激光增材制造技術(shù)具備快速成形與直接成形復(fù)雜零件的優(yōu)勢(shì)，如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、核電、船舶等領(lǐng)域。增材制造技術(shù)采用由點(diǎn)到線、由線到面、逐層疊加的材料沉積方式，雖具有高度的靈活性，但制造工藝的可控性及標(biāo)準(zhǔn)化較差，導(dǎo)致增材制造零件內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生氣孔、熔合不良、裂紋、夾雜等缺陷[2-3]，會(huì)影響增材制件的使用性能，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致重大事故[4]。無(wú)損檢測(cè)是確保增材制件能夠裝機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)針對(duì)增材制件的無(wú)損檢測(cè)大多直接沿用鑄鍛件的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上限制了增材制造技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[5-6]。目前針對(duì)增材制件比較可靠的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是可視化的工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描，但檢測(cè)成本高并且應(yīng)用范圍有限。故研究針對(duì)增材制件有效的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有重要意義。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)將多個(gè)檢測(cè)晶片集成到一個(gè)探頭，每個(gè)晶片可進(jìn)行獨(dú)立控制，通過(guò)算法精確控制各個(gè)晶片的收發(fā)及延時(shí)可使聲束產(chǎn)生靈活的偏轉(zhuǎn)聚焦，提高缺陷檢出率的同時(shí)極大地提高了檢測(cè)效率，在增材制造領(lǐng)域極具應(yīng)用前景[8]。韓立恒等[9]采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)電子束熔絲成形的A-100鋼內(nèi)部的微裂紋缺陷進(jìn)行檢測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)超聲波的入射方向和角度對(duì)微裂紋缺陷的檢測(cè)識(shí)別很關(guān)鍵，方向選擇不當(dāng)可能導(dǎo)致缺陷漏檢。李文濤等分別采用線陣和環(huán)陣超聲換能器對(duì)激光增材制造的TC18鈦合金試樣三個(gè)方向的平底孔缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，研究結(jié)果表明增材樣件的各向異性對(duì)超聲檢測(cè)結(jié)果有較大影響，采用超聲檢測(cè)方法對(duì)增材樣件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)有必要考慮其成形方向，應(yīng)盡可能沿著樣件的沉積方向進(jìn)行入射檢測(cè)。楊平華等[11]采用超聲水浸檢測(cè)，對(duì)激光、電子束增材制造及變形制造三種不同制造工藝制備的TC18鈦合金材料開(kāi)展了超聲檢測(cè)特征測(cè)試，研究認(rèn)為增材制造的鈦合金材料在不同成形方向的超聲波聲速、材料衰減及檢測(cè)靈敏度均存在較大差異。LOPEZ等[12]采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)電弧熔絲增材制造的鋁合金樣件進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)的缺陷是直徑3mm的平底孔缺陷，并研究了檢測(cè)表面形貌對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響，研究結(jié)果表明相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)適用于對(duì)電弧熔絲增材制件內(nèi)部缺陷的尺寸、形貌及位置進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定。JAVADI等[13]研究了全聚焦相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在電弧熔絲增材制造合金鋼上的應(yīng)用，檢測(cè)的缺陷包括橫孔、嵌入的碳化鎢球以及大尺寸的熔合不良缺陷，并探索了采用嵌入的不同尺寸的碳化鎢球做反射體對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)的檢測(cè)方法，但所采用的檢測(cè)方法還有待標(biāo)準(zhǔn)化。

目前的研究對(duì)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用起到了促進(jìn)作用，但檢測(cè)的缺陷大多為人工制造的平底孔及橫孔缺陷，該類缺陷與增材制件內(nèi)部產(chǎn)生的真實(shí)缺陷具有較大差異。本研究希望通過(guò)合理控制激光增材制造工藝來(lái)預(yù)制含有熔合不良缺陷及夾雜缺陷的增材樣件，并從不同的方向研究增材樣件內(nèi)部缺陷的相控陣超聲檢測(cè)特性，為增材制件的超聲無(wú)損檢測(cè)工藝提供參考。

1、試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備

本研究采用激光定向能量沉積技術(shù)來(lái)制造含有內(nèi)部缺陷的增材樣件。試驗(yàn)采用自主研發(fā)的六自由度同軸送粉激光增材制造試驗(yàn)設(shè)備，配備IPG2000W激光器。沉積材料為TA15鈦合金粉末，粉末粒度為53~150μm，主要化學(xué)成分如表1所示。基板為厚度10mm的TA15板材。

