激光選區(qū)熔化增材制造Ti-6Al-4V鈦合金的超聲檢測

林立志，楊平華，韓 波，梁 菁

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；3.中國航空發(fā)動機集團 材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095；4.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

鈦合金是20世紀50年代興起并開始應用于航空航天領域的重要金屬材料，具有質(zhì)量小、抗腐蝕性能好等優(yōu)點。Ti-6Al-4V是一種α+β雙相鈦合金，具有良好的綜合性能，是使用較廣泛的一種鈦合金[1]。

激光選區(qū)熔化(SLM)技術利用高能束激光直接熔化金屬粉末，逐層疊加形成高性能的金屬零部件。該技術不受構件復雜程度的影響，可直接制備出具有形狀復雜、尺寸精度高、組織結構致密、性能穩(wěn)定等特點的構件，且后續(xù)加工量少，在航空航天等領域具有廣闊的應用前景[2-3]。近年來，該項技術發(fā)展迅速，已應用于某些飛機用鈦合金結構件，受到了國內(nèi)外的高度關注[4-5]。然而，由于SLM技術的特殊性，基于SLM技術制作的Ti-6Al-4V鈦合金構件在組織和缺陷特征上與傳統(tǒng)鍛件的不同，因此必須針對SLM制件的特殊性開展無損檢測研究[6]。

近年來，很多學者針對SLM制件開展了無損檢測研究。張祥春等[7]開展了SLM成形對比試件、缺陷模擬試件和實際樣件的工業(yè)CT(計算機斷層成像)檢測研究，結果表明，工業(yè)CT技術能有效檢測出激光選區(qū)熔化增材制造材料中的孔洞及裂紋等典型缺陷。王敬釗等[4]針對厚度為10 mm的Ti-6Al-4V鈦合金構件的內(nèi)部缺陷，分別進行了常規(guī)射線照相檢測和微焦點CT試驗，結果表明，微焦點CT技術具有更高的檢測靈敏度，可用于不同尺寸缺陷的識別與表征。上述研究只針對較薄SLM材料宏觀缺陷的檢測，并未對SLM材料的自身性能以及相對較厚試件進行細致而深入的研究。

筆者針對SLM成形鈦合金，開展了不同成形方向聲特性差異分析，通過進行不同參數(shù)下的水浸超聲檢測試驗，確定了超聲檢測對選區(qū)熔化鈦合金的檢測能力以及最佳檢測參數(shù)，選取典型異常部位進行了CT檢測，驗證了超聲檢測的有效性。

1 試驗對象與方法

1.1 試驗對象

采用一塊尺寸為50 mm×50 mm×50 mm(長×高×寬)的含有自然缺陷的SLM成形Ti-6Al-4V鈦合金試件進行試驗。對試件上表面進行磨光加工，消除表面狀態(tài)對檢測結果的影響，試件外觀如圖1(a)所示。試件的沉積方向(方向z)及步進方向和掃描方向如圖1(b)所示。

1.2 試驗設備及參數(shù)

采用USIP40型超聲波探傷儀和SM-J6B-300型掃描器進行超聲波聲速、衰減以及超聲檢測能力的水浸法檢測試驗。試驗所采用的探頭參數(shù)如表1所示。

表1 探頭參數(shù)

采用phoenix vltomelx m型300 kV/180 kV微納米CT系統(tǒng)的三代錐束CT掃描模式對超聲檢測顯示的異常信號進行微納米工業(yè)CT驗證。

1.3 試驗方法

試驗時，先分別對比SLM鈦合金試件不同成形方向的聲速和衰減，以分析其不同方向聲特性的差異，進而了解SLM材料的方向性特征；其次，在不同水距下對SLM鈦合金試件進行超聲檢測試驗，通過檢測靈敏度、信噪比和近表面分辨力的對比，確定超聲檢測的能力，以及最佳檢測參數(shù)；最后，選擇超聲檢測典型異常部位進行工業(yè)CT檢測，驗證超聲檢測方法的有效性，并確定缺陷的類型及尺寸。

