引 言

近年來,鈦合金增材制造技術(shù)發(fā)展迅速,尤其是在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、設(shè)備儀器等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。 鈦合金增材制件缺陷的無損檢測是一項重要的研究內(nèi)容,利用先進的無損檢測裝備和無損檢測技術(shù)是確保增材制件質(zhì)量的主要手段,對未來生產(chǎn)制造行業(yè)具有深遠影響。 鑒于無損檢測研究的重要意義,本文作者系統(tǒng)地總結(jié)了增材制造合金領(lǐng)域中制件孔隙型缺陷無損檢測技術(shù)的研究進展,重點介紹了目前國內(nèi)外激光超聲技術(shù)在增材制件孔隙尺寸和孔隙率檢測中的應(yīng)用,展望了未來該領(lǐng)域在線無損檢測方向上的發(fā)展動態(tài)。

1 、增材制造技術(shù)

增材制造(addition manufacture,AM) 技術(shù)具有復(fù)雜構(gòu)件快速凈成形、材料利用率高等優(yōu)點,是航空航天領(lǐng)域具代表性顛覆性技術(shù)之一[1]。 近年來,全球增材制造的市場規(guī)模逐年上升,從行業(yè)方面來看,航空航天領(lǐng)域積累的 AM 技術(shù)方面經(jīng)驗相對較多[2]。 Norsk Ti-tanium 公司報道,飛機上典型的 2kg 鈦合金部件若采用傳統(tǒng)加工方式需要從 30kg 原材料上切割完成,相比于該方式,AM 技術(shù)則僅需 6kg 的鈦絲,整體來看可為每架波音 787 飛機節(jié)省約 300 萬美元。 因此,AM技術(shù)在國際航空制造領(lǐng)域迅猛發(fā)展,被用來設(shè)計更多具有優(yōu)良力學性能或是具有特殊功能的零部件。 例如,美國 SpaceX 太空探索技術(shù)公司采用 AM 技術(shù)制造龍飛船發(fā)動機中的 SuperDraco 推進器,僅用數(shù)月時間就完成了發(fā)動機設(shè)計和制造,大幅度地節(jié)省了時間成本和原材料成本[3]。 此外,美國國家航空航天局研制的低溫熱交換器以及我國的 C919 客機的主風擋窗框和中央翼根肋等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件亦采用了 AM 技術(shù)

[4-5]。

隨著對 AM 技術(shù)深入的研究發(fā)現(xiàn),由于 AM 技術(shù)在制造過程中材料溫度變化劇烈、成型行為復(fù)雜,制造工藝參數(shù)以及階梯效應(yīng)容易對制件的尺寸精度、組織各向異性以及結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生影響,因而制件內(nèi)部多發(fā)現(xiàn)氣孔、 未熔合、 微裂紋等誘發(fā)其疲勞失效的缺陷[6]。 國際高溫合金學會主席 REED 等人分析了高溫合金 AM 技術(shù)需要面對的科學與技術(shù)挑戰(zhàn)(如圖 1所示),認為目前 AM 制備產(chǎn)品在質(zhì)量控制、減少缺陷及產(chǎn)品一致性上仍存在缺少成熟技術(shù)的問題,未來需要更多缺陷檢測和性能評價的數(shù)據(jù)積累,而這離不開數(shù)據(jù)分析、物理建模、過程仿真、人工智能和新在線檢測技術(shù)的支持。 可用于 AM 制造過程中的無損檢測手段是未來 AM 領(lǐng)域科學和工程領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)之一[7]。

2 、孔隙型缺陷的無損檢測技術(shù)

隨著 AM 制件在航空航天等領(lǐng)域逐漸投入使用,對于制件的力學性能等也提出了更高的要求,通過控制制件內(nèi)孔隙的形成來提高其力學性能的方式引起了該領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。 目前制件內(nèi)部冶金缺陷的有效控制尚未完全解決,有研究者認為其關(guān)鍵在于 AM過程中制件組織及缺陷形成規(guī)律尚未完全厘清,且缺少能夠?qū)崟r觀測其形成過程的在線檢測手段。 在 AM過程中,孔隙型缺陷是增材制件中最為常見的缺陷之一,多呈現(xiàn)球型或橢球型形貌特征,其尺寸在數(shù)十微米至百微米范圍,如圖2 所示。 孔隙型缺陷對增材制件的拉伸強度、延展性以及疲勞強度等材料力學性能嚴重影響,其產(chǎn)生原因往往與 AM 工藝參數(shù)密切相關(guān),例如,增材過程中材料冷卻速率較大使得熔融態(tài)的金屬材料中的氣體不能及時從熔池中溢出而滯留在材料內(nèi)部形成孔隙。 考慮到制件內(nèi)孔隙位置、形狀、尺寸、方向和密度等特征與 AM 工藝參數(shù)密切相關(guān),所以通過優(yōu)化工藝參數(shù)(如層厚、能量輸入、構(gòu)建方向、掃描策略、掃描間距和掃描速率) 的方式被視為是減少該類型缺陷的重要手段[8]。