表1 TA15粉末的化學(xué)成分

相控陣超聲檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備來(lái)自?shī)W林巴斯，主要由相控陣整合型儀器設(shè)備FPX-1664PR、Focus PC數(shù)據(jù)采集分析軟件、一維線陣換能器組成。試驗(yàn)過(guò)程中，換能器頻率為5MHz，晶片數(shù)量為64，陣元間距為0.6mm，激活孔徑為38.4mm，晶片的高度為10mm。檢測(cè)采用線性聚焦掃描，聚焦深度10mm，每次激活16個(gè)晶片，如圖1所示。采用0度楔塊SA12-0L-IHC來(lái)保護(hù)換能器，超聲數(shù)據(jù)采集所用的編碼器分辨率為0.5mm。對(duì)比試塊采用鍛造TA15材料制造，包含直徑為2mm，深度分別為5、15、25、35mm的平底孔標(biāo)準(zhǔn)反射體，如圖2所示。采用對(duì)比試塊校準(zhǔn)聲速及增益，將不同深度平底孔的超聲反射波幅依次調(diào)整到80%。

1.2檢測(cè)方向

考慮激光增材制造工藝采用由點(diǎn)到線、由線到面、逐層疊加的材料成形工藝，除了導(dǎo)致成形的材料具有各向異性外，還可能導(dǎo)致產(chǎn)生的缺陷具有方向性。而缺陷本身的方向性會(huì)導(dǎo)致從不同方向進(jìn)行超聲檢測(cè)過(guò)程中缺陷與聲束的相對(duì)位置關(guān)系會(huì)產(chǎn)生不同，從而對(duì)超聲檢測(cè)結(jié)果造成影響。故本研究分別從X(掃描方向)、Y(步進(jìn)方向)、Z(沉積方向)三個(gè)方向?qū)︻A(yù)制缺陷進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，研究增材缺陷三個(gè)方向的超聲檢測(cè)特性，檢測(cè)方向示意圖如圖3所示。

1.3缺陷預(yù)制

激光增材制造采用的主要工藝參數(shù)如表2所示，試驗(yàn)過(guò)程中采用氬氣作保護(hù)氣氛，控制氧氣含量<0.1‰。擬分別預(yù)制含有熔合不良缺陷及夾雜缺陷的激光增材制造試驗(yàn)樣件，對(duì)于含有熔合不良缺陷的試驗(yàn)樣件(樣件1)，采用在缺陷位置增大掃描間距來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4a所示，缺陷位置的掃描間距設(shè)為4mm。對(duì)于含有夾雜缺陷的試驗(yàn)樣件(樣件2)，采用在制造過(guò)程中在沉積方向的中間部位嵌入6個(gè)直徑1~1.2mm的ZrO₂陶瓷球來(lái)實(shí)現(xiàn)，將其中的4個(gè)陶瓷球和2個(gè)陶瓷球分別放置在兩個(gè)不同層，如圖4b所示。打印沉積完成后采用電火花線切割加工將試驗(yàn)樣件從基板上切下，采用電火花線切割及磨削對(duì)樣件的6個(gè)表面進(jìn)行加工，加工后的表面粗糙度小于Ra6.3μm，加工后樣件1和樣件2的尺寸分別為(XxYxZ):25 mmx 23 mmx 15.5 mm，25 mmx23mmx19mm，如圖5所示。

表2激光增材制造工藝參數(shù)

2、缺陷檢測(cè)及驗(yàn)證

2.1熔合不良缺陷檢測(cè)及驗(yàn)證

采用校準(zhǔn)后的相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備分別從X、Y、Z三個(gè)方向?qū)蛹?進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)從Y與Z方向進(jìn)行檢測(cè)時(shí)皆未檢測(cè)到缺陷，但是從X方向檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)了兩處缺陷，說(shuō)明缺陷在X方向的尺寸很小，而在YZ平面內(nèi)具有一定的尺寸，因此缺陷可以從X方向檢測(cè)到，而從Y或Z方向無(wú)法檢測(cè)到。缺陷的超聲檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，從A掃視圖、S掃視圖及B掃視圖中皆可看到兩處缺陷。A掃視圖中縱坐標(biāo)反映缺陷的反射波幅，橫坐標(biāo)反映缺陷在X方向的深度。從A掃視圖可以看出，兩處缺陷在X方向相距約9.4mm，雖然兩處缺陷的反射波幅較大，但并未使底波產(chǎn)生嚴(yán)重的衰減。在A掃視圖中將閘門置于缺陷1波幅20%位置處，故C掃視圖中僅顯示了缺陷1在YZ平面內(nèi)的形貌，為大面積平面狀缺陷。S掃視圖中縱坐標(biāo)反應(yīng)了缺陷的深度，橫坐標(biāo)表示相控陣探頭帶動(dòng)編碼器沿Z方向移動(dòng)的位移，從而反應(yīng)了缺陷在Z方向的尺寸信息。移動(dòng)過(guò)程中底面全程反射聲波，因此底波最長(zhǎng)，而2處缺陷僅在中間區(qū)域反射聲波，因此缺陷在Z方向的尺寸小于樣件1的尺寸。B掃視圖中縱坐標(biāo)反應(yīng)了缺陷的深度，橫坐標(biāo)反應(yīng)了缺陷在Y方向的尺寸，從B掃視圖可以看出缺陷在Y方向的尺寸與樣件1尺寸相當(dāng)。因此，可根據(jù)超聲檢測(cè)結(jié)果提取缺陷在三維方向的尺寸信息，缺陷在YZ平面呈平面狀，在X方向的尺寸很小，且兩處缺陷相距約9.4mm的距離，在Z方向的尺寸小于樣件1尺寸，在Y方向的尺寸與樣件1尺寸相當(dāng)，所以缺陷的檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明預(yù)制的熔合不良缺陷與圖4a中缺陷的性質(zhì)相似。

