工業(yè)CT技術在激光選區(qū)熔化增材制造中的應用

2019-03-22 05:38:46，，，，

無損檢測 2019年3期

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(1.中國航空綜合技術研究所，北京 100028;2.北京星航機電裝備有限公司，北京 100074)

激光選區(qū)熔化增材制造技術可以實現(xiàn)金屬復雜構件的快速、無模具的自由實體近凈成形，同時確保成形構件的力學性能優(yōu)于鑄件的，接近甚至與鍛件的力學性能相當。所以，激光選區(qū)熔化增材制造技術成為航空航天高性能復雜構件制造的重要技術，也為提升先進航空航天器結構的設計效能，實現(xiàn)功能優(yōu)先的優(yōu)化設計創(chuàng)造了重要條件。然而，由于空心構件的復雜性，如何快速、高精度及確定性地檢測增材制造結構件內部的尺寸分布，缺陷種類、形狀及分布規(guī)律成為限制該技術應用的難題。ASTM F2924《鋪粉熔覆增材制造Ti-6Al-4V標準規(guī)范》雖然對選區(qū)熔化增材制造產(chǎn)品的內部品質方面做了要求，但標準只規(guī)定了采用射線檢測執(zhí)行的方法，合格判據(jù)、檢查部位和抽樣方法等都未具體說明。射線檢測雖然能有效檢測結構內部缺陷，但選區(qū)熔化增材制造產(chǎn)品的內部結構非常復雜，如點陣結構、鏤空結構等，在這些結構中射線易受結構遮擋，無法實現(xiàn)100%檢測[1]。

工業(yè)CT(計算機斷層成像)技術是基于二維或三維成像技術的先進無損檢測手段，適合于不同材料和結構的無損檢測，尤其適合結構比較復雜的零部件的檢測。

1 工業(yè)CT技術原理及特點

工業(yè)CT技術是在被檢物體非破壞的情況下獲取其二維或三維圖像的射線檢測方法,基本原理是：射線束穿過被檢測物體時產(chǎn)生衰減，探測器采集到被物體衰減的射線信號，并通過重建算法“還原”物體的二維或三維結構信息。基本成像原理如圖1所示。

工業(yè)CT技術的特點是：① 不受被檢物體結構、材料及表面狀況等限制；② 給出被檢物體某一截面的斷層圖像或三維圖像，成像簡單直觀，能清晰表征被檢物體的內部結構信息；③ 內部結構信息能精確度量。

圖1 工業(yè)CT成像原理示意

這些特點正好彌補了射線檢測等常規(guī)檢測方法的不足，能很好地對激光選區(qū)熔化增材制造復雜零部件的內部缺陷進行檢測。國外已采用先進的工業(yè)CT技術對增材制造結構進行了檢測。通過金屬增材制造技術制成的Pogo-Z擋板，RS-25 / J2-X噴嘴，噴油器和閥體的工業(yè)CT圖像如圖2所示，可以看出，工業(yè)CT技術不僅能夠給出復雜構件的輪廓特征，更能夠便捷地獲得其他無損檢測方法所無法獲得的內部特征。

2 激光選區(qū)熔化增材制造的典型缺陷形成機理與特征

激光選區(qū)熔化增材制造技術是合金粉末在激光束作用下熔化、析出、凝固并實現(xiàn)冶金的過程。由于整個過程都是在極短時間內完成的，易在成型制件中產(chǎn)生孔洞、裂紋、球化、飛濺等不良缺陷，嚴重影響了成型制件的品質和性能。其中，內部缺陷以孔洞(含熔合不良)及裂紋為主[2]。

2.1 孔洞形成機理與特征

孔洞缺陷是激光選區(qū)熔化中極易產(chǎn)生的內部缺陷，易對增材制件的力學性能產(chǎn)生嚴重影響，進而制約實際產(chǎn)品的工程化應用。

在合金粉末的激光熔化過程中，激光束熔化合金粉末呈液相，激光與粉末的作用時間極短(通常范圍為0.5 ms～25 ms)，同時液相的凝固過程也很快。如果合金粉末的致密度不夠，顆粒間存在縫隙，也會存在氣體，那么在合金快速凝固的過程中，由于氣體不能及時完全排出，部分就會存在于熔體中，而在凝固時再析出從而形成孔洞。在某一激光選區(qū)熔化工藝參數(shù)下產(chǎn)生的孔洞缺陷掃描電鏡圖如圖3所示。