可見,降低 AM 制件孔隙率的關(guān)鍵是如何能夠在增材制造的過程中,對形成異常尺寸的孔隙進行在線檢測,然后反饋給 AM 制備系統(tǒng)來實時調(diào)整工藝參數(shù)以降低制件的孔隙率。 因此,準確可靠地對 AM 過程中孔隙缺陷進行無損檢測,對于 AM 零件質(zhì)量控制及安全服役均具有重要的科學研究意義和工程應(yīng)用價值。

圍繞這一問題,國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了大量探索性研究,試圖從 AM 制備后的性能檢測、AM 零件制備過程中的特征量監(jiān)測和在線式無損檢測技術(shù) 3 個方向,來解決 AM 零件的質(zhì)量控制問題[9-12]。

2. 1 離線式無損檢測技術(shù)

離線式無損檢測方式屬于制件加工后檢測,多用于 AM 結(jié)束后對制件的質(zhì)量評價。 實際上,這種方式還可用于建立 AM 工藝條件和制件質(zhì)量之間本構(gòu)關(guān)系的研究。 例如 PARAB

等人采用基于同步加速器的 X光顯微斷層掃描技術(shù)研究了粉末及后處理工藝對孔洞缺陷的影響[9]。 由于離線無損檢測無法滿足實時性獲取制件質(zhì)量信息,無法根據(jù)制件狀態(tài)對 AM 工藝進行的實時調(diào)整以及缺陷去除,難以提高 AM 制件質(zhì)量及成品率。

2. 2 基于特征量監(jiān)測的間接式檢測

通過監(jiān)測 AM 過程能夠反映材料成形等各類不穩(wěn)定現(xiàn)象,據(jù)此來預(yù)測缺陷的產(chǎn)生,用于實時制造工藝參數(shù)的反饋控制。 該方式目前主要以熔池尺寸、溫度、光譜以及熔池附近等離子體等作為監(jiān)測參數(shù)[10]。 例如,CHOO 等人利用光電二極管檢測熔池的平均輻射,在確定了熔池參數(shù)置信區(qū)間基礎(chǔ)上,對處于在置信區(qū)間外的區(qū)域作為過熱區(qū)域,并據(jù)此來判定制件制造質(zhì)量,研究表明,孔隙缺陷在制件邊緣處出現(xiàn)頻率高于其它區(qū)域[11]。 考慮到 AM 過程中,材料組織演化過程和缺陷產(chǎn)生機制尚未完全明確,而且用于監(jiān)測的過程特征參數(shù)與制件缺陷之間的本構(gòu)關(guān)系并不明晰,所以該方法難以保證制件最終質(zhì)量,需要其它檢測手段進行配合使用。

2. 3 在線式無損檢測技術(shù)

在線式無損檢測方式是 AM 加工過程急需且有效的一種檢測方式。 已經(jīng)報道的文獻中,AM 過程中在線無損檢測技術(shù)多集中于 X 射線技術(shù)以及超聲檢測技術(shù),特別是 X 光計算機層析成像( X-ray computed tomography,XCT)技術(shù)和激光超聲檢測技術(shù),被認為最有潛力應(yīng)用于 AM 過程的制件檢測,已經(jīng)成為本領(lǐng)域的研究熱點[12]。 因此,下面將重點介紹 XCT 技術(shù)與激光超聲技術(shù)在 AM 材料檢測方面的主要研究進展。

3、 XCT 無損檢測技術(shù)

倫敦大學學院借助 X 射線技術(shù)的高精度檢測特點,實現(xiàn)了 Ti-6242 材料在激光 AM 過程中激光與 Ti-6242 相互作用過程的連續(xù)觀測,并通過不同時刻孔隙形態(tài)的特征變化分析了其形成機制,如圖 3 所示[13]。