為驗(yàn)證超聲檢測(cè)結(jié)果，采用電火花線切割加工將缺陷1切開(kāi)，并對(duì)切割表面進(jìn)行磨拋，采用Zeiss VertA1光學(xué)顯微鏡分別從Y方向、X方向?qū)θ毕葸M(jìn)行觀察。圖7a是從Y方向觀察的結(jié)果，其表面采用體積比為V(HF):V(HNO₃):V(H₂O)=1:6:7的腐蝕劑進(jìn)行腐蝕，可以清楚地看到打印的紋理，缺陷位于兩道堆疊層之間，呈不連續(xù)的線狀分布，是由掃描間距過(guò)大導(dǎo)致的道間熔合不良缺陷，且缺陷在寬度方向上的尺寸很小。從圖7b中可以看出缺陷在YZ平面上呈面狀分布，由多個(gè)相距較近的熔合不良缺陷組成。

預(yù)制的熔合不良缺陷在YZ平面上呈面狀分布，而在XY及XZ平面上呈線狀分布，所以該類缺陷僅能從X方向檢測(cè)到，而從Y或Z方向無(wú)法檢測(cè)到。由于缺陷具有不連續(xù)的特點(diǎn)，從X方向檢測(cè)時(shí)具有一定的透聲性，超聲波可以依次透過(guò)缺陷1和缺陷2到達(dá)樣件底面，且未對(duì)底波造成嚴(yán)重衰減。

2.2夾雜缺陷檢測(cè)及驗(yàn)證

采用校準(zhǔn)后的相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備分別從X、Y、Z三個(gè)方向?qū)蛹?進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明預(yù)制的6個(gè)夾雜缺陷從三個(gè)方向皆能檢測(cè)到，從不同方向檢測(cè)的C掃結(jié)果如圖8所示，說(shuō)明預(yù)制的夾雜缺陷是體狀缺陷。但從Z方向檢測(cè)時(shí)缺陷的反射波幅最大，如圖9所示，故從Z方向檢測(cè)時(shí)缺陷更容易被檢測(cè)到。6個(gè)缺陷在Z方向上分層分布，其中缺陷1和2分布在同一層，深度在6.8~7.1mm，缺陷3~6分布在同一層，深度在13.3~13.6mm，與圖4b中的缺陷預(yù)制方法相符。圖10為缺陷5的A掃超聲結(jié)果，缺陷5的最大反射波幅為38.8%，遠(yuǎn)小于樣件1中從X方向檢測(cè)時(shí)熔合不良缺陷的反射波幅，但缺陷5對(duì)超聲底波有明顯的衰減。

選擇缺陷3~6對(duì)超聲檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，采用電火花線切割加工將樣件2沿著XY平面切開(kāi)，切割位置距離Z方向檢測(cè)表面13mm，之后對(duì)切割表面進(jìn)行磨拋加工，磨拋后觀察到的結(jié)果如圖11所示。圖11a為光學(xué)相機(jī)拍攝的缺陷3~6的相對(duì)位置，與圖8c中的超聲檢測(cè)結(jié)果一致，說(shuō)明相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)υ霾娜毕莸南鄬?duì)位置進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，但觀察到的缺陷尺寸與超聲檢測(cè)結(jié)果存在差異，可能的原因是在線切割及磨拋加工過(guò)程中缺陷發(fā)生了部分丟失，并且缺陷的分布深度存在差異，導(dǎo)致無(wú)法在同一平面上呈現(xiàn)全部缺陷的最大尺寸。圖11b為在場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡(TESCAN MAIA3)下觀察的缺陷6的微觀形貌，可以看到陶瓷材料已經(jīng)嵌入到鈦合金材料內(nèi)部，陶瓷材料與鈦合金材料具有明顯的邊界，但嵌入的陶瓷材料已經(jīng)不是規(guī)則的圓球形，而是呈不規(guī)則的扁平狀分布。這說(shuō)明ZrO₂陶瓷材料在增材制造過(guò)程中的高溫環(huán)境下發(fā)生了熔融，而熔融的陶瓷材料在激光及保護(hù)氣壓力的作用下呈與激光束垂直的扁平狀分布，導(dǎo)致缺陷在XY平面上的尺寸變大，而在XZ及YZ平面上的尺寸變小，所以從Z方向進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)缺陷具有最大的反射波幅，缺陷更容易被檢測(cè)到。而從Y方向或X方向進(jìn)行檢測(cè)時(shí)部分缺陷的最大反射波幅在15%以下，易與噪聲信號(hào)混疊，可能導(dǎo)致缺陷漏檢。

