宽度,即半宽度(FWHM),称为谱线宽度。谱线的宽度与原子结构及光源的温度、场强有关,对于理解原子光谱分析中谱线之间关系的机理是必要的。
谱线线型是研究等离子体的一种重要信息源,就激光诱导等离子体原子发射谱线而言,主要有Lorenz线型和Gauss线型。而谱线展宽是多种物理过程共同作用的结果,最重要的两种展宽机制为Stark展宽和Doppler展宽。
在光学中,由于发光原子相对于检测仪器运动而产生的一种光波频移现象称为Doppler效应。对光源中处于无规则运动状态的大量同类原子的辐射而言,向各个方向以不同速度运动,即使每个原子发射的光的频率相同,检测器接收的光波之间的频率也会有一定差异,从而引起谱线展宽,即多普勒展宽。当发光原子相对于探测器飞来时,则光波频率高于中心频率,即发生兰移;当发光原子相对于探测器远离时,则光波频率低于中心频率,即发生红移。在热平衡下,气体分子的速度分布服从Maxwell分布,通过计算得到Doppler展宽为:
其中,T是绝对温度(单位是K);m是辐射原子的质量(单位是kg);kB是Boltzman常数(单位是JK-1)。为了计算方便,常用原子量M代替质量m ,由M = NAm ,NA是Avogadro常数(单位是mol-1)。这样,展宽可以简化成如下公式
可见,温度愈高,元素原子量愈小,谱线波长愈长时,Doppler展宽愈显著。计算表明,Doppler线型函数属于Gauss线型[6]。
其线型为
其中,m为粒子质量;T为温度;c为真空中光速;k为Boltzman常数。
在激光诱导等离子体中,每个发射原子都要受到周围离子或电子的电场作用。这种相互作用力将对发射原子产生干扰,不仅使谱线轮廓变宽,而且还会使谱线中心移动,这种展宽称为Stark展宽。Stark展宽产生的半高全宽和谱线中心移动(以m为单位)分别是
其中,ne(m-3)是等离子体中的电子密度;ω(m) 是电子碰撞参数;d/ω是线移与宽度的比值,是离子增宽参数。
其线型为
其中,Δλshift为电子碰撞所带来的位移;Δλ1 2为谱线的半高全宽;A0为连续谱的强度;A为谱线的强度;λ0为未碰撞过的原子谱线的中心波长。Stark效应的线型函数是Lorentz线型。
2 实验装置
实验中所建立的实验装置如图1所示。
其中,激光器为Nd:YAG(neodymium-doped yttrium aluminium garnet)激光器,是一种固体激光器,可产生脉冲或连续式的激光,发射的激光波长为1 064 nm;函数信号发生器产生的10 Hz的TTL方波信号用来触发双通道型光谱仪(Ava Spec- 2048FT),光谱仪则把每个方波的上升沿作为该次测量的计时起点,并回应一个同频率的、脉宽为10 μs的窄脉冲信号来触发Nd:YAG激光器;激光器出射的激光经过镀铝反射镜反射后其方向由水平改为竖直,再经过焦距为100 mm的凸透镜聚焦后入射到样品表面,在聚焦部位激发形成等离子体;与水平方向成45°的微型聚焦系统将等离子体的部分辐射光汇聚至全硅光纤内并传至光谱仪中;光谱仪进行分光后投射到阵列CCD上,CCD按预设的延迟时间及积分时间对光谱进行探测,所测光谱数据通过USB线传送至计算机进行处理。其中,在激光出射光路中的反射镜和聚焦透镜间放置了分光镜和焦耳计以便实时监测激光脉冲能量;盛装样品的、内径为40 mm的铝制样品池置于由步进电机驱动的转台上。实验中设置光谱仪的延迟时间为200 ns,积分时间为20 ms,实验样品为标准Cu样品。
3 实验结果及分析
实验时,设置激光的能量分别为119.1、154.6、201.7、256.2 m J⋅ Pulse-1,对Cu样品进行冲击,每次测试100 组数据,步进转台的转速为10 Hz。实验结束后,其光谱图如图2所示。
由图2可见,在500 nm左右,有几条强度比较大的分立谱线,CuⅠ521.8、515.3、510.5 nm三条光谱如图3所示。
选取CuⅠ510.5 nm、521.8 nm处的特征谱线作为研究对象,图4a和图4b分别为其对应不同激光能量的光谱分布曲线。图4a是不同激光能量在CuⅠ510.5 nm左右0.5 nm范围内所对应的激光光谱图,波峰对应的能量值就是其强度。图4b为对应CuⅠ521.8 nm左右1 nm范围内的光谱图。从图中可以看出,图4a近似符合Lorenz线型,图4b近似符合Gauss线型。 由于CuⅠ521.8 nm处对应的光谱强度最高,则在该波段处铜原子跃迁几率最大,发射出光子最强,在激光冲击等离子体产生的高温条件下,此处的展宽为Stark展宽,所以,呈Lorenz线型。对于CuⅠ510.5 nm处,由于该处电子跃迁能级活跃性较差,所以得到的光谱强度比较弱,该处Dopper展宽占主要方面,因此,该处呈现Lorenz线型。
4 结论
阐述了等离子体发射光谱的展宽机制,利用Nd:YAG脉冲激光器烧蚀纯铜样品,并且改变激光能量,获得不同能量下的特征谱线。通过用线型公式对CuⅠ521.8 nm的原子光谱和CuⅠ510.5 nm的原子光谱的线型分析发现,对于铜原子,不同波段对应谱线的展宽机制不同,并且随着激光能量的增加,谱线的强度和半宽高逐渐增大,但谱线峰值处的波长没有变化。
激光等离子体 篇2
激光等离子体效应对硅表面损伤特征的影响
摘要：硅材料作为光电探测器的基础材料,研究其在强激光辐照下的损伤问题在激光探测、国防领域很有意义.对高强度纳秒激光作用下硅表面的损伤形貌特征进行了研究,结果表明:激光等离子体的热效应及冲击波效应,使激光作用区域内的物质迅速向外飞溅,形成点坑,并在点坑周围形成辐射状冷却物；散射光与入射激光干涉产生形成周期性分布的热应力使得硅材料表面张力发生变化,冷却后会在坑底表面产生周期性结构；从激光等离子体的光谱中可以发现N,O和si的特征光谱,在重复激光脉冲作用下会在硅表面上覆盖一层导致色变的SiOx和SiNx复合薄膜,是激光等离子体的.喷射产物. 作者： 范卫星[1] 韩敬华[2] 李海波[3] 杨李茗[3] 冯国英[2] 高翔[2] 刘岩岩[2] 包凌东[2] 黄永忠[2] Author： FAN Wei-xing[1] HAN Jing-hua[2] LI Hai-bo[3] YANG Li-ming[3] FENG Guo-ying[2] GAO Xiang[2] LIU Yan-yan[2] BAO Ling-dong[2] HUANG Yong-zhong[2] 作者单位： 四川大学电子信息学院,四川成都610064;奥普镀膜技术(广州)有限公司,广东广州510730四川大学电子信息学院,四川成都,610064成都精密光学工程研究中心,四川成都,610041 期 刊： 光谱学与光谱分析 ISTICEISCIPKU Journal： Spectroscopy and Spectral Analysis 年，卷(期)： , 31(12) 分类号： O539 关键词： 激光等离子体 多晶硅 激光诱导损伤 周期性结构 机标分类号： TP2 TN7 机标关键词： 激光等离子体 体效应 硅表面 损伤特征 Silicon Surface Laser Plasma 激光作用 周期性结构 硅材料 强激光辐照 光电探测器 冲击波效应 作用区域 形貌特征 特征光谱 脉冲作用 冷却 激光探测 激光干涉 基础材料 基金项目： 国家自然科学基金重大项目，国家自然学基金委员会-中国工程物理研究院联合基金，四川大学青年教师科研启动基金 激光等离子体效应对硅表面损伤特征的影响[期刊论文] 光谱学与光谱分析 --2011, 31(12)范卫星 韩敬华 李海波 杨李茗 冯国英 高翔 刘岩岩 包凌东 黄永忠硅材料作为光电探测器的基础材料,研究其在强激光辐照下的损伤问题在激光探测、国防领域很有意义.