選區激光熔化316L不銹鋼疲勞損傷非線性超聲檢測研究*

徐顯勝 閆曉玲

(北京工商大學人工智能學院，北京100048)

選區激光熔化(SLM)是一種極具發展前景的快速成型技術，SLM技術可以成型致密度近乎100%的任意復雜結構的功能零件。

近10年SLM技術已從原來的概念模具設計擴展到航空航天、生物醫療和汽車等領域。保證SLM技術制造零部件結構的完整性及服役安全性非常重要，因此，應當在SLM部件出現明顯缺陷之前及時發現其早期損傷。疲勞損傷產生的微缺陷極易發生擴展，從而導致整個零部件的損毀。因此對疲勞損傷進行無損檢測非常關鍵。常規的無損檢測方法如超聲檢測[1]、渦流檢測[2]、X射線檢測[3]、滲透檢測[4]和磁粉檢測[5]等在檢測諸如裂紋、孔隙、夾雜物等金屬材料中的宏觀結構缺陷是有效的[6]，但是對金屬材料疲勞損傷產生的微缺陷檢測效果不佳。

近年來，聲學、材料學等領域的研究成果表明[7]金屬材料早期疲勞損傷產生的微缺陷能與超聲波相互作用，并產生非線性聲學響應，利用非線性聲學響應檢測金屬材料中的疲勞損傷成為一種重要的無損檢測方法。根據檢測方式的不同，非線性超聲檢測法又分為高次諧波檢測、混頻調制法和超聲相控陣成像檢測方法[8]。針對選區激光熔化316 L不銹鋼在多工況條件下易產生疲勞損傷的問題，以現有的非線性超聲理論為基礎，采用高次諧波檢測法，對經過疲勞加載的選區激光熔化316 L不銹鋼試件進行非線性超聲檢測試驗，研究結果表明，超聲非線性系數對試件疲勞損傷非常敏感，采用高次諧波檢測方法對選區激光熔化316 L不銹鋼疲勞損傷進行檢測是可行的。

1 非線性超聲基本理論

超聲檢測過程中金屬材料非線性主要來源于材料內部的位錯、滑移帶和微裂紋等微觀缺陷，這些微缺陷與特定頻率的超聲波相互作用產生高次諧波。

當考慮一維縱波傳播通過一個非線性介質時，在小應變情況下，其運動方程可以寫為：

(1)

式中：ρ為密度，u為x方向上的位移，σ(x,t)為x方向上的正應力。在材料變形非常小時，正應變ε(x,t)可以定義為：

(2)

由金屬材料的非線性原理可以得到應力與應變之間的關系

(3)

式中：E為彈性模量，β和δ為與材料相關的非線性系數。聯立式(1)～(3)，忽略式中二階以上的高次項，得到一維縱波非線性超聲波動方程[9]

(4)

式中：t為傳播時間，s；c為聲波傳播速度，m/s；x為傳播距離，m。設定初始條件為：

(5)

則根據攝動法原理，波動方程(1)的二階近似解可以表示為：

(6)

式中：A1為超聲波的幅值，V；k為波數；ω為頻率，Hz；β為非線性系數。由式(6)可得，超聲波在固體介質中的非線性波動方程二階近似解與二次諧波幅值A2和基波幅值A1相關，其中二次諧波幅值A2的表達式為：

(7)

根據(7)式可得到超聲非線性系數β表達式為：

(8)

在試驗過程中發現，傳播距離x和波數k為固定值，為了簡化計算，超聲非線性系數直接由基波信號的幅值A1和二次諧波信號的幅值A2的比值表示。

(9)

測得基波、二次諧波的幅值即可求得超聲非線性系數β，從而表征構件的疲勞損傷程度。

2 材料及試樣制備

2.1 材料

以316 L不銹鋼球形粉末為原料，采用SLM工藝制備試樣。粉末的最大粒徑為60 μm，最小粒徑為8 μm，粉末的掃描電子顯微鏡圖像如圖1所示，松裝密度為4.42 g/cm3。粉末的化學成分如表1所示。

表1 316 L不銹鋼粉末的化學成分 %

2.2 試樣制備

實驗使用如圖2所示的AM400 SLM增材制造系統(雷尼紹，格勞斯特郡，英國)。表2為實驗采用的主要加工參數，根據GB/T 3075-2008的要求制備疲勞拉伸試樣，試樣的尺寸如圖3所示。

表2 主要加工參數

3 實驗系統與測量方法

試驗驗裝置主要由MTS810材料疲勞試驗機和非線性超聲檢測系統組成。如圖4所示，非線性超聲波檢測系統主要由信號發生器、功率放大器、高能低通濾波器、衰減器、發射及接受傳感器、示波器和計算機組成。

疲勞試驗的主要目的是研究選區激光熔化316 L不銹鋼試件在不同循環周次疲勞載荷作用下，超聲非線性系數的變化趨勢。用MTS810材料疲勞試驗機分別對316 L不銹鋼試件進行拉-拉疲勞試驗，疲勞波形采用三角波，應力比R=σmin/σmax= 0.1，疲勞加載頻率為 10 Hz，最大加載應力為500 MPa。在疲勞試驗的過程中對試樣進行非線性超聲檢測試驗(每5 000次疲勞周期檢測一次)。當疲勞周期達到設定值時，實驗系統自動停止，此時拉伸載荷保持不變；接下來，采用非線性超聲檢測裝置對試件進行非線性超聲檢測。分別對試件A的3個不同位置進行非線性超聲檢測，檢測位置如圖5所示。

