钛(tai)合金(jin)增(zeng)材(cai)制造孔隙缺陷(xian)的无(wu)损(sun)检测(ce)研究(jiu)进展(zhan)

引言

近(jin)年(nian)来,钛合(he)金(jin)增材制造技术发(fa)展迅(xun)速(su),尤(you)其(qi)是在航(hang)空(kong)航天、医疗卫生(sheng)、设(she)备仪(yi)器(qi)等领(ling)域(yu)发(fa)挥着重(zhong)要作(zuo)用(yong)。钛合金增材制件(jian)缺陷(xian)的无(wu)损检测(ce)是(shi)一项重(zhong)要(yao)的(de)研究内容,利用先(xian)进的(de)无损(sun)检(jian)测装备和(he)无损(sun)检(jian)测(ce)技术是确(que)保增材制件(jian)质(zhi)量(liang)的主(zhu)要(yao)手段(duan),对(dui)未(wei)来(lai)生(sheng)产制造(zao)行业具有(you)深(shen)远影响(xiang)。鉴(jian)于无损检测研(yan)究(jiu)的重(zhong)要(yao)意(yi)义,本(ben)文作(zuo)者系统(tong)地总结了(le)增材(cai)制(zhi)造(zao)合(he)金(jin)领域(yu)中(zhong)制件(jian)孔(kong)隙(xi)型缺陷(xian)无损(sun)检测技术的研究(jiu)进(jin)展,重点(dian)介(jie)绍(shao)了目前国(guo)内(nei)外(wai)激(ji)光(guang)超声(sheng)技术在增材(cai)制件(jian)孔隙尺寸和(he)孔隙(xi)率(lv)检测中(zhong)的(de)应用,展望(wang)了未(wei)来该领域在线(xian)无损(sun)检(jian)测(ce)方(fang)向上的发(fa)展动态。

1、增(zeng)材制造(zao)技(ji)术(shu)

增材制造(zao)(additionmanufacture,AM)技(ji)术具(ju)有(you)复(fu)杂(za)构件快速净成形、材料利用率(lv)高(gao)等(deng)优(you)点(dian),是(shi)航空(kong)航(hang)天(tian)领域具(ju)代表(biao)性(xing)颠(dian)覆(fu)性(xing)技术(shu)之(zhi)一(yi)[1]。近(jin)年来,全球(qiu)增材(cai)制(zhi)造(zao)的市(shi)场(chang)规(gui)模逐(zhu)年(nian)上(shang)升(sheng),从行业(ye)方(fang)面来看,航空航(hang)天(tian)领域积累的(de)AM技(ji)术(shu)方面经验(yan)相(xiang)对较(jiao)多[2]。NorskTi-tanium公(gong)司(si)报(bao)道,飞(fei)机上(shang)典型的(de)2kg钛合(he)金部件(jian)若(ruo)采用(yong)传(chuan)统(tong)加(jia)工(gong)方(fang)式需要(yao)从(cong)30kg原(yuan)材(cai)料上切(qie)割完成,相(xiang)比于该方式,AM技(ji)术(shu)则(ze)仅(jin)需6kg的钛丝,整(zheng)体(ti)来(lai)看可(ke)为每(mei)架(jia)波音787飞(fei)机(ji)节省约(yue)300万(wan)美(mei)元。因(yin)此,AM技术(shu)在国(guo)际航(hang)空(kong)制造领域迅(xun)猛(meng)发(fa)展(zhan),被(bei)用来(lai)设(she)计更(geng)多(duo)具(ju)有(you)优良(liang)力(li)学性能(neng)或是(shi)具(ju)有(you)特殊(shu)功能(neng)的(de)零(ling)部件(jian)。例如(ru),美国SpaceX太(tai)空(kong)探(tan)索技(ji)术公司(si)采(cai)用(yong)AM技术(shu)制(zhi)造龙(long)飞船发(fa)动机中的(de)SuperDraco推进(jin)器,仅用(yong)数(shu)月时(shi)间就(jiu)完成了(le)发动机设计和(he)制(zhi)造,大幅(fu)度(du)地(di)节省了时间(jian)成(cheng)本和(he)原材(cai)料(liao)成本(ben)[3]。此(ci)外,美(mei)国国(guo)家(jia)航(hang)空(kong)航天局(ju)研(yan)制的(de)低温热(re)交换器(qi)以(yi)及(ji)我(wo)国(guo)的C919客机的主风(feng)挡(dang)窗(chuang)框和中(zhong)央(yang)翼根肋(le)等大(da)型复杂(za)结(jie)构(gou)件(jian)亦(yi)采用了(le)AM技术[4-5]。