对高强度纳秒激光作用下硅表面的损伤形貌特征进行了研究,结果表明:激光等离子体的热效应及冲击波效应,使激光作用区域内的...激光等离子体 篇3
【关键词】经尿道钬激光碎石术；等离子电切术；前列腺增生合并膀胱结石
【中图分类号】R-1 【文献标识码】A 【文章编号】1671-8801（2016）03-0153-01
前列腺增生在泌尿外科当中属于较为常见的疾病类型，并且患有该症的患者很容易合并膀胱结石症状，从而直接给患者的家庭，乃至正常生活带来巨大的阻碍和困扰[1]。因此，现在大多向着微创手术方面转型。本组研究抽取于2012年6月-2015年7月我院收治的144例前列腺增生合并膀胱结石患者作为主要研究对象，现将报告如下：
1资料与方法
1.1临床资料
本组研究抽取于2012年6月-2015年7月我院收治的144例前列腺增生合并膀胱结石患者作为主要研究对象，所有患者均经过临床检查诊断，符合相应诊断标准。采取随机数字表法将所有患者划分为观察组和对照组，两组各72例。观察组患者年龄在56-80岁间，平均年龄为（64.3±4.2）岁，其中48例单发性，24例双发性。对照组患者年龄在59-80岁间，平均年龄为（64.5±5.4）岁。有50例单发性，26例多发性。两组患者在年龄、疾病类型等一般资料方面差异不明显（P>0.05），具有可比性。
1.2方法
术前两组患者均给予硬膜外麻醉，并取截石位，之后两组患者采取不同的手术方式加以治疗：（1）对照组患者采取经尿道前列腺等离子电切术于气压弹道碎石术进行治疗。具体选用最新的等离子电切镜，经患者尿道置入膀胱当中，使用生理盐水进行冲洗，然后探查患者膀胱当中的结石情况[2]。也可取气压弹道碎石杆，经输尿管镜或膀胱镜碎石通道置入后行气压弹道碎石术，以此实现击碎结石的目的。（2）采取本院最新等离子电切镜置入患者膀胱当中，然后使用生理盐水进行持续冲洗，并且做好对患者膀胱内解释情况的检查工作。了解情况后，采用钬激光光纤通过等离子电切镜碎石通道进入安置，并以此来将患者结石击碎，然后采用等离子电切镜鞘和冲洗器直接将患者结石洗干净并取出。最后再次使用电切镜查探患者前列腺增生的情况，切除增生后即可吸出碎组织，并留置导尿管。
1.3观察指标
对两组患者的手术时间、置管时间、住院时间、术中出血量以及残余尿量等多种指标进行统计记录，由此对比两组患者的临床治疗疗效。
1.4统计学分析
上述两组患儿数据采用 SPSS18.0 统计软件包进行统计学处理。计量资料以均数±标准差（χ±s）表示，组间比较采用 t 检验，以P<0.05 为有统计学意义。
2结果
经治疗，观察组患者的术中出血量、残余尿量以及直观世界和住院时间等各项临床指标参数均明显优于对照组，组间对比差异明显（P<0.05），有统计学意义。如下表1所示：
3讨论
前列腺增生在我国临床泌尿疾病当中具有较高的发生率，并且该症很容易合并膀胱结石，由此严重影响患者的身心健康及生活质量。目前对于该症的治疗，在临床当中更多都是选择手术的方式来治疗，近几年微创技术获得良好的发展，发展至今已经趋向于成熟，开始在临床治疗当中获得广泛的运用[3]。
我院由此推出经尿道钬激光碎石术联合等离子前列腺电切术治疗的方案，该治疗方式于1995年首次试验治疗成功，经过20多年的临床实践，如今直接成为腔内碎石的有效方式。这主要是由于钛激光是一种稀有元素HO所激发产生的脉冲红外线高能激光类型，其能够通过软光纤实现传送，从而粉碎多种解释，具有损伤小、不出血、视野清晰及碎石速度快等多种优势特点[4-5]。
本组抽取于2012年6月-2015年7月我院收治的144例前列腺增生合并膀胱结石患者作为主要研究对象，并随机将所有患者划分为观察组和对照组，两组各72例。两组患者分别采用采用经尿道钬激光碎石术联合等离子电切术和经尿道前列腺等离子电切与气压弹道碎石术进行治疗，以此对比两组患者的临床治疗疗效。结果表明：观察组患者的术中出血量、残余尿量以及直观世界和住院时间等各项临床指标参数均明显优于对照组，组间对比差异明显（P<0.05），有统计学意义。
综上所述，采用经尿道钬激光碎石术联合等离子电切术治疗前列腺增生合并膀胱结石的临床疗效非常显著，对患者造成的创伤小、出血量少，康复时间短。因此，值得在临床中应用及推广。
参考文献：
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激光等离子体 篇4
研究极快脉冲激光与物质的相互作用机理,对提高微细加工的效率和加工精度以及激光损伤最小化等方面具有重要意义。自脉冲激光问世以来,其峰值功率已经提高了十几个数量级,同时,脉冲宽度达到了飞秒量级。如此高功率、脉宽超短的激光与物质相互作用的研究成为近年来应用物理、微细加工、薄膜处理、生物工程等领域的研究前沿。在微细加工领域,超短脉冲激光具有加工精度高、对材料的热损伤小、可实现对材料层层烧蚀及加工尺度可突破衍射极限的优点[1],现已成为各国研究者的热点研究对象。但大多是研究长脉冲激光与物质的相互作用,所得出的结论也只适用于皮秒与纳秒尺度,而在飞秒尺度内,这些模型不再适用。在自由电子运动的速率方程基础上,考虑了等离子体吸收效应对激光光强的影响,研究了飞秒脉冲激光对绝缘材料二氧化硅的烧蚀机理,所预测的理论烧蚀阈值与实验结果相吻合。
1 理论模型
1.1 光致损伤的速率方程
极快脉冲激光与材料相互作用时,若光强足够强,则材料在光致损伤过程中通过吸收光能激发电子而形成一薄层等离子体,密度在1018～1020e/cm3量级[2,3,4],该等离子体主要通过两种机理——雪崩电离和多光子电离产生。一般情况下,该两种电离机理是一个相互竞争的过程,没有严格的界线来区分。在长脉宽的情况下,雪崩电离是主要的电离机理,而在超短脉冲情况下则是多光子电离占主导。自由电子数密度逐渐增长,最终会达到某临界值,此时,材料的表层形成等离子体,约几个纳米厚度[5]。等离子体吸收激光能量使进入材料的光强衰减,光强低于一定的值,即不能继续剥离束缚电子,此所谓分布屏蔽效应[6]。等离子体继续吸收能量后将导致库仑爆炸及热熔化、非热相变等现象,从而使材料表皮层发生剥离,最终在材料表面形成烧蚀痕迹。
