作者：常濤，楊立明，王浩，王光宇，劉亮堂

工作單位：航天五院503所

金屬增材制造技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)金屬部件的加工模式，這種新技術(shù)具有高效成型、節(jié)省材料和短加工周期等優(yōu)點(diǎn)，能突破傳統(tǒng)制造工藝的局限，生產(chǎn)出空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，深受汽車工業(yè)、航空航天和醫(yī)療器械等領(lǐng)域的青睞。

然而，增材制造技術(shù)在成形過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔、未熔合、裂紋等缺陷限制了增材制造技術(shù)在工業(yè)上的推廣與廣泛應(yīng)用。因此，金屬增材制造產(chǎn)品的質(zhì)量控制特別是在線監(jiān)測(cè)具有重要意義。

1常見(jiàn)缺陷及其形成原因

選區(qū)激光熔化（SLM）作為當(dāng)前主流的金屬增材制造技術(shù)，在航空航天、軍工領(lǐng)域等有著較為廣泛的應(yīng)用。SLM構(gòu)件內(nèi)部缺陷主要有氣孔、未熔合和裂紋，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)了各缺陷的特征和主要影響因素，如表1所示。

表1 內(nèi)部缺陷的特征和主要影響因素

缺陷類型

影響因素

特征

氣孔

激光能量輸入

金屬粉末

制品內(nèi)部隨機(jī)分布

形狀規(guī)則

未熔合

激光能量輸入

主要分布在層間

形狀扁平，平行熔覆層

裂紋

激光能量輸入

掃描策略

不規(guī)則

末端尖銳

1

氣孔

氣孔是SLM構(gòu)件主要的缺陷類型，是對(duì)SLM構(gòu)件力學(xué)性能影響最大的缺陷之一，如圖1所示。形成氣孔缺陷主要有三種情況：一是金屬粉末中攜帶的氣體；二是在增材制造過(guò)程中通過(guò)捕獲原始粉末材料中的惰性保護(hù)氣體形成；三是熔池中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。氣孔缺陷呈球形或類球形，尺寸較小一般小于20 μm。

圖1 氣孔缺陷

2

未熔合

未熔合缺陷主要出現(xiàn)在層間或熔池線之間，尺寸大小在50~500 μm，典型的未熔合缺陷主要有兩種，一種是凝固過(guò)程中熔融不足導(dǎo)致的未熔合，如圖2(a)所示；另一種是未熔化金屬粉末導(dǎo)致的未熔合，如圖2(b)所示。

圖2 SLM鈦合金材料的未熔合缺陷

對(duì)于AlSi10Mg等易氧化的材料，在SLM成形過(guò)程中，通常在殘留氧的金屬固體表面產(chǎn)生一層氧化膜，會(huì)降低熔池金屬的潤(rùn)濕性和流動(dòng)性，導(dǎo)致層間熔合不良，從而形成未熔合孔缺陷，如圖3中的位置2，從元素百分比含量分析結(jié)果（表2）可知，未熔合孔缺陷（位置2）富含氧，說(shuō)明該缺陷與氧化層的存在有關(guān)，氧化層能夠阻止層間熔合。

圖3 鋁合金中的未熔合孔缺陷

表2 缺陷位置元素含量分析（%）

3

裂紋

裂紋是金屬增材制造構(gòu)件中典型的缺陷之一，如圖4所示，裂紋的存在極大地降低了構(gòu)件的材料性能，甚至?xí)鸷暧^的開(kāi)裂、分層等現(xiàn)象，導(dǎo)致制備過(guò)程的失敗。

圖4 裂紋缺陷

在SLM工藝中，金屬粉末在局部激光高能量輸入下經(jīng)歷快速熔化和快速固化。熔池冷卻速度達(dá)到108 K/s，在成形過(guò)程中產(chǎn)生高溫度梯度和高熱應(yīng)力。高溫度梯度和高熱應(yīng)力是導(dǎo)致制造件裂紋萌生和擴(kuò)展的主要原因。

2

內(nèi)部缺陷檢測(cè)技術(shù)

相較于傳統(tǒng)的制造方法，SLM技術(shù)制造的部件能夠達(dá)到很高的表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)無(wú)余量的控制加工，解決復(fù)雜金屬部件加工困難的問(wèn)題，SLM是應(yīng)用最廣泛的金屬增材制造技術(shù)之一。

然而，基于離散疊層原理的SLM過(guò)程中，試件中隨機(jī)出現(xiàn)的各類內(nèi)部缺陷也是不容忽視的，因此對(duì)金屬增材制造過(guò)程進(jìn)行無(wú)損在線監(jiān)測(cè)甚至是過(guò)程修復(fù)，是提高增材制造成形件質(zhì)量的重要途徑之一。

目前應(yīng)用于金屬增材制造構(gòu)件內(nèi)部缺陷的離線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要包括超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)等，在線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要包括激光超聲檢測(cè)和紅外熱成像檢測(cè)等。

1

離線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

超聲檢測(cè)

超聲檢測(cè)主要是利用制件及其缺陷的聲學(xué)性能差異，通過(guò)觀察超聲波傳播波形反射情況和穿透時(shí)間的能量變化來(lái)檢驗(yàn)制件內(nèi)部缺陷。超聲檢測(cè)信號(hào)通常以A掃描、B掃描及C掃描的方式呈現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 超聲檢測(cè)中的A掃描、B掃描和C掃描