随着(zhe)对AM技(ji)术深(shen)入(ru)的(de)研究发(fa)现,由于(yu)AM技术在(zai)制造(zao)过(guo)程(cheng)中(zhong)材(cai)料温(wen)度变(bian)化剧(ju)烈(lie)、成(cheng)型(xing)行为(wei)复(fu)杂,制造工(gong)艺参(can)数(shu)以及阶(jie)梯(ti)效(xiao)应(ying)容易(yi)对制件(jian)的尺(chi)寸(cun)精(jing)度、组织各向异(yi)性(xing)以(yi)及(ji)结构(gou)完整(zheng)性产(chan)生(sheng)影响(xiang),因而(er)制件内(nei)部(bu)多发现气孔(kong)、未(wei)熔(rong)合(he)、微(wei)裂纹等诱发(fa)其疲劳失效(xiao)的缺陷[6]。国际(ji)高温(wen)合金学会(hui)主席(xi)REED等人分(fen)析(xi)了高(gao)温合(he)金AM技(ji)术需(xu)要(yao)面(mian)对的(de)科(ke)学(xue)与(yu)技(ji)术(shu)挑战(如(ru)图(tu)1所示(shi)),认(ren)为目(mu)前AM制(zhi)备(bei)产品(pin)在质(zhi)量(liang)控(kong)制、减少(shao)缺(que)陷(xian)及产品(pin)一致性上仍存(cun)在缺(que)少(shao)成(cheng)熟技术的问(wen)题(ti),未(wei)来需(xu)要(yao)更多(duo)缺陷(xian)检测(ce)和性(xing)能评价的(de)数据积(ji)累(lei),而这(zhe)离(li)不开数据分(fen)析(xi)、物(wu)理(li)建模(mo)、过(guo)程仿真、人(ren)工智能(neng)和新(xin)在线(xian)检测技(ji)术(shu)的支持。可(ke)用于(yu)AM制造过程(cheng)中的(de)无(wu)损检(jian)测(ce)手段是未(wei)来AM领域(yu)科(ke)学(xue)和(he)工(gong)程(cheng)领域面临(lin)的(de)重(zhong)要挑(tiao)战之(zhi)一[7]。

2、孔(kong)隙(xi)型缺陷的(de)无(wu)损(sun)检(jian)测(ce)技术(shu)

随着(zhe)AM制件在(zai)航(hang)空航天(tian)等领域(yu)逐渐投(tou)入使用(yong),对于(yu)制件的力(li)学性(xing)能等(deng)也提出了更(geng)高的(de)要求(qiu),通过(guo)控制(zhi)制(zhi)件(jian)内孔(kong)隙(xi)的(de)形成来提高其力(li)学(xue)性能(neng)的(de)方式引(yin)起(qi)了(le)该领(ling)域(yu)研究(jiu)人(ren)员的(de)关(guan)注(zhu)。目前(qian)制(zhi)件(jian)内部冶金缺(que)陷的有(you)效(xiao)控(kong)制尚(shang)未完全解决(jue),有(you)研(yan)究者(zhe)认为(wei)其(qi)关(guan)键在于(yu)AM过程(cheng)中(zhong)制件组织(zhi)及缺(que)陷形成(cheng)规(gui)律尚(shang)未完(wan)全(quan)厘(li)清,且缺(que)少(shao)能够(gou)实(shi)时(shi)观测其(qi)形(xing)成过(guo)程(cheng)的(de)在(zai)线检测手(shou)段(duan)。在(zai)AM过程(cheng)中,孔隙(xi)型(xing)缺陷是增材制件(jian)中最(zui)为常见(jian)的缺(que)陷之(zhi)一(yi),多呈现球(qiu)型或椭(tuo)球(qiu)型形貌特征(zheng),其(qi)尺寸在数(shu)十(shi)微(wei)米(mi)至(zhi)百微米(mi)范(fan)围,如图2所示(shi)。孔隙型(xing)缺陷对增材(cai)制件(jian)的(de)拉伸强度、延展(zhan)性以及(ji)疲劳强度(du)等(deng)材(cai)料力学(xue)性(xing)能严重(zhong)影响,其产生原(yuan)因(yin)往往(wang)与(yu)AM工艺(yi)参(can)数(shu)密切(qie)相(xiang)关(guan),例(li)如(ru),增(zeng)材(cai)过(guo)程(cheng)中(zhong)材(cai)料冷(leng)却速率(lv)较大使得(de)熔(rong)融(rong)态的(de)金属材(cai)料(liao)中(zhong)的(de)气(qi)体(ti)不能及(ji)时从熔池(chi)中溢出而(er)滞(zhi)留在材料(liao)内(nei)部(bu)形(xing)成孔隙(xi)。考(kao)虑(lv)到(dao)制(zhi)件内(nei)孔隙(xi)位(wei)置、形状(zhuang)、尺寸、方向(xiang)和(he)密(mi)度等(deng)特(te)征(zheng)与(yu)AM工艺参数密(mi)切相(xiang)关(guan),所(suo)以(yi)通(tong)过优化(hua)工(gong)艺参(can)数(如(ru)层(ceng)厚、能量(liang)输入(ru)、构建(jian)方向、扫(sao)描(miao)策略(lve)、扫描(miao)间距和(he)扫描速(su)率)的(de)方(fang)式被(bei)视(shi)为是减少(shao)该类(lei)型(xing)缺陷的(de)重(zhong)要手(shou)段(duan)[8]。