为了计算发生烧蚀所需要的激光能流密度,必须求出导带中自由电子数密度随时间的演化规律,此规律可用速率方程来描述,其形式为:
ρ为自由电子数密度,等号右边的前两项为产生自由电子的多光子电离和碰撞电离机制,后两项为自由电子的损失,即由于扩散而逃离激光焦点区域和自由电子——空穴重新结合成中性粒子的部分,在飞秒激光辐射时,由于扩散发生在几十到几百皮秒的范围,自由电子与空穴的重结合则需要更长的纳秒量级的时间,故该两项在飞秒时间尺度内对电子数密度影响很小,可以忽略,式(1)简化为:
初始条件为: ρ(-∞)=0 (3)
自由电子在等离子体中的动力特性严格来说应该用Fokker—Planck方程来描述,但是,Stuart[2]等人已经证明过,对于脉宽在数十皮秒以下的范围内,两种模型所得的结果对于绝缘材料来说是完全一致的。因此,我们采用形式上更为简洁的速率方程模型。式(3)的物理意义为导带中自由电子数为零。初始时刻取为t=-∞是为了简化高斯分布光强的表达式。
1.2 多光子电离率与雪崩电离率
多光子电离率,在光子频率远大于隧道频率的情况下,具有如下形式:
其中,为一标准dawson积分;I为光强;ω为激光频率;m′为电子的约化质量;ΔE为材料的带隙能量;e为元电荷;ε0,n分别为真空介电常数及材料的折射率;为突破带隙能量所需吸收的光子数。
电子雪崩电离率为:
式中的两项分别代表电子在电场中获得的能量及碰撞时传给分子的能量;为电子弛豫时间;M为材料分子质量。
1.3 等离子体吸收系数
较之没有考虑等离子体吸收影响的文献,在文献[3]中,作者考虑了该因素,但他们是在等离子体完全形成后才考虑对激光的影响,并且只将其作为一个常数对光强进行调整,类似情况在文献[7]中也出现。而实际上,等离子体对激光能量的吸收系数不是一个常数,它是随等离子体的密度而变化的。文中将等离子体吸收系数作为时间的函数进行描述,进而建立了激光强度与电子数密度及等离子体吸收系数三者相互耦合的数学模型,该模型在理论上更加完备。引入的随时间变化的等离子体吸收系数为:
其中,I(t)光强为高斯分布,数学表达式为:
c为光速,因为激光传播的空间距离为ct,则式(7)中的-α(t)ct项的物理含义为激光在介质等离子体中传播时,由于等离子体逆韧致吸收,使激光强度随距离按指数规律的衰减。
2 数值方法
2.1 速率方程的数值解法
由于式(2)中涉及的物理量均为原子量级,为了保证数值求解的稳定性,需将式(2)～式(7)构成的方程组无量纲化,无量纲时间基准为tp,能量基准为ΔE,自由电子数密度基准为ρ0,ρ0为发生烧蚀的临界自由电子数密度,可取为激光频率ω与等离子体电子振荡频率ωpe相等时的数密度
将时间t离散化后,由于ρ(t)与α(t)相互耦合,故在时间点ti采用松弛迭代法求解ρ(ti),其迭代格式为:
ρ(p)(ti+1)=ρ(p-1)(ti)+ωλΔρ
其中,p为迭代次数,ωλ为松弛系数,Δρ为相邻两次迭代的变化量。当相邻两次的迭代相对误差ε<0.001时,即可认为ρ(ti)达到稳定值,而后采用Runge—Kutta法对ti+1时刻进行步进求解。
2.2 烧蚀阈值的计算
对自由电子数密度的变化进行跟踪,可以计算出无量纲自由电子数密度ρ*=1时的无量纲时间t*c,则无量纲临界烧蚀能流密度阈值为:
有量纲的烧蚀阈值为:Fc=F*cImaxtp。
3 结果及讨论
数值计算所用的物理量及其数值列于表1。
图1为电子数密度随时间的变化,其中脉冲宽度分别为400fs,1ps;激光波长分别为526mm,1053mm。
在受到激光辐射后,自由电子数先以几何级数的形式快速增长,继而达到某饱和值,形成等离子体,这样的状态可以持续大约几十到几百纳秒,直到材料被剥离。电子数密度的该演化趋势已经被电子飞行时间光谱实验所证实[8,9,10,11]。
图2为等离子体吸收系数随时间的变化,可以看到,其值并不是一个常量,而是随着时间变化。
从图2可以看出,等离子体吸收系数经过一定时间后达到稳定值,此时,激光不再被吸收而被完全反射。不同的吸收系数对后续光强有不同的影响,沉积在等离子体中的光能也因此存在差异,计算出的烧蚀阈值就会不同。
图3为光波长为526nm,1053nm时,烧蚀阈值随脉冲宽度的变化曲线与实验结果的比较。同时,对不考虑等离子体吸收系数时的情况也进行了数值模拟,如图中虚线所示。
可以看出,不考虑等离子体吸收效应的烧蚀阈值随着脉宽tp的增加与实验值的偏差逐渐增大。这说明,等离子体吸收效应不能忽略[1]。对于λ=1053nm的情况,当脉宽超过10ps之后,模拟结果比实验数据稍稍偏大,这是因为在速率方程中,省略了由于扩散而逃离激光焦点区域和电子——空穴重新结合成中性粒子的部分,该两部分的影响对于脉宽超过10ps时是不可以忽略的[3],由于电子数密度的减少要求有更大的光强来提高雪崩电离率和多光子电离率以使之能达到临界电子数密度,客观上要求达到更大的烧蚀阈值来实现材料的烧蚀,如此看来,结果与实验数据存在偏差是完全合理的;在短脉冲λ=526nm范围内,本文的模型在整个脉宽范围均与实验值吻合的较好。
4 结论
以自由电子运动的速率方程模型为基础,研究了等离子体吸收效应对烧蚀过程的影响,建立了激光强度与电子数密度及等离子体吸收系数三者相互耦合的数学模型,计算出飞秒激光烧蚀绝缘材料二氧化硅时的烧蚀阈值,得出与实验数据较一致的结果,说明该模型能正确描述极快脉冲激光烧蚀绝缘材料的物理机理,并且等离子体吸收效应是影响烧蚀阈值的一个重要因素。
参考文献
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激光等离子体 篇5
研究过渡金属与有机分子的反应可以了解金属在反应中的催化活性。因此金属与有机分子反应的实验研究日益引起人们的关注。金属钴是一种常见的催化材料。甲醇是一种重要的化工基础原料,在许多碳氢化合物的合成分解过程充当中间体。有关金属与有机分子团簇的反应多见报道[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。激光溅射能够简便的产生金属离子,且包括大量的高激发态的原子、电子,极易与有机分子反应。Kaya等最先用激光溅射分子束技术对镍等离子体与甲醇团簇的反应进行了研究,对金属甲醇缔合物团簇Ni+(CH3OH)n的形成机理了进行解释[11,12]。付鹏、唐晓闩等通过激光溅射分子束技术对钴离子和甲醇团簇的反应进行了研究,对产物离子随能量和延时变化进行了解释[13]。张树东、孔祥和等通过激光溅射分子束技术对Mg离子与甲醇团簇的反应进行了研究,其中阐述了激光延时对离子信号的影响[14]。但是,有关Co离子与氘代甲醇团簇的反应研究并不多见,而研究这些过程有助于理解其催化作用及选择反应的化学本质。
