鈦合金增材制造孔隙缺陷的無(wú)損檢測(cè)研究進(jìn)展

引言

近年來(lái),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(wú)損檢測(cè)是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容,利用先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)裝備和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是確保增材制件質(zhì)量的主要手段,對(duì)未來(lái)生產(chǎn)制造行業(yè)具有深遠(yuǎn)影響。鑒于無(wú)損檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展,重點(diǎn)介紹了目前國(guó)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(cè)中的應(yīng)用,展望了未來(lái)該領(lǐng)域在線無(wú)損檢測(cè)方向上的發(fā)展動(dòng)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(lái),全球增材制造的市場(chǎng)規(guī)模逐年上升,從行業(yè)方面來(lái)看,航空航天領(lǐng)域積累的AM技術(shù)方面經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較多[2]。NorskTi-tanium公司報(bào)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(lái)看可為每架波音787飛機(jī)節(jié)省約300萬(wàn)美元。因此,AM技術(shù)在國(guó)際航空制造領(lǐng)域迅猛發(fā)展,被用來(lái)設(shè)計(jì)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(guó)SpaceX太空探索技術(shù)公司采用AM技術(shù)制造龍飛船發(fā)動(dòng)機(jī)中的SuperDraco推進(jìn)器,僅用數(shù)月時(shí)間就完成了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造,大幅度地節(jié)省了時(shí)間成本和原材料成本[3]。此外,美國(guó)國(guó)家航空航天局研制的低溫?zé)峤粨Q器以及我國(guó)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(duì)AM技術(shù)深入的研究發(fā)現(xiàn),由于AM技術(shù)在制造過(guò)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(duì)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(guó)際高溫合金學(xué)會(huì)主席REED等人分析了高溫合金AM技術(shù)需要面對(duì)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(wèn)題,未來(lái)需要更多缺陷檢測(cè)和性能評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)積累,而這離不開(kāi)數(shù)據(jù)分析、物理建模、過(guò)程仿真、人工智能和新在線檢測(cè)技術(shù)的支持。可用于AM制造過(guò)程中的無(wú)損檢測(cè)手段是未來(lái)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)

隨著AM制件在航空航天等領(lǐng)域逐漸投入使用,對(duì)于制件的力學(xué)性能等也提出了更高的要求,通過(guò)控制制件內(nèi)孔隙的形成來(lái)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(guò)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(shí)觀測(cè)其形成過(guò)程的在線檢測(cè)手段。在AM過(guò)程中,孔隙型缺陷是增材制件中最為常見(jiàn)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(duì)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?chē)?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(guò)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(shí)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(guò)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(lèi)型缺陷的重要手段[8]。

可見(jiàn),降低AM制件孔隙率的關(guān)鍵是如何能夠在增材制造的過(guò)程中,對(duì)形成異常尺寸的孔隙進(jìn)行在線檢測(cè),然后反饋給AM制備系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)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(duì)AM過(guò)程中孔隙缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),對(duì)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(jià)值。

圍繞這一問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量探索性研究,試圖從AM制備后的性能檢測(cè)、AM零件制備過(guò)程中的特征量監(jiān)測(cè)和在線式無(wú)損檢測(cè)技術(shù)3個(gè)方向,來(lái)解決AM零件的質(zhì)量控制問(wèn)題[9-12]。

2.1離線式無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

離線式無(wú)損檢測(cè)方式屬于制件加工后檢測(cè),多用于AM結(jié)束后對(duì)制件的質(zhì)量評(píng)價(jià)。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(duì)孔洞缺陷的影響[9]。由于離線無(wú)損檢測(cè)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性獲取制件質(zhì)量信息,無(wú)法根據(jù)制件狀態(tài)對(duì)AM工藝進(jìn)行的實(shí)時(shí)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(cè)的間接式檢測(cè)

通過(guò)監(jiān)測(cè)AM過(guò)程能夠反映材料成形等各類(lèi)不穩(wěn)定現(xiàn)象,據(jù)此來(lái)預(yù)測(cè)缺陷的產(chǎn)生,用于實(shí)時(shí)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(cè)參數(shù)[10]。例如,CHOO等人利用光電二極管檢測(cè)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(duì)處于在置信區(qū)間外的區(qū)域作為過(guò)熱區(qū)域,并據(jù)此來(lái)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(guò)程中,材料組織演化過(guò)程和缺陷產(chǎn)生機(jī)制尚未完全明確,而且用于監(jiān)測(cè)的過(guò)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(cè)手段進(jìn)行配合使用。

2.3在線式無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

在線式無(wú)損檢測(cè)方式是AM加工過(guò)程急需且有效的一種檢測(cè)方式。已經(jīng)報(bào)道的文獻(xiàn)中,AM過(guò)程中在線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)多集中于X射線技術(shù)以及超聲檢測(cè)技術(shù),特別是X光計(jì)算機(jī)層析成像(X-raycomputedtomography,XCT)技術(shù)和激光超聲檢測(cè)技術(shù),被認(rèn)為最有潛力應(yīng)用于AM過(guò)程的制件檢測(cè),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(cè)方面的主要研究進(jìn)展。