可见,降(jiang)低(di)AM制件孔(kong)隙(xi)率(lv)的关键是如何能够在(zai)增材(cai)制造的(de)过程(cheng)中,对形成(cheng)异常尺寸(cun)的(de)孔(kong)隙(xi)进(jin)行(xing)在线(xian)检测(ce),然后反馈给AM制(zhi)备(bei)系统(tong)来(lai)实(shi)时调整(zheng)工艺参(can)数(shu)以降(jiang)低(di)制(zhi)件的(de)孔隙(xi)率。因此,准(zhun)确(que)可靠(kao)地对AM过(guo)程(cheng)中孔(kong)隙(xi)缺(que)陷(xian)进(jin)行(xing)无(wu)损检测,对于AM零(ling)件质(zhi)量控制及安(an)全服(fu)役均(jun)具有重要的(de)科学研究意(yi)义和(he)工(gong)程(cheng)应用(yong)价(jia)值。

围(wei)绕(rao)这(zhe)一问(wen)题(ti),国内外学者(zhe)已(yi)经开(kai)展了大量(liang)探索(suo)性(xing)研(yan)究(jiu),试图从(cong)AM制(zhi)备后的(de)性(xing)能(neng)检测(ce)、AM零件制(zhi)备(bei)过(guo)程中(zhong)的特(te)征量监测(ce)和在(zai)线(xian)式(shi)无损(sun)检(jian)测(ce)技(ji)术3个方向,来(lai)解(jie)决AM零件(jian)的(de)质(zhi)量(liang)控(kong)制(zhi)问题[9-12]。

2.1离线(xian)式(shi)无(wu)损检测(ce)技(ji)术(shu)

离线式无损检(jian)测方式属于制件加(jia)工(gong)后(hou)检(jian)测(ce),多用(yong)于(yu)AM结(jie)束后(hou)对制件(jian)的(de)质(zhi)量(liang)评价。实际(ji)上,这种(zhong)方(fang)式还(hai)可用(yong)于(yu)建立(li)AM工(gong)艺(yi)条(tiao)件和制件质量之间本(ben)构关系(xi)的研(yan)究。例(li)如(ru)PARAB等(deng)人采用基于同步(bu)加速(su)器(qi)的(de)X光显(xian)微(wei)断层(ceng)扫(sao)描(miao)技术研(yan)究(jiu)了粉末及(ji)后(hou)处(chu)理工艺(yi)对孔(kong)洞(dong)缺陷(xian)的(de)影(ying)响[9]。由(you)于(yu)离(li)线无(wu)损检(jian)测(ce)无法(fa)满(man)足(zu)实(shi)时(shi)性获(huo)取制(zhi)件质(zhi)量信(xin)息,无法根据(ju)制件状态对(dui)AM工艺(yi)进行的实时(shi)调(diao)整(zheng)以(yi)及缺陷(xian)去(qu)除(chu),难(nan)以提(ti)高AM制(zhi)件(jian)质(zhi)量(liang)及(ji)成(cheng)品(pin)率(lv)。