本文利用激光溅射分子束方法,结合反射式飞行时间质谱,在低能量下对Co+与氘代甲醇团簇在气相中的反应进行了研究,得到了D+(CD3OD)n、Co+(CD3OD)n等稳定的团簇离子,得出了产物离子随激光能量和激光延时的变化特点。
1 钴离子与氘代甲醇团簇的反应
在钴离子与氘代甲醇的反应中,我们主要发现了D+(CD3OD)n、Co+(CD3OD)n两个系列的团簇,峰值信号Co+(CD3OD)5。Co+(CD3OD)n系列团簇是主要产物,其中n=5时强度最强,团簇尺寸的最大值是n=8。
在实验中,激光(355nm)是通过透镜聚焦于钴靶上,产生的等离子体中含有Co+、高激发态电子和热原子,其与氘代甲醇团簇进一步反应产生了上述两种系列的团簇离子。
团簇离子Co+(CD3OD)5是通过等离子体中具有一定能量的Co+与氘代甲醇团簇碰撞,然后再脱去一个或多个氘代甲醇分子生成的。
团簇离子D+(CD3OD)n,它可能是等离子体中的高激发态电子与团簇碰撞形成的。Kaya等人通过在电离区对甲醇团簇进行电子轰击电离的手段观察到了D+(CD3OD)n[11,12]。
1.1 激光能量对产物离子的影响
图2是通过改变激光的能量后得到的质谱图,从图中可以看出:当激光能量增加时,产物离子的峰值信号变小,激光能量增加导致溅射产生的金属离子与电子具有更高的能量,离子及团簇之间的碰撞更加激烈,结果将使离子产物进一步分解,发生信号前移的现象[13]。
1.2 激光延时对产物离子的影响
图3是我们改变激光延时得到的质谱图,得到团簇随延时的变化情况,在脉冲分子束的中段产生的离子的信号较强,在分子束的前段和后段,产生的离子信号强度较弱。在分子束的形成过程中,前段和后段不够稳定,不利于团簇的形成,因此出现中段信号较强的现象。
2 结论
激光等离子体 篇6
关键词：输尿管镜,钬激光,复杂性尿道狭窄
复杂性尿道狭窄是指严重尿道狭窄或闭锁, 多由尿道损伤、医源性损伤、尿道感染等引起, 其治疗是泌尿外科领域中的一个较大的难题[1]。应用输尿管镜及钬激光联合等离子电切术治疗尿道狭窄结合了两种腔镜技术的优点, 优势互补。本研究利用输尿管镜及钬激光辅助下等离子体汽化电切治疗复杂性尿道狭窄16例, 效果较好, 现报告如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料
2002年至今笔者所在医院共治疗16例复杂性尿道狭窄患者, 均为男性;年龄16~72岁, 平均41.5岁;所有患者术前均行逆顺行尿道造影及尿液动力学检查, 了解狭窄部位和长度。术前自由尿流率 (8.1±3.2) ml/s。前列腺术后尿道狭窄4例, 外伤后复杂尿道狭窄11例, 慢性炎症性狭窄1例。16例患者狭窄段长度1.5~5.0 cm。其中3例为外伤后尿道闭锁, 尿道造影提示闭索位置较高, 开放手术吻合极为困难。6例为多段狭窄, 因前尿道存在狭窄, 电切镜无法置入, 后尿道亦存在狭窄, 导丝置入困难。
1.2 手术方法
对于尿道多段狭窄及狭窄段较长电切镜无法置入的患者利用输尿管镜将输尿管导管或安全导丝置入膀胱, 然后沿输尿管导管或导丝, 以双极等离子体电极将瘢痕汽化, 边汽化边推进电切镜, 直至电切镜进入膀胱。对于尿道闭锁的患者, 自膀胱造瘘管口将输尿管镜置入膀胱, 自尿道内口将输尿管镜置入后尿道, 到达闭锁部位。电切镜亦置入至闭索部位, 抽动输尿管镜并借助输尿管镜的光源为电切镜指引方向。沿输尿管镜指引的方向以双极等离子体电极将瘢痕汽化, 边汽化边推进电切镜, 退出输尿管镜, 置入导丝, 继续将瘢痕汽化, 直至电切镜置入膀胱。对于后尿道瓣膜的患者, 有造瘘口则利用原造瘘口, 无造瘘口则先行膀胱造瘘, 沿造瘘针鞘置入输尿管镜, 顺行插入输尿管导管或安全导丝, 置入电切镜, 沿导丝行瘢痕汽化至电切镜置入膀胱。当电切镜无法接近狭窄部位时, 利用输尿管镜加钬激光行狭窄环切开, 使电切镜接近狭窄部位行瘢痕汽化, 直至电切镜鞘通过狭窄段。对于复杂的尿道狭窄应用两把输尿管镜, 分别从近端及远端相互接近并用钬激光建立通道, 标记后应用等离子汽化瘢痕至镜鞘通过狭窄段。瘢痕汽化完毕后, 最佳状态是汽化创面略低于近远端正常黏膜, 如无法达到此状态, 可予以尿道扩张。视情况留置F18~22#尿管, 尽量留置较粗的尿管, 术后3周拔除。
2 结果
16例均获得良好疗效。1例经2次瘢痕汽化术及2次丝状探子扩张术治疗, 目前排尿通畅。1例经2次瘢痕汽化术1次丝状探子扩张术治疗, 目前定期扩张, 患者排尿通畅。2例经1次瘢痕汽化1次丝状探子扩张治疗, 排尿逐渐恢复正常。2例术后出现尿道结石, 经腔镜碎石后恢复良好, 其他均为1次手术加定期扩张后恢复正常排尿。拔除尿管后均能自行排尿, 无尿道瘘、假道形成、尿失禁及勃起功能障等并发症, 术后6个月自由尿流率 (25.3±2.1) ml/s, 排尿顺畅。
3 讨论
尿道狭窄是泌尿外科的常见病、多发病, 传统的治疗方法主要有尿道扩张术及开放手术, 但均损伤大、出血多, 且术后易感染及发生再次狭窄, 另外术中易损伤阴茎及盆底的神经和血管, 造成勃起功能障碍[2,3]。
随着腔内泌尿外科学的不断发展和普及, 钬激光联合输尿管镜腔内治疗尿道狭窄已经广泛应用于临床。输尿管镜的优点可最大限度通过狭窄段, 接近闭锁部位[4], 但手术需在技术熟练情况下进行操作。另外, 由于狭窄后的尿道解剖变异, 操作时应在导丝引导下进行。另外对于尿道闭锁及后尿道瓣膜的患者, 输尿管镜可通过膀胱造瘘口顺行插入导丝标记尿道或借助输尿管镜的光源及镜体抽动, 引导电切镜明确电切方向[5]。另外, 在电切镜无法接近狭窄部位时可利用输尿管镜加钬激光行狭窄环切开, 或者应用两把输尿管镜分别从近端及远端相互接近, 并用钬激光建立通道。笔者认为对于复杂性尿道狭窄治疗, 等离子体瘢痕汽化优于钬激光。在操作过程中, 钬激光光纤抖动无法避免, 尿道空间较为狭窄, 易造成副损伤, 等离子体杆状电极稳定准确, 减少副损伤。对于复杂性尿道狭窄往往操作时间较长, 钬激光汽化瘢痕时会产生大量絮状物, 导致视野不清, 大量注水会导致膀胱过度充盈。等离子电刀在操作中只产生少量气泡较容易保持视野清晰, 复杂性尿道狭窄手术范围较大, 等离子体杆状电极气化后改用电切环平整后的创面界限清楚, 钬激光汽化后的创面呈绒毛样, 对于复杂性尿道狭窄, 大范围的创面往往观察困难, 较难判断界限及深度[6,7,8]。另外, 患者出院后一旦发现尿线变细, 应立即复诊并及时治疗。根据尿道狭窄的位置、长度及狭窄程度选用镜下冷刀切开或电切治疗尿道狭窄。
