金屬激光增材制造內(nèi)部缺陷及檢測(cè)方法研究進(jìn)展

來(lái)源：第三屆航空航天增材制造大會(huì)優(yōu)秀論文集章節(jié)內(nèi)容
作者單位：航天五院503所
作者：常濤 楊立明 王浩 王光宇 劉亮堂

導(dǎo)讀：缺陷是金屬增材制造面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，直接決定了制造工藝的成敗，制約了增材制造技術(shù)的高速發(fā)展。本文圍繞著金屬激光增材制造內(nèi)部缺陷和檢測(cè)方法展開(kāi)，首先簡(jiǎn)要綜述了金屬增材制造的常見(jiàn)內(nèi)部缺陷類(lèi)型及形成原因；隨后綜述了近年來(lái)關(guān)于金屬激光增材制造內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法；最后展望了金屬增材制造內(nèi)部缺陷檢測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向。

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(chē)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(xiàn)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

本文作者綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究報(bào)道，總結(jié)了金屬增材制造內(nèi)部缺陷的主要類(lèi)型及形成原因，并簡(jiǎn)要分析了內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。

1常見(jiàn)缺陷及其形成原因
SLM構(gòu)件內(nèi)部缺陷主要有氣孔、未熔合和裂紋[4, 5]，表 1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,下面介紹了不同內(nèi)部缺陷形成原因。

表1內(nèi)部缺陷的特征和主要影響因素

1.1氣孔
氣孔是SLM構(gòu)件主要的缺陷類(lèi)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[19]：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(lèi)球形，尺寸較小一般小于20μm[20]。

圖1 氣孔缺陷[6]

1.2未熔合
未熔合缺陷主要出現(xiàn)在層間或熔池線(xiàn)之間，尺寸大小在50~500μm，兩種典型未熔合缺陷[21]，一是凝固過(guò)程中熔融不足導(dǎo)致的未熔合如圖 2(a)；二是未熔化金屬粉末導(dǎo)致的未熔合，如圖2 (b)所示。對(duì)于AlSi10Mg易氧化的材料[14]，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中位置2，從元素百分比含量分析來(lái)看,如表2所示，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2 SLM鈦合金材料的未熔合缺陷[21]

圖3鋁合金中的未熔合孔缺陷[14]

表2 缺陷位置元素含量分析(%)[14]

1.3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)�引起宏觀的開(kāi)裂、分層等現(xiàn)象,導(dǎo)致制備過(guò)程的失敗。在SLM工藝中，金屬粉末在局部高激光能量輸入下經(jīng)歷快速熔化和快速固化。熔池冷卻速度達(dá)到108K/s[14],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。

圖4 裂紋缺陷[14]

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，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)余量的控制加工，解決復(fù)雜金屬部件的加工困難， 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(lèi)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(xiàn)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)件的內(nèi)部缺陷離線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要超聲檢測(cè)技術(shù)、射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)等，內(nèi)部缺陷在線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要有激光超聲檢測(cè)、紅外熱成像檢測(cè)等[22, 23]。

2.1離線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

2.1.1超聲檢測(cè)

超聲檢測(cè)原理主要利用制件及其缺陷的聲學(xué)性能差異，利用超聲波傳播波形反射情況和穿透時(shí)間的能能量變化來(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。SHI[24]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200~660μm，可檢測(cè)的未熔合大小為1~3mm。該方法主要用氣孔、未熔合等體缺陷，如圖6~圖7。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(xiàn)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(lèi)。

圖5超聲檢測(cè)中的A掃描、B掃描和C掃描

2.1.2射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)
射線(xiàn)檢測(cè)主要利用X射線(xiàn)或γ射線(xiàn)來(lái)進(jìn)行。通過(guò)觀察兩種射線(xiàn)在穿透被檢物各部分的強(qiáng)度衰減，檢測(cè)被檢物中缺陷。主要通過(guò)灰度值的對(duì)比將缺陷表示出來(lái)。射線(xiàn)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[25] ;楊薇[26]工業(yè) CT對(duì)圓形試棒的橫截面進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)處0.1mm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[26]

2.2在線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

2.2.1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?chē)�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。采用激光干涉儀接收在樣品表面的超聲振動(dòng)[27]。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(xiàn)質(zhì)量監(jiān)測(cè)。Yu[27]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~圖 10所示；Xu[28]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0.05mm的孔洞，如圖 11~圖圖 12所示。

圖9增材制造試件[28]

圖10試件激光超聲檢測(cè)結(jié)果[28]

圖11兩排直徑不同的微孔缺陷試件示意圖[27]

圖12孔隙缺陷的c掃描圖像結(jié)果[27]

2.2.2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，熱傳導(dǎo)的差異性導(dǎo)致溫度分布的差異性，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 [29]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 [30]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(xiàn)

(b)無(wú)裂紋輻射曲線(xiàn)

圖13有無(wú)缺陷的輻射曲線(xiàn)[30]

3結(jié)束語(yǔ)
本文簡(jiǎn)要介紹了金屬增材制造內(nèi)部缺陷的類(lèi)型及成因，針對(duì)性的綜述了當(dāng)前應(yīng)用于檢測(cè)內(nèi)部缺陷的離線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)方法和在線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)方法。對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展提出幾點(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(xiàn)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(lèi)型較多且具有隨機(jī)性，如何快速檢測(cè)并識(shí)別缺陷類(lèi)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。