2.2基于特(te)征量(liang)监测(ce)的(de)间(jian)接(jie)式检测

通过(guo)监(jian)测(ce)AM过程(cheng)能(neng)够反映(ying)材料(liao)成(cheng)形等(deng)各类(lei)不稳定(ding)现象(xiang),据此来(lai)预测(ce)缺(que)陷的产(chan)生(sheng),用(yong)于(yu)实(shi)时制(zhi)造工艺参(can)数的反(fan)馈(kui)控制。该(gai)方(fang)式(shi)目前主要(yao)以熔(rong)池尺寸、温(wen)度、光谱以及(ji)熔(rong)池(chi)附(fu)近(jin)等离(li)子(zi)体等作(zuo)为(wei)监测(ce)参数(shu)[10]。例(li)如,CHOO等(deng)人利(li)用(yong)光(guang)电(dian)二(er)极(ji)管(guan)检测(ce)熔(rong)池的平(ping)均辐(fu)射(she),在(zai)确定了(le)熔池(chi)参(can)数置信区间基(ji)础(chu)上,对(dui)处于(yu)在置(zhi)信区间(jian)外(wai)的(de)区域(yu)作为过(guo)热区域(yu),并据(ju)此(ci)来(lai)判(pan)定制件(jian)制(zhi)造质量,研究表明,孔隙缺(que)陷在(zai)制件(jian)边缘(yuan)处出现(xian)频率(lv)高(gao)于(yu)其(qi)它(ta)区域[11]。考(kao)虑到(dao)AM过程中(zhong),材料组织(zhi)演化过程(cheng)和(he)缺陷(xian)产(chan)生(sheng)机(ji)制(zhi)尚未(wei)完(wan)全(quan)明确(que),而(er)且(qie)用(yong)于(yu)监测(ce)的过程(cheng)特(te)征(zheng)参(can)数与制(zhi)件(jian)缺陷(xian)之(zhi)间的(de)本(ben)构(gou)关(guan)系(xi)并不(bu)明(ming)晰,所(suo)以(yi)该方法难(nan)以(yi)保证制件(jian)最(zui)终质(zhi)量,需(xu)要(yao)其它检测(ce)手段(duan)进(jin)行(xing)配合使用(yong)。

2.3在(zai)线式无损(sun)检(jian)测(ce)技术

在(zai)线(xian)式(shi)无(wu)损检测方式(shi)是(shi)AM加工过(guo)程(cheng)急(ji)需(xu)且(qie)有效的(de)一种检(jian)测(ce)方(fang)式。已经报(bao)道(dao)的(de)文(wen)献中,AM过(guo)程(cheng)中(zhong)在线(xian)无损(sun)检测技(ji)术(shu)多(duo)集中(zhong)于(yu)X射线(xian)技(ji)术(shu)以(yi)及超声(sheng)检测技(ji)术(shu),特(te)别(bie)是(shi)X光计算(suan)机(ji)层析(xi)成(cheng)像(X-raycomputedtomography,XCT)技术和激光(guang)超声检测技(ji)术(shu),被认(ren)为最有潜力应(ying)用于(yu)AM过程(cheng)的制件(jian)检测,已(yi)经(jing)成为(wei)本领(ling)域的研究热点[12]。因(yin)此(ci),下(xia)面将(jiang)重(zhong)点(dian)介绍XCT技术(shu)与(yu)激(ji)光(guang)超声(sheng)技(ji)术在(zai)AM材料(liao)检测方面的(de)主要(yao)研(yan)究(jiu)进展。

3、XCT无(wu)损(sun)检(jian)测技术(shu)