总之, 笔者认为以输尿管镜及钬激光作为等离子电切镜辅助方法, 可以大大提高手术成功率, 通道或标记建立后应当尽量采取等离子电刀治疗, 可提高患者的远期疗效。同时, 加强围术期的管理、提高手术操作技巧、及时处理是避免尿道狭窄再次发生的重要措施[9,10]。
参考文献
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激光等离子体 篇7
MCrAlY(M=Ni, Co, Fe)涂层为单独使用的高温抗氧化层和热障涂层(Thermal Barrier Coating, TBCs)的黏接层,已广泛用于燃气轮机部件上,目前制备MCrAlY涂层的方法主要有等离子喷涂(Plasma Spraying, PS)和电子束物理气相沉积(Electron Beam-Physical Vapor Deposition, EB-PVD)等方法。由于成本低,生产效率高,喷涂层厚度可调范围大,成分易控制等优点,等离子喷涂已成为MCrAlY涂层的主要制备方法。但等离子喷涂工艺特点决定了涂层具有典型的层状结构,涂层中存在较高的非平衡相和孔隙率,界面结合的主要形式是机械结合等,这些因素限制了等离子喷涂涂层的抗氧化性能、耐磨性能、耐腐蚀性能等。激光重熔(熔覆)处理是一种将激光技术和热处理相结合的激光表面强化技术[3],也是一种有效提高等离子喷涂层性能方法,可以消除了喷涂层的层状结构、大部分孔隙和氧化物夹杂,形成了均匀致密的涂层,保证了涂层的性能,从而提高了工件的使用寿命。许多研究表明激光重熔(熔覆)技术可显著提高MCrAlY涂层抗高温氧化性能[4,5,6,7,8]。
本工作采用等离子喷涂方法在TiAl合金表面制备了MCrAlY涂层,并用激光重熔工艺对涂层进行处理,用带有能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对氧化前后涂层表面形貌、微观组织和相组成进行研究和表征,考察了激光重熔处理对涂层微观组织和抗高温氧化性能的影响。
1 实验
1.1 实验材料
实验用基体材料为钢铁研究总院高温材料研究所熔炼的γ-TiAl基合金(TAC-2),尺寸为10mm×10 mm×5mm,其名义化学成分为Ti-46.5Al-2.5V-1Cr(原子分数/%),合金经非自耗电弧炉反复熔炼三次,再在真空磁悬浮电炉中重熔三次,铸锭经1260℃/175MPa/3h热等静压处理及在1350℃保温10min后随炉冷却得到全片层组织。等离子喷涂所用MCrAlY材料为北京矿冶研究总院金属材料所生产的粒度为-140～+325目,由Y2O3弥散的NiCoCrAl超合金粉末(KF-113A),其名义成分为Ni-20Co-18Cr-15Al-2Y2O3(质量分数/%),相应的粉末形貌和能谱分析结果见图1。
1.2 涂层制备工艺和设备
采用等离子喷涂预制MCrAlY涂层,喷涂设备为3710型等离子喷涂系统,等离子喷涂工艺参数见表1。喷涂前试样经打磨、除油、喷砂等预处理。激光重熔采用SLCF-X12×25型CO2激光加工机,重熔时氩气保护,通过激光重熔过程温度场数值模拟[9,10]结合具体实验,得到了相对优化的激光重熔工艺参数:激光功率为950W,光斑尺寸为5mm×3mm的矩形光斑,激光扫描方向沿光斑3mm侧,扫描速度为600mm/min,搭接量为20%。
1.3 分析及测试手段
采用带有INCAx-sight型能谱仪的JSM-7100F型场发射扫描电子显微镜(FESEM)分析和观察氧化前后涂层的形貌和显微组织;用X射线衍射仪(XRD)来进行涂层相分析,衍射实验在D/max2500型X射线衍射仪上进行,衍射条件:靶材为铜靶(Kα,λ=0.154178nm),电子加速电压为50kV,电流为200mA,扫描速度为4(°)/min,步宽为0.02°。
对试样进行循环氧化试验,以不连续称重法测定各试样的氧化动力学曲线(所有结果均为3个试样的平均值)。具体方法如下:在SX2-4-9箱式电阻炉中进行氧化实验,试样放入已烧至恒重的氧化铝坩埚中,在850℃静态空气中氧化,氧化100h,氧化过程中每隔10h连同坩埚称量一次,所用称重天平是感重为10-4g的FA1004型分析天平,作单位面积试样增重随时间变化的氧化动力学曲线。
2 结果与讨论
2.1 氧化前显微组织分析
等离子喷涂MCrAlY涂层形貌如图2所于。由图2a可见,等离子喷涂MCrAlY涂层表面凹凸不平,呈片层状堆积在一起,片层结构为等离子喷涂过程中熔融或半熔融状态的MCrAlY粒子在撞击已形成的涂层表面展平成薄片状后,瞬间凝固形成的,片层之间为小面积粘合,有许多孔隙存在,致密性不高。孔隙的形成主要是由于喷涂粒子的相互搭接堆积、熔融粒子的体积收缩及喷涂时熔融粒子中的气体在涂层冷却至室温后的析出所致。图2b为相应的横截面相貌,可见涂层呈明显的层状堆积特征,这主要由等离子喷涂工艺特点决定的,同时有较多黑色区域,黑色区域为未熔颗粒、孔隙和氧化物夹杂集中的地方。等离子喷涂是利用等离子热源将材料加热至熔化或热塑性状态,形成一簇高速的熔态粒子流(熔滴流),依次碰撞基体或己形成的涂层表面,经过粒子的横向流动扁平化,急速凝固冷却,不断沉积而形成的[11]。熔滴在形成涂层的过程中,由于很高的扁平化速度和冷却凝固速度,各熔滴的行为在通常的喷涂条件下是相互独立的,后一道喷涂粉末在前一道涂层上重复叠加,因此等离子喷涂MCrAlY涂层具有层状结构的特征。
激光重熔的主要目的是为了消除喷涂层的层状结构、大部分孔隙和氧化物夹杂,形成均匀致密的涂层,保证了涂层的性能,从而提高了工件的使用寿命。图3为相应的激光重熔MCrAlY涂层形貌,可以看出,激光重熔处理后,消除了大部分内部缺陷,涂层变得致密、均匀,涂层与基体间由喷涂态的机械结合变为冶金结合[7,8]。比较重熔前后的涂层形貌,喷涂态的MCrAlY层表面疏松、不均匀;而激光重熔态的MCrAlY层表面致密,无微裂纹。
2.2 高温氧化实验结果
图4为原始TiAl合金、等离子喷涂以及激光重熔MCrAlY涂层在850℃下的氧化动力学曲线,可见看出,原始TiAl合金的氧化增重很大,且其氧化增重曲线近似一条直线,抗高温氧化性能较差,而MCrAlY涂层可显著提高其抗氧化性能。不论是等离子喷涂MCrAlY涂层还是激光重熔MCrAlY涂层的氧化动力学曲线都近似呈抛物线型,氧化初期氧化增重较明显,随着氧化时间的增加,氧化保护膜的生成,氧化增重趋于平缓,表明MCrAlY涂层具有较好的抗高温氧化性能,但激光重熔MCrAlY涂层的氧化增重趋势较等离子喷涂态的平缓,经850℃氧化100h后,等离子喷涂MCrAlY涂层的氧化增重为4.29mg·cm-2,而激光重熔涂层只有3.11mg·cm-2,重熔后其抗高温氧化性能提高27.52%。
2.3 高温氧化机理分析
原始TiAl合金在850℃氧化100h后,氧化层表面的XRD分析结果如图5所示,可见,原始合金在高温长时间氧化后,其表面主要氧化产物为TiO2和Al2O3,并且TiO2峰较强,表明其中又以TiO2的量居多。
