15 mm厚度TC4合金增材制造制件的射線照相檢測

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(1.中國航空制造技術研究院, 北京 100024;2.中國航空綜合技術研究所, 北京 100028)

增材制造技術(Additive Manufacturing, AM)是指基于離散-堆積原理，由零件三維數據(CAD)驅動，采用材料累加的方法直接制造零件的科學技術體系。

因增材制造技術可滿足航空武器裝備研制低成本、短周期的需求，已成為熱門的航空制造工藝技術，如美國航空航天部門已利用增材制造技術研制出飛機、航空發動機大型構件，火箭發動機噴嘴，葉輪，航空發動機TiAl合金葉片，整體葉盤及多層超冷空心葉片等[1-2]。

金屬增材制造的本質是焊接，故孔洞、夾雜、未熔合和裂紋等焊接缺陷幾乎都不能避免[3]， 目前金屬增材制造缺陷的無損檢測方法主要有超聲檢測、射線照相檢測及工業CT檢測等。

筆者以15 mm厚度TC4合金增材制造試樣為對象，主要研究其射線照相檢測的工藝及靈敏度。

1 試驗對象

試驗對象為工藝調整后的TC4合金增材制造自然缺陷制件，其長為74 mm，寬為18 mm，高為15 mm。試樣實物及尺寸示意如圖1所示。

圖1 15 mm厚度TC4合金增材制造自然缺陷試樣實物外觀及尺寸示意

2 孔洞檢出靈敏度分析

按GJB 1187A-2001《射線檢驗》中表6“金屬材料單壁透照時的像質要求”的規定，透照厚度為15 mm，B級X射線照相技術最小可識別的絲徑應不大于0.2 mm。

孔洞可檢性與線型像質計靈敏度關系為

(1)

(2)

式中：d為線型像質計可識別最細金屬絲直徑；l為線型像質計金屬絲有效長度(7.6 mm)；dQ為孔洞直徑；F為形狀因子，F=0.79。

按式(2)計算，透照厚度為15 mm時， B級X射線照相技術可檢出最小孔洞直徑為0.559 4 mm。

3 試驗設備與結果

3.1 設備及材料

試驗設備與材料為：德國YXLON公司MG226型射線機，其焦點尺寸為5.5/1.0 mm；GE 公司AGFA膠片及增感屏系統；HB 7684-2000型金屬鈦絲型像質計。

3.2 透照布置及曝光參數

查MG226型射線機曝光曲線，得到15 mm厚度TC4合金，焦點尺寸為5.5/1.0 mm時的曝光參數如表1所示。

表1 15 mm厚度TC4合金，焦點尺寸為5.5/1.0 mm時的曝光參數

圖2為透照試驗現場布置圖。

圖2 透照試驗現場布置圖

3.3 試驗結果

按表1參數，對15 mm厚度TC4合金增材制造自然缺陷試樣進行透照,得到如圖3所示的試樣透照影像圖。

圖3 TC4合金增材制造試樣透照影像圖

由圖3可知，影像可清楚識別第13號絲徑，圖3(a)，(b)中缺陷分布相同。圖3(a)中識別了一直徑為0.4～0.5 mm孔洞缺陷①，未見其他0.5 mm以下缺陷；圖3(b)在該缺陷①附近發現了兩距離相近的孔洞缺陷。經比對，該缺陷在圖3(a)中受空間分辨率影響，連成了一個缺陷。

圖4為φ0.4～0.5 mm孔洞缺陷的識別圖。

圖5 距離相近的兩孔洞的尺寸測量圖

對圖4(b)中識別出的兩距離較近的孔洞缺陷尺寸進行測量，得到兩孔洞尺寸均小于0.5 mm的結果(見圖5)。

4 試驗驗證

射線照相透視檢測得到的影像尺寸為缺陷的平面尺寸，無法獲得其高度方向尺寸，高度方向尺寸通常可通過黑度估算，但文中孔洞尺寸太小，無法借助數字密度計測量其黑度。

試驗采用翻轉90°檢測及工業CT斷層掃描成像技術來驗證射線照相檢測結果。

(1) 翻轉90°檢測驗證

圖6為典型樣件的透照示意。由圖6可知，從A面第一次入射，可得到孔洞缺陷a方向的黑度，b方向的尺寸；從B面第二次入射，可得到b方向的黑度，a方向的尺寸。對于較規則的球形缺陷，單方向入射檢出缺陷即為檢測結果。

圖6 典型樣件透照示意

圖7為試樣翻轉90°的透照影像，從圖3(b)可看出，透照影像距邊緣約8.5 mm處存在孔洞缺陷②和③，從圖7可看出透照距邊緣約8.5 mm處存在兩孔洞缺陷，尺寸分別為φ0.5～0.6 mm，φ0.4～0.5 mm，故初步認為圖7中透照影像即為圖3(b)中透照孔洞缺陷②和③，即孔洞缺陷②的高度尺寸略大于0.5 mm，孔洞缺陷③的高度尺寸略小于0.5 mm；圖3中透照影像距邊緣約8 mm處為孔洞缺陷①，而圖7中透照影像距邊緣約8 mm處為鏈狀缺陷，初步認為圖3中透照發現的孔洞缺陷①在高度方向上為鏈狀孔洞群。

圖7 試樣翻轉90°的透照影像

(2) 工業CT驗證

為獲取孔洞①、②和③的更多信息，針對孔洞①、②和③所處的截面進行了工業CT驗證，工業CT透照電壓為420 kV，焦點尺寸為0.4 mm，放大倍數為1.9倍。圖8為孔洞①、②和③所在截面的掃查圖像?？梢姡瑘D8驗證了翻轉90°檢測驗證的正確性。

圖9為孔洞缺陷②和③截面尺寸測量圖。圖9(a)中孔洞缺陷②的測量尺寸為1.094/1.9≈0.575 mm；圖9(b)中孔洞缺陷③測量尺寸為0.889/1.9≈0.467 8 mm；圖9(c)中兩孔洞缺陷間距約為0.43 mm，缺陷測量尺寸與翻轉90°檢測方法的測量結果基本一致。

圖8 試樣孔洞缺陷①、②和③截面掃查圖像

圖9 試樣孔洞缺陷②和③截面尺寸測量圖

綜上所述，可知圖3中發現的孔洞缺陷①(平面尺寸測量結果為φ0.4～0.5 mm)的高度方向尺寸遠大于0.5 mm；孔洞缺陷②和缺陷③平面尺寸與高度方向尺寸基本一致。

5 結論

(1) 對15 mm厚度TC4合金增材制造制件的缺陷檢測，射線照相檢測可識別出φ0.4～0.5 mm孔洞缺陷。

(2) 選取較小的焦點尺寸，有助于細小缺陷的檢出及相鄰缺陷的辨別。

(3) 同射線照相透視成像相比，工業CT斷層掃描成像技術更有助于缺陷的定量及定位檢測。

參考文獻:

[1] 北京航空制造工程研究所.航空制造技術[M].北京:航空工業出版社,2013.

[2] 鞏水利,鎖紅波,李懷學.金屬增材制造技術在航空領域的發展與應用[J].航空制造技術,2013(13):66-71.

[3] 張學軍,唐思熠,肇恒躍，等. 3D打印技術研究現狀和關鍵技術[J].材料工程,2016,44(2):122-128.

[4] 鄭世才.數字射線無損檢測技術[M].北京:機械工業出版社,2012.