相較于傳統(tǒng)的 X 射線技術(shù),XCT 具有可清晰、準確、直觀地展示制件內(nèi)部缺陷等優(yōu)點,特別適合于復(fù)雜構(gòu)型的中小型結(jié)構(gòu)件的無損檢測,因此被廣泛用于AM 領(lǐng)域中。 如諾丁漢大學 AM 研究團隊采用 XCT 技術(shù)對鋁合金激光選區(qū)熔化 AM 制件孔隙率進行了檢測,結(jié)果表明,該技術(shù)可檢測最小孔隙率為 0. 06%,可檢測出的最小孔隙直徑約為 260μm,如圖 4 所示[14]。為了進一步提升檢測效率和檢測實時性,研究人員提出了一種 AM 過程 XCT 在線無損檢測方式:在制件打印一定層數(shù)后進行檢測分析,進而通過逐層打印、固定層數(shù)檢測的方式來獲取制件的缺陷信息并用于提高制件的整體質(zhì)量[15]。 圖 5 所示為 Inconel625 不銹鋼增材試樣掃描電子顯微鏡(scanning electron micro-scope,SEM)及 XCT 檢測結(jié)果。

這種方法可實時監(jiān)控成形過程,發(fā)現(xiàn)缺陷后反饋進而修復(fù)缺陷,可極大減少制件的廢品率,提高產(chǎn)品的一次性合格率。 在線檢測方式對于 AM 制造零部件質(zhì)量控制意義更為顯著,已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究前沿與熱點。

4 、激光超聲無損檢測技術(shù)

考慮到 XCT 放射性,目前美國國家航空航天局等機構(gòu)研究提出了基于超聲檢測技術(shù)的 AM 材料內(nèi)部孔隙成像的研究思路,主要分為接觸式超聲成像檢測和非接觸式超聲成像檢測兩種方式[16]。

在接觸式超聲成像檢測方面,RIEDER 等人利用壓電式的脈沖回波超聲法,檢測出了激光增材過程中金屬鋁中直徑約 2mm 的球型孔隙,進而發(fā)現(xiàn)可以利用超聲波 B 掃描的檢測方式,監(jiān)測增材過程中激光參數(shù)改變誘發(fā)材料中孔隙變化的情況[17]。 CHABOT 等人利用超聲相控陣技術(shù)(10MHz,128 陣元)研究在線增材制件中孔隙的可能性時發(fā)現(xiàn),該方法可以檢測出

不小于 0. 6mm 的缺陷,且得到了 CT 檢測結(jié)果的驗證[18]。 然而,JAVADI 等人最近的研究結(jié)果表明,考慮到 AM 過程中的溫度及制件冷卻速度,一般這種接觸式的超聲相控陣檢測方法需要在制備后 36min 后實施[19]。 因此,接觸式的超聲成像檢測不僅存在檢測滯后的問題,更主要的是無法對缺陷的在線修復(fù)和后續(xù)加工工藝進行實時反饋。

在非接觸式超聲成像檢測方面,激光超聲檢測技術(shù)因其檢測精度高、適于復(fù)雜幾何形狀檢測以及可以遠距離檢測,被認為是最有可能用于 AM 過程中的主要在線檢測技術(shù)之一,近年來備受 AM 無損檢測研究人員的關(guān)注[20-25]。 EVERTON 等人評估了激光激勵的超聲表面波來檢測 AM 制件中氣孔缺陷的能力,以鋪粉式激光增材制備的鈦合金試樣中人工孔隙缺陷為研究對象,發(fā)現(xiàn)利用 B 掃描的方式可以檢測出表面最小直徑為 0. 725mm 的孔隙,該工作沒有評估出內(nèi)部型氣孔缺陷的檢測能力[20]。 LEVESQUE 等人研究了一種基于合成孔徑聚焦(synthetic aperture focusing tech-nique,SAFT)的激光超聲檢測方法,檢測出了激光選區(qū)和電子束兩種增材工藝制備的高溫鎳基合金和鈦合金中內(nèi)部的未融合和孔隙等缺陷,且檢測結(jié)果得到了掃描電鏡檢測結(jié)果的驗證[21]。

THEODOSIA 等人利用激光機理超聲波并形成超聲相控陣(laser induced phased array,LIPA) 的方法檢測出了選區(qū)融化法制備的鋁合金中 0. 5mm ~ 1. 0mm的人工孔隙缺陷,并嘗試用全矩陣捕捉法來對增材過程進行成像式檢測[22],如圖 6 所示。