2 結果與討論

2.1 SLM成形試件的方向性分析

采用表1中2#探頭分別對試件不同成形方向的聲速進行水浸試驗，結果如表2所示。

表2 不同成形方向的聲速對比

由表2可見，SLM鈦合金沉積方向的聲速高于其他兩個方向的，沉積方向聲速為6 226 m·s-1，步進方向聲速為6 175 m·s-1，掃描方向聲速為6 180 m·s-1，表現(xiàn)出一定的方向性差異；SLM鈦合金與相同材料的鍛件相比，聲速差異在100 m·s-1以內(nèi)。

使用表2所列不同參數(shù)的3個水浸探頭進行不同成形方向的底波幅度掃查，比較不同方向的聲束衰減情況，間接評價不同方向組織及其內(nèi)部質(zhì)量的差異。圖2～4分別為采用不同探頭掃查得到的鈦合金試件不同方向的C掃描圖像，每個探頭不同成形方向均采用同一掃查靈敏度。可見，無論是采用平探頭還是聚焦探頭，抑或是不同頻率的聚焦探頭，得到的底波幅度結果都較為均勻；無論是相同成形方向不同位置，還是不同成形方向之間，均未發(fā)現(xiàn)明顯的底波衰減不均勻現(xiàn)象。由此可見，SLM成形鈦合金在不同方向的底波衰減沒有明顯差異，未發(fā)現(xiàn)明顯方向性。

圖2 1#探頭底波損失C掃描圖像

圖3 2#探頭底波損失C掃描圖像

圖4 3#探頭底波損失C掃描圖像

圖5為SLM鈦合金不同成形方向的金相組織。從不同成形方向的組織特征來看，不同方向的金相組織存在一定差異，沉積方向可見明暗相間的類似等軸晶組織，垂直于沉積方向可見自下而上生長的柱狀晶組織，且具有明顯的晶界。

超聲波聲速與合金的相狀態(tài)(彈性常數(shù)、密度)是相關的，而合金的超聲衰減主要是由各種相界面的散射引起的。由于底波衰減并沒有明顯的差異，可見等軸晶組織與柱狀晶組織引起了材料彈性常數(shù)或密度的不同，但并未引起材料散射強度的變化。

圖5 SLM鈦合金不同成形方向的金相組織

為了探究后續(xù)SLM材料超聲檢測能力試驗中對比試塊的適用性，筆者也比較了SLM鈦合金與鈦合金鍛件的衰減幅度。表3為不同探頭檢測SLM鈦合金和同厚度(50 mm厚)鈦合金鍛件時底波幅度達到熒光屏滿刻度80%所需增益，可見無論是采用平探頭還是聚焦探頭，SLM成形鈦合金與同厚度鍛件底波幅度衰減差異都不大于1 dB。因此，在不具備相同成形工藝對比試塊的情況下，可采用鍛件試塊替代SLM鈦合金試塊進行檢測能力分析。

表3 底波幅度達到熒光屏滿刻度80%所需增益

2.2 SLM成形材料超聲檢測能力的確定

為了分析超聲檢測方法對SLM成形鈦合金材料的檢測能力，對鈦合金試件進行了檢測試驗。因為聚焦探頭可提高聚焦區(qū)內(nèi)小缺陷檢測的信噪比，所以采用表1中所列的兩種聚焦探頭，選用鍛造成形鈦合金試塊作為參考基準制作DAC曲線(距離-幅度曲線)，在不同水距下對選區(qū)熔化鈦合金試件進行超聲檢測試驗。

表4為A，B，C，D四組檢測試驗的檢測參數(shù)。A，B組使用探頭型號為3#(5 MHz聚焦探頭)，掃查靈敏度都為在DAC的基礎上提高12 dB(φ0.4 mm平底孔當量)，區(qū)別在于水距分別為150 mm以及50 mm；C,D組使用探頭型號為2#(10 MHz聚焦探頭)，掃查靈敏度同樣為φ0.4 mm平底孔當量，區(qū)別在于水距分別為36，76 mm；檢測時根據(jù)探頭的近表面分辨力來設置可掃查范圍。