主要檢測過程如下：信號發生器產生頻率5 MPa、周期數為10的漢寧窗調制的正弦波，經功率放大器放大，再通過RITCE公司生產的高能低通濾波器濾除功率放大器所產生的高頻干擾信號后，由發射傳感器發射激勵波(同時，另一路信號經衰減器處理后傳入示波器，對檢測系統起到監測和控制作用，控制激勵信號的幅值)，超聲波信號沿試件厚度方向傳播，超聲波在通過試件中微缺陷的時候將產生二次諧波，此時位于試件另一端的接收探頭采集超聲波信號(為了更有利于二次諧波的采集，接收探頭中心頻率選用10 MPa)，調試示波器，通過快速傅里葉變換，得到清晰的基波和二次諧波信號，從而可求得相對超聲非線性系數。當試件斷裂時停止試驗。

4 試驗結果及分析

4.1 接收信號的時域和頻域分析

對未進行疲勞加載實驗的試件進行非線性超聲檢測，檢測位置如圖5所示的1點，接收探頭接收到的時域信號如圖6所示，圖7為其對應的頻域信號。當疲勞加載周期為20 000次時對試件進行非線性超聲檢測，接收探頭接收到的時域信號如圖8所示，圖9為其對應的頻域信號。對比圖6和圖8可以看出，時域信號的波形變化并不明顯，因此通過時域信號無法有效地區分出試件疲勞損傷情況。對比圖7和圖9可以看出，在頻率5 MPa的基頻位置上可以得到基波的幅值，在頻率10 MPa的位置上可以得到二次諧波的幅值，相對于基波，二次諧波的幅值較小。相比于試件未進行疲勞加載時，對試件進行20 000次疲勞加載以后頻域信號的二次諧波幅值顯著增大。

圖10為選區激光熔化316 L不銹鋼成型試樣微觀組織SEM圖，結合微觀組織分析試樣疲勞加載之前非線性超聲檢測信號中存在二次諧波的原因。由于SLM技術以高能激光束作為移動熱源，通過快速加熱、熔化和凝固為材料加工提供了常規手段無法實現的極端非平衡條件,成型過程中金屬粉末局部受熱不均勻，因此其微觀組織呈典型的各向異性組織特性。從圖10中可以看出，其微觀組織中存在明顯的微熔池熔合線、等軸晶、柱狀晶及胞狀晶。柱狀晶為方向性生長的晶體，同一熔池內柱狀晶的生長方向基本一致，與熔合線呈一定角度。由于加工過程中影響因素較多(激光功率、掃描間距和掃描策略等)，所以產生缺陷是不可避免的，圖9中存在一個微孔缺陷。微缺陷、熔合線、方向性生長的柱狀晶晶界等都是導致試樣疲勞加載前非線性超聲檢測產生二次諧波的原因。對疲勞加載20 000周期的試件進行非線性超聲檢測，頻域信號中同樣存在基波和二次諧波，但此時二次諧波的幅值明顯增大。圖11為疲勞加載20 000周期的試件微觀組織SEM圖，可以看出存在明顯的疲勞裂紋。因此，選區激光熔化316 L不銹鋼試件疲勞損傷產生的裂紋是二次諧波幅值增高的原因。根據式(9)計算出不同加載條件下試件的超聲非線性系數β，可以有效表征選區激光熔化316 L不銹鋼試件疲勞損傷情況。

4.2 測量位置對實驗結果的影響

為了研究測量位置對非線性超聲檢測結果的影響，對圖5所示試件的3個不同測量點的檢測結果進行分析。通過測量疲勞加載前試樣的超聲非線性系數β0以及在不同疲勞加載條件下試樣的超聲非線性系數β, 用β/β0對其進行歸一化處理。試件的疲勞損傷程度采用試件不同循環加載周次與疲勞壽命的比值來表示。

由圖5所示可知，測量點1所處位置的橫截面積較小，測量點2和測量點3所處位置橫截面積較大，且測量點2、3相對于測量點1對稱分布，在相同的外力作用下，相比于測量點2、3，測量點1的應力集中程度較大。3個測量點的非線性超聲檢測結果β/β0如圖12所示，3個測量點采集的檢測結果隨著疲勞周期的增大都呈逐漸上升趨勢，變化趨勢基本相似。測量點1的超聲非線性系數隨疲勞周期的變化增大幅度較大，相對測量點1而言，測量點2和3的超聲非線性系數值雖然也隨疲勞周數增加，但增大的幅度明顯較小。原因在于，疲勞加載過程中測量點1試樣內部變形比較大，因此相應的超聲非線性系數變化也較大。

5 結語

(1)通過研究選區激光熔化316 L不銹鋼疲勞損傷程度與超聲非線性系數的關系，發現超聲非線性系數可以有效表征選區激光熔化316 L不銹鋼疲勞損傷的退化程度。

(2)超聲非線性系數隨著疲勞周數的增加而逐漸變大，說明超聲非線性系數對材料的疲勞損傷較敏感。通過不同位置的非線性超聲檢測，進一步驗證了試驗的可靠性。

選區激光溶化316 L不銹鋼的應用范圍非常廣闊，對選區激光激光溶化316 L不銹鋼疲勞損傷進行非線性超聲檢測具有較好的應用前景。