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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)展,重點(diǎn)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(additionmanufacture,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(diǎn),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]。NorskTi-tanium公司報道,飛機(jī)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(jī)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(xué)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(jī)中的SuperDraco推進(jìn)器,僅用數(shù)月時間就完成了發(fā)動機(jī)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?zé)峤粨Q器以及我國的C919客機(jī)的主風(fēng)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(xué)會主席REED等人分析了高溫合金AM技術(shù)需要面對的科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)(如圖1所示),認(rèn)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(xué)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(xué)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(xué)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(rèn)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(qiáng)度、延展性以及疲勞強(qiáng)度等材料力學(xué)性能嚴(yán)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(jìn)行在線檢測,然后反饋給AM制備系統(tǒng)來實(shí)時調(diào)整工藝參數(shù)以降低制件的孔隙率。因此,準(zhǔn)確可靠地對AM過程中孔隙缺陷進(jìn)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(xué)研究意義和工程應(yīng)用價值。

圍繞這一問題,國內(nèi)外學(xué)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(shí)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(shí)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(jìn)行的實(shí)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(shí)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(jī)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(jìn)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(xiàn)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(jī)層析成像(X-raycomputedtomography,XCT)技術(shù)和激光超聲檢測技術(shù),被認(rèn)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(diǎn)[12]。因此,下面將重點(diǎn)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(jìn)展。

3、XCT無損檢測技術(shù)

倫敦大學(xué)學(xué)院借助X射線技術(shù)的高精度檢測特點(diǎn),實(shí)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(jī)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(zhǔn)確、直觀地展示制件內(nèi)部缺陷等優(yōu)點(diǎn),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(xué)AM研究團(tuán)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(jìn)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(jìn)一步提升檢測效率和檢測實(shí)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(jìn)行檢測分析,進(jìn)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(scanningelectronmicro-scope,SEM)及XCT檢測結(jié)果。

這種方法可實(shí)時監(jiān)控成形過程,發(fā)現(xiàn)缺陷后反饋進(jìn)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(diǎn)。

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(jī)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(jìn)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(shí)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(jìn)行實(shí)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(yuǎn)距離檢測,被認(rèn)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(syntheticaperturefocusingtech-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(jī)理超聲波并形成超聲相控陣(laserinducedphasedarray,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(jìn)行成像式檢測[22],如圖6所示。

最近,PIERIS等人改進(jìn)了LIPA方法,利用脈沖重復(fù)頻率為5kHz的激光器在熱彈機(jī)制下連續(xù)激勵超聲信號,并對信號進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xué)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(xué)采用超聲C掃描技術(shù)對激光AM制造的鈦合金試樣進(jìn)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(bǔ)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(jìn)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(dāng)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,所獲得檢測效果優(yōu)良[27]。

5、結(jié)束語

快速有效的無損檢測方法是實(shí)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(shí)時反饋給增材制造控制系統(tǒng),進(jìn)而對加工過程來實(shí)時監(jiān)控并調(diào)整工藝參數(shù),實(shí)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(yuǎn)影響。AM制件已經(jīng)呈現(xiàn)大型化、精細(xì)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(hù)方面的限制。

激光超聲檢測技術(shù)具有非接觸、遠(yuǎn)距離檢測的優(yōu)點(diǎn),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(yán)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(jìn)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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