3、XCT無(wú)損檢測(cè)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(cè)特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了Ti-6242材料在激光AM過(guò)程中激光與Ti-6242相互作用過(guò)程的連續(xù)觀測(cè),并通過(guò)不同時(shí)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(wú)損檢測(cè),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(duì)采用XCT技術(shù)對(duì)鋁合金激光選區(qū)熔化AM制件孔隙率進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果表明,該技術(shù)可檢測(cè)最小孔隙率為0.06%,可檢測(cè)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(cè)效率和檢測(cè)實(shí)時(shí)性,研究人員提出了一種AM過(guò)程XCT在線無(wú)損檢測(cè)方式:在制件打印一定層數(shù)后進(jìn)行檢測(cè)分析,進(jìn)而通過(guò)逐層打印、固定層數(shù)檢測(cè)的方式來(lái)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(cè)結(jié)果。

這種方法可實(shí)時(shí)監(jiān)控成形過(guò)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(cè)方式對(duì)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)

考慮到XCT放射性,目前美國(guó)國(guó)家航空航天局等機(jī)構(gòu)研究提出了基于超聲檢測(cè)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(cè)和非接觸式超聲成像檢測(cè)兩種方式[16]。在接觸式超聲成像檢測(cè)方面,RIEDER等人利用壓電式的脈沖回波超聲法,檢測(cè)出了激光增材過(guò)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(cè)方式,監(jiān)測(cè)增材過(guò)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(shí)發(fā)現(xiàn),該方法可以檢測(cè)出不小于0.6mm的缺陷,且得到了CT檢測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證[18]。然而,JAVADI等人最近的研究結(jié)果表明,考慮到AM過(guò)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(cè)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(cè)不僅存在檢測(cè)滯后的問(wèn)題,更主要的是無(wú)法對(duì)缺陷的在線修復(fù)和后續(xù)加工工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。

在非接觸式超聲成像檢測(cè)方面,激光超聲檢測(cè)技術(shù)因其檢測(cè)精度高、適于復(fù)雜幾何形狀檢測(cè)以及可以遠(yuǎn)距離檢測(cè),被認(rèn)為是最有可能用于AM過(guò)程中的主要在線檢測(cè)技術(shù)之一,近年來(lái)備受AM無(wú)損檢測(cè)研究人員的關(guān)注[20-25]。EVERTON等人評(píng)估了激光激勵(lì)的超聲表面波來(lái)檢測(cè)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(duì)象,發(fā)現(xiàn)利用B掃描的方式可以檢測(cè)出表面最小直徑為0.725mm的孔隙,該工作沒(méi)有評(píng)估出內(nèi)部型氣孔缺陷的檢測(cè)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(cè)方法,檢測(cè)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(cè)結(jié)果得到了掃描電鏡檢測(cè)結(jié)果的驗(yàn)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(cè)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(lái)對(duì)增材過(guò)程進(jìn)行成像式檢測(cè)[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(lì)超聲信號(hào),并對(duì)信號(hào)進(jìn)行500次的平均,以提高檢測(cè)的信噪比,對(duì)激光選區(qū)增材工藝制備的鋁鎂合金中6個(gè)不同深度下直徑為0.5mm和1.0mm孔隙進(jìn)行檢測(cè),如圖7所示。結(jié)果表明,該方法能發(fā)現(xiàn)其中的5個(gè)缺陷[23]。

YU等人利用高精度的激光測(cè)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(cè),發(fā)現(xiàn)對(duì)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(lái),國(guó)內(nèi)在增材超聲檢測(cè)領(lǐng)域也開(kāi)展了相關(guān)跟蹤研究工作。西北工業(yè)大學(xué)系統(tǒng)地開(kāi)展了超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于TC4鈦合金激光立體成形制件中缺陷檢測(cè)的研究工作,該技術(shù)可檢測(cè)出的內(nèi)部人工孔洞類(lèi)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(duì)激光AM制造的鈦合金試樣進(jìn)行了檢測(cè)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(cè)結(jié)果受不同深度聲波的能量大小和換能器焦斑的對(duì)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(guó)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(duì)激光選區(qū)熔化TC4鈦合金中的孔隙進(jìn)行檢測(cè)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(cè)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(cè)分辨力為3mm、信噪比為16dB,所獲得檢測(cè)效果優(yōu)良[27]。

5、結(jié)束語(yǔ)

快速有效的無(wú)損檢測(cè)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(guó)內(nèi)外研究人員在X射線無(wú)損檢測(cè)和超聲無(wú)損檢測(cè)研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了技術(shù)突破。

(a)通過(guò)增材制造過(guò)程中材料缺陷的在線無(wú)損檢測(cè),包括缺陷檢測(cè)、幾何和物理參數(shù)測(cè)量,將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給增材制造控制系統(tǒng),進(jìn)而對(duì)加工過(guò)程來(lái)實(shí)時(shí)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(lái)確保AM制件質(zhì)量的主要手段。

(b)增材制造在線無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)及裝備的研究對(duì)未來(lái)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(shì),針對(duì)其開(kāi)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(cè)技術(shù),有助于產(chǎn)生AM在線無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)及裝備,推動(dòng)AM制造裝備的升級(jí)。

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

激光超聲檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、遠(yuǎn)距離檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn),且可以檢測(cè)金屬材料中微米級(jí)的孔隙缺陷,初步展示了對(duì)于AM材料在線檢測(cè)的適用性。AM合金組織特殊性會(huì)誘發(fā)復(fù)雜的超聲散射噪聲,導(dǎo)致超聲檢測(cè)孔隙時(shí)存在嚴(yán)重的交叉干擾現(xiàn)象,因此給現(xiàn)有超聲檢測(cè)方法帶了巨大挑戰(zhàn)。未來(lái)超聲檢測(cè)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(duì)超聲檢測(cè)微小孔隙檢測(cè)的影響,以確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性與穩(wěn)定性。

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