图6a,b分别为原始TiAl合金850℃氧化100h后氧化层表面和横截面形貌。由图6a可看出:氧化层表面由粗大的四方形晶粒及少量细小的晶粒组成,能谱分析表明,粗大的四方形晶粒主要含Ti和O,而少量细小晶粒则主要由Al和O组成,结合XRD分析结果可判断表面氧化产物由TiO2和少量的Al2O3相组成。由图6b可看出,TiAl表面的氧化层具有分层结构,且各层间结合不好,如前所述外层主要由TiO2组成,内层为TiO2和Al2O3的混合物,内外层间为一富Al2O3的中间层[12],由于不能形成保护性的Al2O3氧化层从而导致TiAl表现出较差的抗高温氧化性能。另外经过长期高温氧化后,氧化层有较严重的剥落现象。
由氧化物的标准生成自由能可知,Al2O3和TiO的标准生成自由能非常接近,从热力学角度来讲,在氧化的初期,应该是Al和Ti同时氧化。由于氧化层表面的氧压很高,所以生成的TiO很快被氧化成TiO2。从XRD检测结果看,主要氧化产物也是TiO2和Al2O3,从动力学角度来看,Ti在TiO2的扩散速度远远大于Al在Al2O3的扩散速度。因此TiO2的生长更迅速,氧化层中的TiO2的量更多[13,14]。
等离子喷涂和激光重熔MCrAlY涂层在850℃氧化100h后,均未出现氧化层剥落现象。MCrAlY涂层之所以具有较好的抗高温氧化性能,稀土氧化物Y2O3的加入起到了重要作用,一方面少量Y2O3颗粒的弥散分布强化了MCrAlY合金,同时可大幅度改善合金的抗氧化性能,另一方面也增大了氧化层的黏附力,从而减缓了氧化层的剥落。图7a,b为相应氧化层表面的XRD分析结果,结果表明,等离子喷涂MCrAlY涂层氧化后氧化物主要有NiO,Cr2O3,NiCr2O4,Al2O3等,经过激光重熔,涂层氧化后氧化物与重熔前基本相同,只是Al2O3的峰更强,同时出现新相NiAl 2O4。分析其原因是:激光重熔过程中,涂层中密度较小的Al上浮于涂层表面,使重熔态的MCrAlY涂层表面Al含量较高[7,8],在高温氧化过程中生成的Al2O3也相应较多,同时部分Al2O3与NiO发生固相反应生成NiAl 2O4尖晶石。
图8为等离子喷涂MCrAlY涂层在850℃氧化100h后的氧化层表面形貌。可见其表面主要有菜花状氧化物以及少量颗粒状氧化物组成,同时有极少量针叶状氧化物夹杂在颗粒状氧化物之间,整个氧化层较疏松。图9a,b为相应的菜花状和颗粒状氧化物能谱(EDS)分析结果,结合XRD分析结果可判断菜花状氧化物成分为尖晶石NiCr2O4,在氧化层的最外层,是氧化层外延生长的核心。由于涂层自由膨胀效应被外延生长的NiCr2O4尖晶石氧化物所抑制,这将导致冷却过程中产生压应力,引起涂层剥落,因此表面菜花状的氧化物对涂层的抗高温氧化性能是不利的[7,8]。根据文献[7,8],针叶状氧化物为Al2O3,主要分布在颗粒状(多面体状)Cr2O3,NiCr2O4,NiO等复合氧化物之间。
图10为激光重熔MCrAlY涂层在850℃氧化100h后的氧化层表面形貌。与等离子喷涂层氧化物相比,其菜花状氧化物明显减少,颗粒状和针叶状氧化物显著增多,且其氧化层较致密。图11为相应的颗粒状氧化物能谱分析结果,可见其表面含有较高的Al的氧化物,这与XRD分析结果也是相符的。这是激光重熔MCrAlY涂层具有较好的抗高温氧化性能的主要原因:因为激光重熔使密度较小的Al在涂层的顶部附近重新分布,形成Al的富集区。氧化初期,Al富集区发生氧化,形成保护性的氧化物Al2O3,起到了氧化屏障作用;最终,在重熔层的顶部形成生长缓慢、致密的Al2O3/Cr2O3层,这将有利于涂层抗氧化性能的提高[7,8]。另外,激光重熔消除了喷涂层的大部分孔洞、夹杂等缺陷,使涂层致密度提高,减少了高温氧化过程中金属离子向外扩散和氧离子向内扩散的通道也是使激光重熔涂层具有较高抗高温氧化性能的一个重要原因。
文献[15,16]的研究表明:在长期高温氧化过程中,MCrAlY涂层中的Ni,Co向内扩散的过程将导致基体一侧由γ-TiAl转变为硬而脆的AlNi2Ti和/或AlCo2Ti三元金属间化合物,涂层与基体之间的互扩散会恶化涂层的抗长期高温氧化性能及基体的力学性能,特别像这样硬而脆的扩散层会显著降低基体的疲劳寿命。因此如果要进一步提高TiAl合金表面激光重熔MCrAlY涂层的抗长期高温氧化性能,必须采取措施抑制涂层和基体之间的互扩散。王启民等人[17,18]的研究表明:通过在TiAl合金与MCrAlY涂层间加入Al/Al2O3扩散障可有效的减缓基体与MCrAlY涂层的互扩散,提高TiAl合金抗氧化性能并延长其使用寿命。
3 结论
(1)采用等离子喷涂技术在TiAl合金表面制备了MCrAlY涂层,经过激光重熔处理后,涂层片层状组织得以消失,致密性提高,同时消除了喷涂层的大部分孔洞、夹杂等缺陷。
(2)等离子喷涂MCrAlY涂层能显著提高TiAl合金的抗高温氧化性能,经过激光重熔后可进一步提高其抗高温氧化性能。
(3)激光重熔MCrAlY涂层具有较高抗氧化性能的原因是:一方面激光重熔使Al元素在涂层表面的重新分布,形成了Al的富集区;另一方面归因于激光重熔消除了喷涂层的大部分孔洞、夹杂等缺陷,使涂层致密度提高,从而减少了高温氧化过程中氧化扩散通道。
摘要：为了进一步提高TiAl合金表面等离子喷涂MCrAlY涂层的高温氧化性能,采用激光重熔工艺对涂层进行处理,研究了激光重熔对涂层微观组织及抗氧化性能的影响。用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析了涂层氧化前后的表面形貌、微观组织和相组成。结果表明:经过激光重熔处理后,涂层片层状组织得以消失,致密性提高,消除了喷涂层的大部分孔洞、夹杂等缺陷,同时使Al元素在涂层表面的重新分布,形成了Al的富集区;等离子喷涂MCrAlY层能显著提高TiAl合金的抗高温氧化性能,经过激光重熔后可进一步提高其抗高温氧化性能。
激光等离子体 篇8
通过热喷涂技术制备各种功能性涂层对工件表面进行防护, 正得到广泛的应用[1]。现代科技的迅速发展对材料的要求越来越高, 已有的涂覆技术难以满足其需求, 研发新的技术是目前获得高性能涂层的发展趋势。近年来, 激光与等离子复合喷涂工艺已成为美国、日本、加拿大等国的研究热点, 制备的NiCrBSi, NiTi, Al2O3 - TiO2涂层组织更加均匀致密, 结合强度、耐腐蚀、抗热震、耐磨损等性能进一步提高[2,3,4], 因而具有广阔的应用前景。NiCrAlY被广泛用于制备高温抗氧化涂层和热障涂层的粘结层, 常用的工艺有大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂和爆炸喷涂等[5,6,7]。目前, 利用复合热源制备NiCrAlY涂层, 国内外尚无报道。本工作利用激光与等离子复合热源喷涂 (LHPS) 工艺制备了NiCrAlY涂层, 并对其微观组织、抗盐雾腐蚀性能和机理进行了研究。