最近,PIERIS 等人改進了 LIPA 方法,利用脈沖重復(fù)頻率為 5kHz 的激光器在熱彈機制下連續(xù)激勵超聲信號,并對信號進行 500 次的平均,以提高檢測的信噪比,對激光選區(qū)增材工藝制備的鋁鎂合金中 6 個不同深度下直徑為 0. 5mm 和 1. 0mm 孔隙進行檢測,如圖7 所 示。 結(jié) 果 表 明, 該 方 法 能 發(fā) 現(xiàn) 其 中 的 5 個 缺陷[23]。

YU 等人利用高精度的激光測振儀代替上述研究中的激光干涉儀進行 B 掃描和 C 掃描檢測,發(fā)現(xiàn)對于激光增材制造的鈦合金試樣,B 掃描和 C 掃描能夠發(fā)現(xiàn)的最小人工孔隙尺寸分別為 0. 8mm 和 0. 4mm[24]。

近年來,國內(nèi)在增材超聲檢測領(lǐng)域也開展了相關(guān)跟蹤研究工作。 西北工業(yè)大學系統(tǒng)地開展了超聲檢測技術(shù)應(yīng)用于 TC4 鈦合金激光立體成形制件中缺陷檢測的研究工作,該技術(shù)可檢測出的內(nèi)部人工孔洞類缺陷尺寸約為 0. 6mm[25]。 北京航空航天大學采用超聲C 掃描技術(shù)對激光 AM 制造的鈦合金試樣進行了檢測研究,發(fā)現(xiàn)試樣柱狀晶組織誘發(fā)了材料的各向異性和高衰減特性,從而導(dǎo)致 C 掃描檢測結(jié)果受不同深度聲波的能量大小和換能器焦斑的對稱性影響較大,如圖8 所示。 采用中心頻率 10MHz、16 陣元的環(huán)形水浸超聲聲速補償成像方式,可以發(fā)現(xiàn) AM 鈦合金中直徑為0. 8mm、深度為 5mm 人工平底孔缺陷[26]。

中國航發(fā)北京航空材料研究院采用中心頻率為10MHz 的超聲 C 掃描方式對激光選區(qū)熔化 TC4 鈦合金中的孔隙進行檢測研究(如圖 9 所示),結(jié)果表明,在超 聲 波 聚 焦 于 鈦 合 金 表 面 處 且 檢 測 靈 敏 度 為0. 4mm 平底孔當量的條件下,近表面缺陷的超聲 C掃描檢測分辨力為 3mm、信噪比為 16dB,所獲得檢測效果最好[27]。

5 、結(jié)束語

快速有效的無損檢測方法是實現(xiàn) AM 制件在航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。 國內(nèi)外研究人員在 X 射線無損檢測和超聲無損檢測研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了技術(shù)突破。

(a)通過增材制造過程中材料缺陷的在線無損檢測,包括缺陷檢測、幾何和物理參數(shù)測量,將監(jiān)測結(jié)果實時反饋給增材制造控制系統(tǒng),進而對加工過程來實時監(jiān)控并調(diào)整工藝參數(shù),實現(xiàn) AM 制件的控形及控性,是未來確保 AM 制件質(zhì)量的主要手段。

(b)增材制造在線無損檢測新技術(shù)及裝備的研究對未來生產(chǎn)制造行業(yè)具有深遠影響。 AM 制件已經(jīng)呈現(xiàn)大型化、精細化、復(fù)雜化發(fā)展態(tài)勢,針對其開展激光超聲、XCT 以及 TFM 超聲相控陣等方法并突破其快速高效的檢測技術(shù),有助于產(chǎn)生 AM 在線無損檢測新技術(shù)及裝備,推動 AM 制造裝備的升級。

(c)XCT 技術(shù)在檢測精度和檢測效率方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢,其未來面臨的挑戰(zhàn)主要是被檢測制件的厚度和尺寸對于 XCT 能量和輻射防護方面的限制。

激光超聲檢測技術(shù)具有非接觸、遠距離檢測的優(yōu)點,且可以檢測金屬材料中微米級的孔隙缺陷,初步展示了對于 AM 材料在線檢測的適用性。 AM 合金組織特殊性會誘發(fā)復(fù)雜的超聲散射噪聲,導(dǎo)致超聲檢測孔隙時存在嚴重的交叉干擾現(xiàn)象,因此給現(xiàn)有超聲檢測方法帶了巨大挑戰(zhàn)。 未來超聲檢測技術(shù)需要進一步考慮如何降低 AM 材料組織形貌特殊性對超聲檢測微小孔隙檢測的影響,以確保檢測結(jié)果的可靠性與穩(wěn)定性。

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