激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)金屬?gòu)?fù)雜構(gòu)件的快速、無(wú)模具的自由實(shí)體近凈成形，同時(shí)確保成形構(gòu)件的力學(xué)性能優(yōu)于鑄件的，接近甚至與鍛件的力學(xué)性能相當(dāng)。所以，激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)成為航空航天高性能復(fù)雜構(gòu)件制造的重要技術(shù)，也為提升先進(jìn)航空航天器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效能，實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)先的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了重要條件。

     然而，由于空心構(gòu)件的復(fù)雜性，如何快速、高精度及確定性地檢測(cè)增材制造結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的尺寸分布，缺陷種類(lèi)、形狀及分布規(guī)律成為限制該技術(shù)應(yīng)用的難題。ASTM F2924《鋪粉熔覆增材制造Ti-6Al-4V標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》雖然對(duì)選區(qū)熔化增材制造產(chǎn)品的內(nèi)部品質(zhì)方面做了要求，但標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了采用射線檢測(cè)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(shuō)明。射線檢測(cè)雖然能有效檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷，但選區(qū)熔化增材制造產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，如點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)?鏤空結(jié)構(gòu)等，在這些結(jié)構(gòu)中射線易受結(jié)構(gòu)遮擋，無(wú)法實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)。

工業(yè)CT(計(jì)算機(jī)斷層成像)技術(shù)是基于二維或三維成像技術(shù)的先進(jìn)無(wú)損檢測(cè)手段，適合于不同材料和結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)，尤其適合結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零部件的檢測(cè)。

工業(yè)CT技術(shù)

圖1 工業(yè)CT成像原理示意

工業(yè)CT技術(shù)的特點(diǎn)是：

不受被檢物體結(jié)構(gòu)、材料及表面狀況等限制；

給出被檢物體某一截面的斷層圖像或三維圖像，成像簡(jiǎn)單直觀，能清晰表征被檢物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息；

內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息能精確度量。

這些特點(diǎn)正好彌補(bǔ)了射線檢測(cè)等常規(guī)檢測(cè)方法的不足，能很好地對(duì)激光選區(qū)熔化增材制造復(fù)雜零部件的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。國(guó)外已采用先進(jìn)的工業(yè)CT技術(shù)對(duì)增材制造結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)。

圖2 通過(guò)金屬增材制造技術(shù)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

由上圖可以看出，工業(yè)CT技術(shù)不僅能夠給出復(fù)雜構(gòu)件的輪廓特征，更能夠便捷地獲得其他無(wú)損檢測(cè)方法所無(wú)法獲得的內(nèi)部特征。

激光選區(qū)熔化增材制造的典型缺陷形成機(jī)理與特征

   激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)是合金粉末在激光束作用下熔化、析出、凝固并實(shí)現(xiàn)冶金的過(guò)程。由于整個(gè)過(guò)程都是在極短時(shí)間內(nèi)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(yán)重影響了成型制件的品質(zhì)和性能。其中，內(nèi)部缺陷以孔洞(含熔合不良)及裂紋為主。

1. 孔洞形成機(jī)理與特征

    孔洞缺陷是激光選區(qū)熔化中極易產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，易對(duì)增材制件的力學(xué)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，進(jìn)而制約實(shí)際產(chǎn)品的工程化應(yīng)用。在合金粉末的激光熔化過(guò)程中，激光束熔化合金粉末呈液相，激光與粉末的作用時(shí)間極短(通常范圍為0.5~25ms)，同時(shí)液相的凝固過(guò)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(huì)存在氣體，那么在合金快速凝固的過(guò)程中，由于氣體不能及時(shí)完全排出，部分就會(huì)存在于熔體中，而在凝固時(shí)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下圖所示：

圖3 典型孔洞缺陷掃描電鏡圖

2. 裂紋形成機(jī)理與特征

    裂紋缺陷是激光選區(qū)熔化過(guò)程中極易產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，對(duì)增材制件的力學(xué)性能和使用性能有重要影響，是增材制造過(guò)程著力控制的缺陷類(lèi)型，也是對(duì)制件和產(chǎn)品危害比較大的缺陷。在激光選區(qū)熔化過(guò)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(guò)程。在整個(gè)變化過(guò)程中，燒結(jié)層的金屬、基材表面過(guò)渡層的金屬均不同程度地存在著體積收縮。當(dāng)因收縮產(chǎn)生的局部應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，裂紋缺陷就會(huì)產(chǎn)生。另外，未熔化完全的粉末或合金粉末中帶有的雜質(zhì)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下圖所示：

圖4 典型裂紋缺陷掃描電鏡圖

孔洞類(lèi)對(duì)比試件及其工業(yè)CT試驗(yàn)

圖5 孔洞類(lèi)對(duì)比試件結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物圖

    如上圖所示，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0.1，0.2，0.3，0.4，0.5mm的圓孔，圓孔深度不少于2.0mm，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。

大圓柱直徑為10mm，管電壓140kV，管電流150μA，曝光時(shí)間0.25s，采集角度1080°，射線源到被檢物體的距離(SOD)41mm，射線源到探測(cè)器的距離(SDD)698mm，圖像合并數(shù)4，像素合并數(shù)1。