1 试 验
1.1 涂层制备材料与工艺
以38CrMoAl为基材:成分 (质量分数, %) :0.350～0.420 C, 0.300～0.600 Mn, 0.700～1.100 Al, 0.200～0.450 Si, 0.150～0.250 Mo, 1.350～1.650 Cr, P≤0.035, S≤0.035, Cu≤0.030, Ni≤0.030, Fe为余量;尺寸为35 mm×35 mm×5 mm;用Al2O3喷砂。喷涂材料为超声气体雾化NiCrAlY合金粉末, -280目, 成分 (质量分数, %) :24.000～26.000 Cr, 4.000～6.000 Al, 0.400～0.700 Y, Fe≤0.200, Si≤0.100, C≤0.020, O≤0.085, N≤0.020, Ni为余量。涂层制备设备:AM356型YAG固体激光器与APS2000型等离子喷涂设备, 喷涂参数见表1。
喷涂时等离子焰流垂直于基体扫描, 激光束与基体呈45°, 喷涂层的总厚度为350 μm。
1.2 涂层性能测试
按HB 5476-91, 在Z100电子万能材料试验机上采用对偶拉伸棒测试涂层的结合强度, 每组5个试样, 取其平均值。按GB/T 13298-91, 采用JENAPHOT2000金相显微镜观测涂层的微观组织结构。按GB/T 10125-1997进行中性盐雾腐蚀 (NSS) 试验, 喷雾液为3.5%NaCl溶液, pH值为6.5～7.2, 测试温度35 ℃。有效腐蚀区域为25 mm×25 mm, 其余用氯丁橡胶封闭, 固化后进行腐蚀测试;试验周期为96 h, 在腐蚀试验前后对试样进行清洗与称重。采用D8ADVANCE型X射线衍射仪 (XRD) 对涂层的成分和物相进行分析:Cu Kα靶, 40 kV, 20 mA。采用CamScan3400型SEM设备测试涂层腐蚀前后的形貌及面扫描状况, 电子枪采用钨灯丝发射, 最高可放大40万倍。
2 结果与讨论
2.1 涂层显微组织结构及结合强度
图1为LHPS NiCrAlY涂层状态。由图1可以看出:涂层与基体间如同焊缝一样, 结合得非常致密;界面结合处无明显的缝隙和缺陷;涂层内部出现了冶金结合所特有的枝晶结构, 没有大的孔洞和明显的缺陷。
表2为LHPS NiCrAlY涂层与基体的结合强度。由表2可知, 有3组从胶与基体的结合界面处断开, 这是胶的粘结强度, 而涂层与基体的实际结合强度要高于此拉断值, 其平均结合强度值为63.00 MPa。
涂层的致密组织结构和高的结合强度说明:在LHPS过程中, 激光热源使得喷涂粉末受热熔融更充分, 铺展流动性更好, 同时也使基体表面瞬间产生了微熔池;当熔融态粉末快速喷涂到基体微熔池中时, 实现了液液结合, 因而其涂层组织更加致密, 缺陷少, 结合强度高, 更有利于提高其抗腐蚀性能。
2.2 涂层腐蚀前后的XRD谱
图2为涂层腐蚀前后的X射线衍射谱。由图2可以看到:腐蚀前涂层主要由AlNi3, Al8Cr5, NiO2, AlNi, NiCr2O4等组成;腐蚀后涂层的产物主要由 AlNi3 , Fe (OH) 3, FeCl2, Fe2O3, Al2O3, (Cr, Fe) 2O3等组成。
2.3 涂层抗腐蚀性能与机理
在NSS过程中, 30 min即可观察到基体表面的腐蚀点, 且多点同时出现, 分布均匀, 随腐蚀时间的延长, 腐蚀点迅速增多并快速扩展长大, 数小时后各腐蚀点连结成面, 呈疏松壳层状, 层层叠加累积。在盐雾冲击及腐蚀产物不断流落下, 新的表面不断裸露, 增大了盐雾腐蚀溶液与基体表面的接触面积, 如此循环, 使腐蚀在基体深度方向发展得很快。图3a为基体腐蚀96 h后的形貌, 腐蚀较严重。图3b是NiCrAlY涂层宏观形貌, 腐蚀16 h后表面仅有单个腐蚀点, 且腐蚀点的生成和扩展速度非常缓慢, 随腐蚀时间的延长, 腐蚀点增多, 由于长大速度极其缓慢, 96 h后各腐蚀点仍呈单个分散状态, 无腐蚀产物流下。由此可知, LHPS NiCrAlY涂层的抗盐雾腐蚀性能远远优于基体, 且随腐蚀时间的延长, 优越性更加显著。
基体盐雾腐蚀的失重量为5.206 g/ (m2·h) , LHPS NiCrAlY涂层的则为0.090 g/ (h· m2) , 涂层的失重量约是基体的1/50。可见, LHPS NiCrAlY涂层的抗盐雾腐蚀性能非常优异。
图4为LHPS NiCrAlY涂层腐蚀前后的SEM和面扫描形貌。由图4a～4e可以看出:腐蚀前涂层中Ni, Cr, Al分布均匀, 没有Y, 而Ni, Cr, Al总是在同一位置出现, 说明NiCrAlY粉末在涂层中始终以合金的形式存在;涂层表面分散有一些圆形颗粒, 大小不一, 面扫描的结果为元素Fe, 这是试样线切割时产生的Fe的氧化物。由图4f～4j可见, 涂层腐蚀后表面形成了疏松的壳层状物, 主要为Fe, 未腐蚀部分仍为NiCrAlY粉末, 且以合金的形式均匀分布, 这也验证了腐蚀产物主要为Fe的氧化物或氯化物, 与X射线衍射的结果相符。
通常, 在腐蚀介质中, 热喷涂涂层内部的非平衡相、夹杂物、残余应力以及孔隙率都可能引发腐蚀[8]。而在LHPS过程中, 被激光热源熔融的基体会有部分同熔融的喷涂粉末一起凝固于涂层中, 成为涂层内部的非平衡相, 且电位较低, 当腐蚀溶液渗透到这些部位时, 便发生腐蚀。在盐腐蚀溶液的作用下, 涂层中大孔和裂纹处是产生腐蚀的主要部位, 孔隙直径或裂纹宽度在0.025～0.100 mm就足以使介质滞留, 引起孔隙内金属的腐蚀[9]。当腐蚀介质进入到涂层孔隙和裂纹内时, 孔隙内金属就处于活化状态 (如基体成分中Fe电位较负) , 而孔隙外涂层表面的金属仍处于钝态 (电位较正) , 于是孔隙内外构成了膜 - 孔电池。孔口及孔内外金属将发生如下反应:
孔内undefined
孔外undefined
孔口 pH值增高, 产生二次反应
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Fe (OH) 3沉积在孔口形成疏松多孔壳状层, 使孔内外物质交换困难, 孔内介质相对孔外介质呈滞流状态。孔内O2浓度继续下降, 而孔外富氧, 形成氧浓差电池, 加速了孔内Fe元素不断离子化, 孔内Fe2+浓度不断增加, 为保持电中性, Cl-向孔内迁移, 并与孔内Fe2+形成可溶性盐 (FeCl2) 。孔内氯化物浓缩、水解等使孔内pH值下降, 腐蚀以自催化过程不断发展下去, 这便是腐蚀点在涂层表面生成以及不断长大和扩展的原因。因此, 复合热源NiCrAlY喷涂层的腐蚀失效机制主要为孔隙腐蚀, 但因NiCrAlY涂层成分中Ni, Cr, Al等非常容易发生钝化, 生成一层保护性的钝化膜, 如Al2O3, 而发生钝化又使得腐蚀扩散阻力变得很大, 造成涂层表面腐蚀点的长大, 扩散速度非常缓慢。