圖3 典型孔洞缺陷掃描電鏡圖

2.2 裂紋形成機理與特征

裂紋缺陷是激光選區(qū)熔化過程中極易產(chǎn)生的內部缺陷，對增材制件的力學性能和使用性能有重要影響，是增材制造過程著力控制的缺陷類型，也是對制件和產(chǎn)品危害比較大的缺陷[3]。

在激光選區(qū)熔化過程中，合金粉末、基體材料都經(jīng)歷著固態(tài)變液態(tài)、液態(tài)又變?yōu)楣虘B(tài)、冷卻至室溫的變化過程。在整個變化過程中，燒結層的金屬、基材表面過渡層的金屬均不同程度地存在著體積收縮。當因收縮產(chǎn)生的局部應力超過材料的強度極限時，裂紋缺陷就會產(chǎn)生。另外，未熔化完全的粉末或合金粉末中帶有的雜質易形成裂紋。在某一激光選區(qū)熔化工藝參數(shù)下產(chǎn)生的裂紋缺陷掃描電鏡圖如圖4所示。

圖4 典型裂紋缺陷掃描電鏡圖

3 典型缺陷對比試件及工業(yè)CT試驗

針對激光選區(qū)熔化增材制造過程中易出現(xiàn)的孔洞、裂紋等缺陷，設計制作了工業(yè)CT檢測用對比試件，開展了工業(yè)CT檢測試驗，明確了工業(yè)CT對這兩類缺陷的檢出能力[4]。

3.1 孔洞類對比試件及其工業(yè)CT試驗

孔洞類對比試件結構示意及實物圖如圖5所示，在“T”字形雙圓柱的大圓柱邊緣，用電火花、激光打孔等工藝加工制作了直徑分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm的圓孔，圓孔深度不少于2.0 mm，均勻分布在圓柱邊緣，大圓柱直徑與被檢件有效穿透厚度一致。

圖5 孔洞類對比試件結構示意及實物圖

孔洞類對比試件的CT檢測結果如圖6～8所示(大圓柱直徑為10 mm)，三維CT檢測參數(shù)如表1所示(SOD為射線源到被檢物體的距離，SDD為射線源到探測器的距離)。從圖6～8可以看出，對比試件中直徑分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm的5個氣孔均能清晰檢測出來，同時檢測出了長度為0.1 mm左右的夾雜缺陷(圖中白點)。

圖6 孔洞類對比試件CT檢測結果(俯視圖)

圖7 孔洞類對比試件CT檢測結果(主視圖)

管電壓/kV管電流/μA曝光時間/s采集角度/(°)SOD/mmSDD/mm圖像合并數(shù)像素合并數(shù)1401500.251 0804169841

3.2 裂紋類對比試件及其工業(yè)CT試驗

裂紋類對比試件基本結構示意如圖9所示，具體制作要求如下：

圖8 孔洞類對比試件CT檢測結果(左視圖)

圖9 裂紋類對比試件基本結構示意

(1) 基體部分材料與被檢件材料一致，圓柱體直徑與被檢件有效射線束穿透厚度一致，高度為40 mm。沿中軸線將其分割成相同的兩部分，一端放置阻隔塊，另一端為零點標注刻度。

(2) 人工裂紋的寬度可以通過測量或計算得到，按照刻度記錄不同位置處的裂紋寬度(開口寬度)，寬度范圍一般為0.05～0.2 mm。

直徑為10 mm和20 mm的TC4激光選區(qū)增材制造裂紋類對比試件CT檢測結果如圖10所示，裂紋類對比試件三維CT檢測參數(shù)如表2所示。從圖中可以看出，對比試件開口為0.05 mm的裂紋能清晰檢測出來。

圖10 裂紋類對比試件工業(yè)CT檢測結果(主視圖)

4 檢測過程

4.1 缺陷模擬試件工業(yè)CT檢測

孔洞類缺陷模擬試件由激光選區(qū)熔化打印而成，試件尺寸(長×寬×高)為20 mm×20 mm×10 mm，試件中預置孔洞6個，直徑分別為0.3，0.5，1.0 mm的3種孔洞各2個，6個孔洞均位于試樣厚度(z向)的中間平面上，但相互錯開，其結構示意及實物圖如圖11所示。對該孔洞類缺陷模擬試件開展三維CT檢測試驗，檢測參數(shù)如表3所示，試驗結果如圖12～14所示。從圖中可以看出，直徑為0.3 mm的孔洞類缺陷能清晰檢測出來。