伦敦(dun)大(da)学(xue)学(xue)院借(jie)助(zhu)X射线(xian)技(ji)术的(de)高(gao)精度检(jian)测(ce)特(te)点,实现(xian)了(le)Ti-6242材料在(zai)激(ji)光AM过程(cheng)中激(ji)光与(yu)Ti-6242相(xiang)互(hu)作用过(guo)程(cheng)的连续(xu)观测(ce),并通(tong)过不(bu)同时刻(ke)孔隙形态的(de)特征(zheng)变(bian)化分(fen)析了(le)其形成(cheng)机制,如图3所示[13]。相(xiang)较于传(chuan)统的X射线(xian)技术,XCT具有可清晰(xi)、准确(que)、直观地展(zhan)示(shi)制(zhi)件内部(bu)缺陷(xian)等优点,特(te)别(bie)适合于复(fu)杂(za)构(gou)型(xing)的(de)中(zhong)小型(xing)结(jie)构(gou)件(jian)的无损检(jian)测(ce),因(yin)此被(bei)广泛(fan)用(yong)于(yu)AM领(ling)域(yu)中。如诺丁(ding)汉(han)大学(xue)AM研究团队采(cai)用(yong)XCT技术对铝合(he)金(jin)激光选区(qu)熔化AM制件(jian)孔隙率(lv)进(jin)行(xing)了(le)检(jian)测,结果(guo)表(biao)明(ming),该技(ji)术可检测最(zui)小孔(kong)隙(xi)率为(wei)0.06%,可检(jian)测出的(de)最(zui)小孔隙直径(jing)约为(wei)260μm,如(ru)图(tu)4所示(shi)[14]。

为(wei)了(le)进(jin)一(yi)步(bu)提(ti)升(sheng)检测效率(lv)和检测(ce)实(shi)时(shi)性,研究人(ren)员提出(chu)了一(yi)种AM过程XCT在(zai)线无损检测(ce)方式:在(zai)制件(jian)打印(yin)一(yi)定(ding)层(ceng)数后进行检(jian)测(ce)分(fen)析,进而(er)通过(guo)逐(zhu)层(ceng)打印、固定层(ceng)数(shu)检(jian)测(ce)的(de)方式来获取制(zhi)件(jian)的缺陷(xian)信(xin)息并用(yong)于(yu)提(ti)高(gao)制件(jian)的(de)整体(ti)质(zhi)量[15]。图(tu)5所示为(wei)Inconel625不锈钢增(zeng)材试(shi)样扫(sao)描电子显(xian)微(wei)镜(jing)(scanningelectronmicro-scope,SEM)及XCT检(jian)测(ce)结(jie)果(guo)。

这(zhe)种(zhong)方(fang)法可实时(shi)监控(kong)成形(xing)过程,发现(xian)缺陷(xian)后反馈进而修(xiu)复(fu)缺陷(xian),可(ke)极大减少制(zhi)件的(de)废(fei)品率(lv),提(ti)高产(chan)品(pin)的(de)一次性合(he)格率(lv)。在(zai)线检(jian)测(ce)方(fang)式对(dui)于AM制造(zao)零(ling)部件(jian)质(zhi)量(liang)控制(zhi)意(yi)义(yi)更(geng)为显(xian)著,已经成为该(gai)领(ling)域的研(yan)究(jiu)前(qian)沿与(yu)热点(dian)。