SHI等針對(duì)鈦合金增材制造件開(kāi)展超聲檢測(cè)試驗(yàn)研究，可檢測(cè)的氣孔大小為200~660 μm，可檢測(cè)的未熔合大小為1~3 mm。該方法主要用氣孔、未熔合等體缺陷，如圖6和圖7所示。

圖6 超聲檢測(cè)的氣孔缺陷

圖7 超聲檢測(cè)的未熔合缺陷

傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)需通過(guò)耦合劑將能量輸入到工件中，受制件溫度等因素制約，因此多用于制造后的離線檢測(cè)；超聲波可識(shí)別的缺陷尺寸范圍與其波長(zhǎng)相關(guān)，會(huì)存在不同程度的漏檢情況；超聲檢測(cè)易受到噪聲影響，影響缺陷精準(zhǔn)識(shí)別和缺陷定性分類。

射線檢測(cè)

射線檢測(cè)主要利用X射線或γ射線來(lái)進(jìn)行。通過(guò)觀察兩種射線在穿透被檢物各部分的強(qiáng)度衰減，檢測(cè)被檢物中的缺陷。主要通過(guò)灰度值的對(duì)比將缺陷表示出來(lái)。

射線檢測(cè)技術(shù)適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，適合對(duì)氣孔等缺陷進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)精度高，但其對(duì)檢測(cè)時(shí)間和檢測(cè)尺寸有一定限制；楊薇等利用工業(yè)CT對(duì)圓形試棒的橫截面進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)出0.1 mm的細(xì)小孔洞缺陷，如圖8所示。

圖8 試棒斷層CT檢測(cè)結(jié)果

2

在線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

激光超聲檢測(cè)

激光超聲檢測(cè)方法使用脈沖激光源在樣品表面產(chǎn)生超聲波，脈沖激光照射到樣品表面，入射點(diǎn)周圍的微小區(qū)域立即被高能脈沖激光加熱，熱彈性機(jī)制下，在試樣表面產(chǎn)生的應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)引起受熱區(qū)波動(dòng)，在試樣內(nèi)部產(chǎn)生超聲波，最后通過(guò)激光干涉儀接收在樣品表面的超聲振動(dòng)。

與傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)方法相比，脈沖激光產(chǎn)生的超聲波具有更寬的帶寬和更高的能量。此外，激光超聲檢測(cè)的非接觸特性使其適用于SLM工藝等復(fù)雜工況下的在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

Yu將激光超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于帶有內(nèi)部孔洞缺陷的金屬增材制造試樣的檢測(cè)，可檢測(cè)到直徑為0.8 mm的孔洞缺陷，如圖9和圖10所示。

圖9 增材制造試件

圖10 試件激光超聲檢測(cè)結(jié)果

Xu等探究了在表面粗糙度較高的情況下，激光超聲影像系統(tǒng)對(duì)金屬增材制造構(gòu)件缺陷的檢測(cè)能力，結(jié)果表明，對(duì)于沒(méi)有處理過(guò)的粗糙的SLM構(gòu)件，該系統(tǒng)可檢測(cè)到直徑為0.05 mm的孔洞，如圖11和圖12所示。

圖11 兩排直徑不同的微孔缺陷試件示意圖

圖12 孔隙缺陷的C掃描圖像結(jié)果

紅外熱成像檢測(cè)

紅外熱成像法是基于熱信號(hào)的檢測(cè)方法，原理是利用制件內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)差異性，進(jìn)而引起溫度分布的差異性，通過(guò)檢測(cè)制件表面溫度場(chǎng)的變化來(lái)檢測(cè)內(nèi)部缺陷的分布。

Dinwiddie等采用紅外相機(jī)揭示了增材制造過(guò)程中的孔隙、未融合等缺陷；Garcia等利用熱成像法很好地監(jiān)測(cè)了增材制造過(guò)程中裂紋缺陷，如圖13所示。

(a) 有裂紋輻射曲線

(b) 無(wú)裂紋輻射曲線

圖13 有無(wú)缺陷的輻射曲線

3

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)簡(jiǎn)要介紹金屬增材制造內(nèi)部缺陷的類型及成因，有針對(duì)性地綜述了當(dāng)前應(yīng)用于檢測(cè)內(nèi)部缺陷的離線無(wú)損檢測(cè)方法和在線無(wú)損檢測(cè)方法。對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展提出以下幾點(diǎn)建議：

1

影響增材制造成型質(zhì)量的因素繁多，目前只能直接測(cè)得部分重要參數(shù)，仍有一部分起重要表征作用的參數(shù)無(wú)法直接獲得，它們對(duì)于理解增材制造過(guò)程中缺陷的產(chǎn)生，并設(shè)計(jì)在線檢測(cè)系統(tǒng)以實(shí)時(shí)反饋控制構(gòu)件的成型過(guò)程具有重要意義。

2

金屬增材制造缺陷類型較多且具有隨機(jī)性，如何快速檢測(cè)并識(shí)別缺陷類型，適時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)提高增材制造的成型質(zhì)量，也是需要繼續(xù)深入研究的重要課題。

作者：常濤，楊立明，王浩，王光宇，劉亮堂

工作單位：航天五院503所