3 结 论
(1) 利用激光与等离子复合热源喷涂工艺在38CrMoAl上成功地制备了NiCrAlY涂层。激光热源的加入使喷涂粉末熔融更充分、流动铺展性更好, 同时基体表面生成微熔池, 与涂层实现了冶金结合, 具有致密的显微组织结构以及高的结合强度。
(2) 激光与等离子复合热源喷涂NiCrAlY层具有优异的抗盐雾腐蚀性能, 腐蚀失效机制主要为孔隙腐蚀;NiCrAlY涂层腐蚀96 h后, 失重量约是基体的1/50, 且随腐蚀时间的延长, 其抗腐蚀优越性更加明显。
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激光等离子体 篇9
1 资料与方法
1.1 临床资料
本组58例,均为男性,年龄18～73岁,平均42岁,外伤性尿道狭窄50例,其中前尿道狭窄20例,后尿道狭窄29例,前列腺摘除及电切术后7例。狭窄长度0.3～3.0 cm,平均2.0 cm,9例尿道闭锁,闭锁长度0.3～1.5 cm,平均1.0 cm。病程1个月～30年,平均8个月。所有病例均有一次以上留置导尿或尿道扩张术,7例尿道扩张失败伴假道形成,32例曾行尿道会师术,1例为尿道吻合术后再次复发,11例患者已行膀胱造瘘术。术前测定Qmax、PVR。全部病例均予尿道造影检查了解尿道狭窄情况有无骨折移位情况,并选用敏感抗生素抗感染治疗后手术。
1.2 手术方法
硬膜外麻醉下,置截石位,常规消毒铺巾,8.0/9.8 F Worf输尿管镜置入尿道,边冲水边观察,了解尿道狭窄、假道情况,见狭窄小孔,置入3 F导管,沿导管镜体撑开狭窄段,进入膀胱,必要时用美国医人科钬激光(1.5 J,10 Hz)于前尿道5、7点,后尿道9、12、3点处切开狭窄环进入膀胱。若导管置入困难或真假道难辩,可经膀胱注入美兰,沿美兰染色的小孔用钬激光试行逐点切开,多能打通狭窄段。否则如同尿道闭锁一样,经膀胱造瘘口向狭窄近端置入尿道探子或输尿管镜,直视下置入带金属内心的5F输尿管导管,顶至狭窄部并摆动、抖动引导钬激光切开,必要时C臂监视下进行,缓慢渐进地打通狭窄、闭锁段,将导管置入膀胱。退出输尿管镜至狭窄处,再进一步扩大通道直至能通过24 F尿道电切镜,换用Gylus等离子电切镜(电切160 W,电凝80W)彻底切除多余疤痕组织,至通道光滑平整,与前后尿道等大或稍大,组织红润,有少许出血即达到适合深度。检查无明显出血,退出电切镜,手压膀胱检查排尿情况、有无尿失禁。再置入斑马导丝,在导丝引导下留置18～22 F三腔气囊导尿管,必要时行膀胱冲洗。
2 结果
全部病例手术成功,手术时间20～80 min,平均45 min,术中出血10～80 m L,平均30 m L,留置尿管4～6周,拔尿管后排尿通畅,睾丸、附睾炎1例,少数患者伴有尿道热,短期的尿急、尿痛、排尿不适,无真性尿失禁、尿瘘、直肠损伤、勃起功能障碍等并发症。定期尿道扩张1～3个月,以后尿线变细即予尿道扩张治疗,随访3～18个月。测量术后3、6、12个月Qmax,PVR见附表,较术前明显改善(P<0.05)。1例尿道扩张至假道形成,予再次腔内治疗好转,余无需再次手术治疗病例。
注:术前、术后Qmax、PRV,差异有显著性(P<0.05)
3 讨论
尿道狭窄与闭锁的治疗是泌尿外科棘手的难题之一,多数学者认为腔内切开加电切术是治疗尿道狭窄与闭锁的首选方法[1],具有直视下操作、安全、损伤小、并发症少、可重复的特点。但传统的冷刀切开不能彻底清除疤痕组织和止血,术中出血多,视野模糊,术后复发率高。单极电切局部产生300～400℃高温,易损伤周围正常组织,特别是尿道括约肌、勃起神经,而又产生一定的疤痕,导致狭窄复发。在内切开的基础上,如能彻底切除疤痕组织又避免损伤正常尿道组织是手术成功、降低复发率的关键。
目前钬激光技术及等离子技术因其具有良好的组织切割、止血功能,在临床上已广泛应用,对腔内尿道手术有良好的前景[2]。我们结合两者的优势,显示其独特的手术效果:(1)输尿管镜较细,容易到达狭窄部位,可观察到尿道的全貌、了解假道与真性尿道的关系,从而易发现狭窄处的孔洞并置入导丝。(2)钬激光纤细的光纤可360°旋转,可进入细小的狭窄小孔进行点状切开,同时能量为侧向发射,切开部位容易控制,容易打通狭窄段,提高了手术成功率,避免了较粗内镜强行推进导致尿道损伤。(3)钬激光是一种固体激光,其波长2 140 mm,其能量可以大量被水吸收,作用均匀一致,组织穿透深度仅为0.4 mm,对周围组织的热损伤范围小,切割功能强,可达精确解剖层次,创面新鲜,对组织的汽化切割、切开、止血同时完成,术中基本无出血,视野清晰,较冷刀切开安全。(4)贯通狭窄段后换用等离子汽化电切,其电极细小,可在狭窄的尿道内活动自如,可伸入狭窄部尿道汽化瘢痕组织,能准确掌握切开的部位、范围、深度。(5)低温切割,表面温度仅40℃～70℃,聚焦高,作用局限,极有限的热穿透,可反复操作,对周围组织的损伤少,减少了术后热损伤造成瘢痕狭窄;有效的汽化切割止血,保证术野清晰,减少误切引起的尿道假道形成;切割面整齐,不易引起感染;避免了单用钬激光切割能力弱、切除较多疤痕组织费时、费力的不足。(6)钬激光、等离子均以生理盐水为介质,避免了使用糖水冲洗外渗产生的组织粘连瘢痕形成,减少再狭窄发生。
另外,术后留置导尿、防治感染、定期行尿道扩张也是防止再狭窄的重要措施。STEENKAMP等[3]报道尿道狭窄术后6个月最容易发生再狭窄,而1年后复发的可能性明显下降。因此,对于尿道狭窄的病例,术后定期尿道扩张是必要的。本组1例经18个月尿道扩张,排尿稳定通畅。
本组结果显示,腔内钬激光联合等离子电切术治疗尿道狭窄与闭锁,安全、创伤小、并发症少、近期疗效好,是治疗尿道狭窄及闭锁的理想方法。本组随访仅3～18个月,远期疗效有待进一步的临床观察。
摘要：目的探讨腔内钬激光联合等离子电切术治疗尿道狭窄及闭锁的疗效及安全性。方法对56例男性尿道狭窄与闭锁的患者采用输尿管镜下钬激光内切联合等离子电切术,观察术中、术后并发症及疗效。结果全部病例手术成功。手术时间20～80min,平均45min,出血10～80mL,平均30mL,留置尿管4～6周,拔尿管后排尿通畅,定期行尿扩。随访3～18个月,术后3、6和12个月最大尿流率(Qmax)、残余尿量(PVR)较术前明显改善,无严重并发症。结论腔内钬激光联合等离子电切术治疗尿道狭窄与闭锁,安全、创伤小、并发症少、近期疗效好,是治疗尿道狭窄及闭锁的理想方法。
关键词：尿道狭窄,闭锁,内窥镜术
参考文献
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