4、激(ji)光超(chao)声(sheng)无(wu)损(sun)检(jian)测技(ji)术

考虑(lv)到XCT放射(she)性,目(mu)前美国国家(jia)航(hang)空航天(tian)局(ju)等机(ji)构研(yan)究(jiu)提(ti)出了(le)基(ji)于(yu)超(chao)声(sheng)检(jian)测技(ji)术的AM材料(liao)内部孔(kong)隙(xi)成像(xiang)的(de)研(yan)究(jiu)思(si)路,主要分为接(jie)触(chu)式(shi)超声(sheng)成像检测(ce)和(he)非(fei)接(jie)触(chu)式(shi)超(chao)声(sheng)成像检(jian)测两(liang)种(zhong)方式[16]。在接触式超声成(cheng)像检(jian)测方面(mian),RIEDER等人(ren)利(li)用压电(dian)式的(de)脉(mai)冲回波(bo)超声(sheng)法,检(jian)测出了激(ji)光增材(cai)过(guo)程(cheng)中(zhong)金属铝中直径(jing)约(yue)2mm的(de)球(qiu)型孔隙(xi),进(jin)而(er)发(fa)现可(ke)以利(li)用超(chao)声(sheng)波(bo)B扫(sao)描(miao)的(de)检(jian)测(ce)方(fang)式(shi),监测(ce)增(zeng)材过程中(zhong)激(ji)光参(can)数(shu)改变诱(you)发(fa)材料中(zhong)孔隙变(bian)化(hua)的(de)情况(kuang)[17]。CHABOT等(deng)人利用超声(sheng)相控(kong)阵(zhen)技(ji)术(shu)(10MHz,128阵(zhen)元(yuan))研究在(zai)线增材(cai)制(zhi)件(jian)中孔(kong)隙(xi)的可能性(xing)时(shi)发(fa)现,该(gai)方法(fa)可以(yi)检(jian)测(ce)出不(bu)小(xiao)于0.6mm的缺(que)陷(xian),且(qie)得(de)到(dao)了(le)CT检(jian)测结(jie)果(guo)的(de)验(yan)证[18]。然而,JAVADI等人(ren)最近(jin)的(de)研(yan)究结果表明,考虑(lv)到AM过程(cheng)中(zhong)的温(wen)度及(ji)制件(jian)冷却(que)速度(du),一(yi)般这种(zhong)接触式的(de)超声(sheng)相(xiang)控阵检(jian)测方(fang)法需(xu)要在制(zhi)备(bei)后36min后实(shi)施(shi)[19]。因(yin)此(ci),接触式的超声(sheng)成(cheng)像(xiang)检(jian)测(ce)不(bu)仅存在(zai)检测滞(zhi)后(hou)的问(wen)题,更主要(yao)的是(shi)无法对(dui)缺陷的(de)在(zai)线修复和后续加(jia)工(gong)工艺进行(xing)实(shi)时反(fan)馈。

在非接(jie)触(chu)式(shi)超(chao)声(sheng)成像检测方(fang)面,激光(guang)超声(sheng)检测技(ji)术因(yin)其(qi)检(jian)测精(jing)度高、适于(yu)复(fu)杂几(ji)何(he)形状检(jian)测以及可(ke)以(yi)远(yuan)距(ju)离(li)检测(ce),被(bei)认(ren)为是(shi)最(zui)有(you)可(ke)能(neng)用于(yu)AM过(guo)程(cheng)中的(de)主要(yao)在线(xian)检测技术之(zhi)一,近(jin)年来(lai)备受(shou)AM无(wu)损检测研(yan)究人员的关(guan)注(zhu)[20-25]。EVERTON等(deng)人评(ping)估了(le)激光(guang)激励的(de)超声表(biao)面波来检(jian)测AM制(zhi)件中(zhong)气(qi)孔(kong)缺(que)陷(xian)的(de)能(neng)力(li),以(yi)铺粉式(shi)激(ji)光(guang)增材(cai)制备的(de)钛(tai)合金(jin)试(shi)样中(zhong)人(ren)工孔(kong)隙缺(que)陷(xian)为研究(jiu)对(dui)象,发现(xian)利用(yong)B扫(sao)描(miao)的(de)方(fang)式(shi)可(ke)以检(jian)测(ce)出(chu)表(biao)面最(zui)小(xiao)直(zhi)径(jing)为(wei)0.725mm的孔隙,该(gai)工作(zuo)没有评(ping)估出(chu)内部型(xing)气孔缺陷的检测(ce)能力[20]。LEVESQUE等(deng)人(ren)研究(jiu)了一(yi)种(zhong)基于(yu)合成(cheng)孔径聚(ju)焦(jiao)(syntheticaperturefocusingtech-nique,SAFT)的(de)激光超(chao)声(sheng)检(jian)测(ce)方法,检(jian)测(ce)出(chu)了激光选(xuan)区和电(dian)子束(shu)两种增(zeng)材工(gong)艺(yi)制(zhi)备(bei)的(de)高温镍基合(he)金和钛合金中(zhong)内(nei)部(bu)的(de)未(wei)融(rong)合和孔(kong)隙(xi)等(deng)缺(que)陷,且(qie)检(jian)测(ce)结果(guo)得(de)到了(le)扫描电镜检测(ce)结果的(de)验(yan)证[21]。

THEODOSIA等(deng)人(ren)利(li)用(yong)激(ji)光(guang)机(ji)理(li)超声(sheng)波并(bing)形成超(chao)声相(xiang)控阵(zhen)(laserinducedphasedarray,LIPA)的方(fang)法(fa)检测出(chu)了选(xuan)区融化法制(zhi)备的(de)铝合金中(zhong)0.5mm~1.0mm的人工(gong)孔隙缺(que)陷,并尝试(shi)用(yong)全(quan)矩(ju)阵捕捉(zhuo)法来(lai)对增材过(guo)程进(jin)行(xing)成像(xiang)式(shi)检(jian)测[22],如图6所示。