圖6 孔洞類(lèi)對(duì)比試件CT檢測(cè)結(jié)果(俯視圖)

圖7 孔洞類(lèi)對(duì)比試件CT檢測(cè)結(jié)果(主視圖)

圖8 孔洞類(lèi)對(duì)比試件CT檢測(cè)結(jié)果(左視圖)

可以看出，對(duì)比試件中直徑分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5mm的5個(gè)氣孔均能清晰檢測(cè)出來(lái)，同時(shí)檢測(cè)出了長(zhǎng)度為0.1mm左右的夾雜缺陷(圖中白點(diǎn))。

裂紋類(lèi)對(duì)比試件及其工業(yè)CT試驗(yàn)

圖9 裂紋類(lèi)對(duì)比試件基本結(jié)構(gòu)示意

裂紋類(lèi)對(duì)比試件的制作要求如下：

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40mm。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(diǎn)標(biāo)注刻度。

人工裂紋的寬度可以通過(guò)測(cè)量或計(jì)算得到，按照刻度記錄不同位置處的裂紋寬度(開(kāi)口寬度)，寬度范圍一般為0.05~0.2mm。

管電壓400kV，管電流1.0mA，曝光時(shí)間1s，采集角度1080°，SOD為230mm，SDD為863mm，圖像合并數(shù)2，像素合并數(shù)1。

圖10 直徑為10mm和20mm的TC4激光選區(qū)增材制造裂紋類(lèi)對(duì)比試件CT檢測(cè)結(jié)果(主視圖)

由上圖可以看出，對(duì)比試件開(kāi)口為0.05mm的裂紋能清晰檢測(cè)出來(lái)。

缺陷模擬試件工業(yè)CT檢測(cè)

孔洞類(lèi)缺陷模擬試件由激光選區(qū)熔化打印而成，試件尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為20mm×20mm×10mm，試件中預(yù)置孔洞6個(gè)，直徑分別為0.3，0.5，1.0mm的3種孔洞各2個(gè)，6個(gè)孔洞均位于試樣厚度(z向)的中間平面上，但相互錯(cuò)開(kāi)。

圖11 孔洞類(lèi)缺陷模擬試件結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物圖

對(duì)該孔洞類(lèi)缺陷模擬試件開(kāi)展三維CT檢測(cè)試驗(yàn)，管電壓180kV，管電流150μA，曝光時(shí)間0.25s，采集角度1080°，SOD為85mm，SDD為697mm，圖像合并數(shù)4，像素合并數(shù)1。

圖12 孔洞類(lèi)缺陷模擬試件的CT檢測(cè)結(jié)果(俯視圖)

圖13 孔洞類(lèi)缺陷模擬試件的CT檢測(cè)結(jié)果(主視圖)

圖14 孔洞類(lèi)缺陷模擬試件的CT檢測(cè)結(jié)果(左視圖)

由上圖可以看出，直徑為0.3mm的孔洞類(lèi)缺陷能清晰檢測(cè)出來(lái)。

裂紋類(lèi)缺陷模擬試件由激光選區(qū)熔化打印而成，試件尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為10mm×10mm×10mm，打印時(shí)每隔3層預(yù)置裂紋(縫隙)類(lèi)缺陷。

圖15 裂紋類(lèi)缺陷模擬試件實(shí)物圖

對(duì)該試件進(jìn)行工業(yè)CT檢測(cè)，管電壓300kV，管電流0.5mA，曝光時(shí)間1s，采集角度1440°，SOD為230mm，SDD為863mm，圖像合并數(shù)2，像素合并數(shù)1。

圖16 裂紋類(lèi)缺陷模擬試件工業(yè)CT檢測(cè)結(jié)果

從上圖的CT圖中均能清晰地檢測(cè)出裂紋類(lèi)缺陷。

實(shí)際樣件檢測(cè)試驗(yàn)

圖17 激光選區(qū)熔化增材制造實(shí)際筒體樣件實(shí)物圖

樣件高155mm，最大穿透厚度約80mm。對(duì)筒體樣件開(kāi)展三維CT檢測(cè)試驗(yàn)，管電壓350kV，管電流0.6mA，曝光時(shí)間1s，采集角度1440°，SOD為380mm，SDD為863mm，圖像合并數(shù)3，像素合并數(shù)1。

圖18 筒體樣件CT檢測(cè)結(jié)果(俯視圖)

圖19 筒體樣件CT檢測(cè)結(jié)果(主視圖)

圖20 筒體樣件CT檢測(cè)結(jié)果(左視圖)

由上圖所示，從CT圖中能清晰地分辨增材制造樣件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

 結(jié)語(yǔ)

     孔洞和裂紋是激光選區(qū)熔化增材制造中比較典型的內(nèi)部缺陷；工業(yè)CT技術(shù)能有效檢測(cè)出激光選區(qū)熔化增材制造中的孔洞和裂紋等典型缺陷，能清晰地表征缺陷的細(xì)節(jié)特征，是選區(qū)熔化增材制造產(chǎn)品品質(zhì)保證的重要手段。