表4 檢測參數(shù)

表5為A，B，C，D四組檢測參數(shù)下的近表面分辨力以及信噪比。由結果可見，無論使用5 MHz還是10 MHz聚焦探頭，均可達到φ0.4 mm平底孔當量的檢測靈敏度，信噪比均高于12 dB。在φ0.4 mm平底孔當量檢測靈敏度下，采用5 MHz聚焦探頭時近表面盲區(qū)在10 mm以上，采用10 MHz聚焦探頭時近表面盲區(qū)不大于5 mm，可以看出，10 MHz聚焦探頭的近表面分辨力明顯優(yōu)于5 MHz聚焦探頭的。因此，推薦選用10 MHz聚焦探頭進行檢測。通過對10 MHz聚焦探頭在不同水距下的分辨力和信噪比進行對比發(fā)現(xiàn)，對于厚度為50 mm的SLM成型試件，水距為36 mm(焦點落于10 mm處)和76 mm(焦點落于表面)時的近表面分辨力略有差異，焦點在表面時的近表面分辨力約為3 mm，優(yōu)于焦點落于被檢件內(nèi)部的分辨力(4 mm)，因此建議將焦點落于表面進行檢測。

表5 不同探頭不同水距的近表面分辨力和信噪比

綜上所述，采用10 MHz聚焦探頭,使焦點落于被檢件表面，當檢測靈敏度為φ0.4 mm平底孔當量時，近表面分辨力為3 mm，可實現(xiàn)信噪比為16 dB的最佳檢測效果。

2.3 超聲檢測異常部位的驗證

針對1#試件沿沉積方向超聲檢測發(fā)現(xiàn)的單個異常顯示F1(埋深為27.99 mm，當量為0.88.5 dB)，取φ8 mm圓柱進行工業(yè)CT分析，驗證超聲檢測方法的有效性，并確定缺陷類型及尺寸等。單個異常顯示的C掃圖像及波形如圖6所示。

圖6 單個異常顯示的C掃圖像及波形示意

圖7為1#試樣的CT檢測結果。與無缺陷部位[見圖7(b)]相比，在超聲檢測發(fā)現(xiàn)單顯信號的位置，工業(yè)CT檢測發(fā)現(xiàn)多個密集分布的低密度顯示[見圖7(a)]，經(jīng)分析其為密集分布的層狀未熔合缺陷。

圖7 1#試樣的CT檢測結果

可見，超聲檢測有效地檢出了選區(qū)熔化材料中的異常顯示。但由于超聲檢測所使用探頭的焦點直徑為4.8 mm，難以分辨距離特別近的多個小缺陷(總長度為4 mm左右)，因此上述密集分布的小缺陷所顯示的超聲信號為單個顯示。

3 結論

(1) 選區(qū)熔化Ti-6Al-4V鈦合金沉積方向聲速略高于垂直于沉積方向的，沉積方向聲速為

6 226 m·s-1，垂直于沉積方向聲速為6 175 m·s-1(步進方向)，6 180 m·s-1(掃描方向)，兩者表現(xiàn)出一定的方向性差異；但不同方向組織的差異并未帶來底波衰減的明顯差異。

(2) 針對厚度不大于50 mm的選區(qū)熔化鈦合金，采用10 MHz聚焦探頭對其進行檢測，使焦點落于被檢件表面，φ0.4 mm平底孔當量檢測靈敏度下近表面分辨力為3 mm，信噪比高于16 dB。

(3) 經(jīng)工業(yè)CT檢測驗證，超聲檢測有效地檢出了選區(qū)熔化材料中的異常顯示,但由于超聲檢測所使用探頭的焦點具有一定尺寸，難以分辨距離特別近的小缺陷,可結合其他檢測方法進行綜合評價。