最(zui)近,PIERIS等人改(gai)进(jin)了LIPA方(fang)法,利用(yong)脉(mai)冲重复频率(lv)为(wei)5kHz的激光器(qi)在(zai)热(re)弹(dan)机(ji)制下连(lian)续激励(li)超声(sheng)信(xin)号(hao),并对信号(hao)进(jin)行500次的平(ping)均(jun),以提(ti)高(gao)检测(ce)的信噪(zao)比,对激光(guang)选区(qu)增(zeng)材工艺制(zhi)备(bei)的铝(lv)镁合(he)金中6个不同(tong)深(shen)度(du)下直(zhi)径(jing)为(wei)0.5mm和1.0mm孔隙进行(xing)检(jian)测,如(ru)图7所(suo)示。结果表明,该方法(fa)能(neng)发(fa)现(xian)其(qi)中的5个(ge)缺陷(xian)[23]。

YU等人(ren)利(li)用(yong)高(gao)精(jing)度(du)的(de)激光测振仪代替(ti)上(shang)述(shu)研(yan)究(jiu)中(zhong)的(de)激光(guang)干涉(she)仪进(jin)行(xing)B扫(sao)描和(he)C扫(sao)描检(jian)测,发(fa)现对于(yu)激光(guang)增(zeng)材(cai)制造(zao)的(de)钛合(he)金试(shi)样(yang),B扫描(miao)和C扫(sao)描能够(gou)发(fa)现(xian)的最(zui)小(xiao)人(ren)工孔隙(xi)尺(chi)寸分(fen)别(bie)为0.8mm和(he)0.4mm[24]。

近年(nian)来(lai),国(guo)内在(zai)增材(cai)超声检测领(ling)域(yu)也开(kai)展了相(xiang)关跟(gen)踪研(yan)究(jiu)工作(zuo)。西(xi)北工(gong)业大学(xue)系(xi)统(tong)地(di)开(kai)展了(le)超声(sheng)检测技(ji)术应(ying)用(yong)于(yu)TC4钛合(he)金(jin)激光立体(ti)成形制件中(zhong)缺(que)陷(xian)检测(ce)的(de)研究(jiu)工(gong)作(zuo),该技术可检(jian)测(ce)出的(de)内(nei)部人(ren)工(gong)孔洞(dong)类(lei)缺陷(xian)尺寸约为(wei)0.6mm[25]。北(bei)京(jing)航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)大(da)学(xue)采用超声(sheng)C扫(sao)描技(ji)术(shu)对(dui)激光AM制造的(de)钛合金(jin)试样(yang)进行了(le)检(jian)测(ce)研究(jiu),发现(xian)试(shi)样(yang)柱(zhu)状晶组织诱发(fa)了材料(liao)的(de)各(ge)向异性和(he)高(gao)衰(shuai)减(jian)特(te)性(xing),从(cong)而(er)导致C扫描(miao)检(jian)测(ce)结(jie)果(guo)受不(bu)同(tong)深度(du)声(sheng)波(bo)的(de)能量(liang)大(da)小(xiao)和换能器(qi)焦斑(ban)的(de)对称性(xing)影响较(jiao)大(da),如(ru)图8所(suo)示。采(cai)用(yong)中(zhong)心频(pin)率10MHz、16阵(zhen)元的(de)环(huan)形(xing)水浸超(chao)声(sheng)声速(su)补偿成像(xiang)方式,可以(yi)发现AM钛(tai)合金中(zhong)直(zhi)径(jing)为0.8mm、深(shen)度为(wei)5mm人工(gong)平(ping)底孔(kong)缺陷[26]。

中国航(hang)发(fa)北(bei)京(jing)航(hang)空材料(liao)研究院采用(yong)中(zhong)心(xin)频(pin)率(lv)为10MHz的(de)超声(sheng)C扫(sao)描(miao)方(fang)式对(dui)激光(guang)选(xuan)区(qu)熔(rong)化(hua)TC4钛(tai)合(he)金中的孔隙(xi)进(jin)行检测研究(jiu)(如(ru)图(tu)9所示(shi)),结果(guo)表明,在(zai)超声(sheng)波聚焦于钛(tai)合(he)金表(biao)面(mian)处且(qie)检测(ce)灵(ling)敏(min)度为0.4mm平(ping)底(di)孔(kong)当量(liang)的(de)条件下(xia),近表面(mian)缺陷(xian)的(de)超声(sheng)C扫(sao)描检测(ce)分辨(bian)力为(wei)3mm、信(xin)噪比(bi)为(wei)16dB,所(suo)获(huo)得检(jian)测(ce)效(xiao)果最好(hao)[27]。

5、结束(shu)语

快(kuai)速有效(xiao)的无(wu)损(sun)检测(ce)方法是(shi)实现AM制(zhi)件(jian)在航空航(hang)天等领域广泛(fan)应(ying)用(yong)的关键技术之(zhi)一。国内外(wai)研究(jiu)人员在(zai)X射线(xian)无损(sun)检(jian)测(ce)和超声无(wu)损检测(ce)研(yan)究(jiu)领域(yu)已(yi)经(jing)取得(de)了(le)技术突破。

(a)通过(guo)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)过程中(zhong)材料(liao)缺陷(xian)的(de)在线(xian)无损检测,包(bao)括缺陷检(jian)测、几何(he)和物(wu)理参(can)数测量(liang),将监(jian)测(ce)结果(guo)实(shi)时反馈给增(zeng)材(cai)制(zhi)造控(kong)制系统,进(jin)而(er)对(dui)加工(gong)过(guo)程(cheng)来(lai)实时监控(kong)并(bing)调(diao)整(zheng)工(gong)艺参(can)数,实现AM制件的(de)控(kong)形及(ji)控(kong)性,是未来确(que)保AM制(zhi)件(jian)质量(liang)的主要手(shou)段。

(b)增材(cai)制(zhi)造在线(xian)无(wu)损检测(ce)新技术及(ji)装备(bei)的(de)研究对未(wei)来生产制(zhi)造(zao)行业具(ju)有(you)深远(yuan)影响(xiang)。AM制(zhi)件已(yi)经(jing)呈(cheng)现(xian)大型(xing)化、精(jing)细化(hua)、复(fu)杂(za)化(hua)发(fa)展(zhan)态势,针(zhen)对其(qi)开(kai)展激光(guang)超(chao)声、XCT以及TFM超声(sheng)相控(kong)阵(zhen)等方(fang)法(fa)并突破其快(kuai)速(su)高(gao)效的检测(ce)技术(shu),有(you)助于(yu)产(chan)生AM在线无损检测新技术及(ji)装备,推(tui)动AM制(zhi)造(zao)装备的(de)升级(ji)。

(c)XCT技(ji)术(shu)在(zai)检测(ce)精度和(he)检测效率(lv)方(fang)面(mian)具有(you)明显(xian)的(de)技(ji)术(shu)优势,其(qi)未来面临的挑战(zhan)主(zhu)要是被(bei)检测制件的厚(hou)度(du)和尺寸(cun)对于XCT能(neng)量(liang)和辐射防(fang)护(hu)方(fang)面的(de)限(xian)制。

激(ji)光超(chao)声检测(ce)技术具(ju)有非接触(chu)、远距离检(jian)测的优点(dian),且(qie)可以检(jian)测金(jin)属(shu)材(cai)料(liao)中微米(mi)级的孔隙缺陷,初步展(zhan)示(shi)了对(dui)于AM材料(liao)在(zai)线(xian)检测(ce)的适(shi)用性(xing)。AM合(he)金组(zu)织特殊性会诱发复(fu)杂(za)的超(chao)声(sheng)散射(she)噪声(sheng),导(dao)致超(chao)声(sheng)检(jian)测(ce)孔隙(xi)时存在严重的交(jiao)叉干(gan)扰(rao)现(xian)象,因(yin)此(ci)给现(xian)有(you)超声(sheng)检测方法(fa)带(dai)了(le)巨(ju)大挑战(zhan)。未来(lai)超声(sheng)检(jian)测技术需要进(jin)一步考虑(lv)如(ru)何(he)降(jiang)低(di)AM材料(liao)组织形貌特(te)殊性(xing)对超声(sheng)检测(ce)微小(xiao)孔隙检测的影响,以确(que)保(bao)检测结果(guo)的(de)可靠(kao)性与(yu)稳(wen)定性(xing)。

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