3、結(jié)論

(1)采用增大掃描間距的方法成功在激光增材樣件內(nèi)部預(yù)制了熔合不良缺陷，該類缺陷位于相鄰兩道之間，由多個(gè)相距較近的小尺寸熔合不良缺陷組成，缺陷呈不連續(xù)分布，有一定的透聲性，不會(huì)對(duì)超聲底波造成嚴(yán)重的衰減，該類缺陷在XY及XZ平面上呈線狀分布，而在YZ平面上呈面狀分布，所以相控陣超聲檢測(cè)從X方向更易檢測(cè)到該類缺陷，而從Y或Z方向檢測(cè)時(shí)可能無(wú)法檢測(cè)到該類缺陷。

(2)采用嵌入ZrO2陶瓷球的方法成功在激光增材樣件內(nèi)部預(yù)制了夾雜缺陷，相控陣超聲檢測(cè)從三個(gè)方向都可以檢測(cè)到該類缺陷，并能夠?qū)θ毕莸南鄬?duì)位置進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，但該類缺陷在增材制造過(guò)程中發(fā)生了熔融再凝固，在激光及保護(hù)氣壓力的作用下導(dǎo)致缺陷在XY平面上呈扁平狀分布，所以該類缺陷從Z方向更容易被檢測(cè)到。

(3)道間熔合不良缺陷從X方向更容易被檢測(cè)到，而夾雜缺陷從Z方向更容易被檢測(cè)到。這說(shuō)明不同類型的增材缺陷具有不同的形狀及分布特征，從不同方向進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)聲束與缺陷具有不同的相對(duì)位置關(guān)系，可能導(dǎo)致缺陷的檢測(cè)評(píng)定結(jié)果產(chǎn)生差異，甚至導(dǎo)致缺陷漏檢，故增材缺陷的超聲檢測(cè)應(yīng)考慮檢測(cè)方向?qū)θ毕輽z測(cè)評(píng)定結(jié)果的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉卓，陳陽(yáng).航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片損傷激光熔覆修復(fù)工藝試驗(yàn)研究[J].電加工與模具，2025，387(增刊1):62-65.

[2]WU B T,PAN Z X,DING D H,et al. A review of the wire arc additive manufacturing of metals: properties,defects and quality improvement[J]. Journal of Manufacturing Processes,2018,35:127-139.

[3]GONG H J,RAFI K,GU H F,et al. Analysis of defect generation in Ti-6Al-4V parts made using powder bed fusion additive manufacturing processes[J]. Additive Manufacturing,2014(1-4):87-98.

[4] DENNY J,JINOOP A N,PAUL C P,et al. Fatigue crack propagation behaviour of inconel 718 structures built using directed energy deposition based laser additive manufacturing[J].Materials Letters,2020,276:128241.

[5]胡婷萍,高麗敏,楊海楠.航空航天用增材制造金屬結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù),2019,62(8):70-75.

[6]郭政亞,熊振華.金屬增材制造缺陷檢測(cè)技術(shù)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2020,52(5):49-57.

[7]KINNGSTON A M,YANG Q,GREWAR M G,et al.Techniques for high-fidelity X-ray micro-tomography of additively manufactured metal components components[J].Nondestructive Testing and Evaluation,2020,35(3):241-251.

[8]張婷,陳杰.鈦合金薄板直角焊縫質(zhì)量的相控陣超聲檢測(cè)方法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2021,57(12):145-152.

[9]韓立恒，鞏水利，鎖紅波，等.A-100鋼電子束熔絲成形件超聲相控陣檢測(cè)應(yīng)用初探[J].航空制造技術(shù)，2016,59(8):66-70.

[10]李文濤,周正干.激光增材制造鈦合金構(gòu)件的陣列超聲檢測(cè)方法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2020,56(8):141-147.

[11]楊平華,史麗軍,梁菁,等.TC18鈦合金增材制造材料超聲檢測(cè)特征的試驗(yàn)研究[J].航空制造技術(shù)，2017,524(5):38-42.

[12] LOPEZ A B,SANTOS J,SOUSA J P,et al. Phased array ultrasonic inspection of metal additive manufacturing parts[J]. Journal of Nondestructive Evaluation,2019,38:62.

[13] JAVADI Y,MACLEOD C N,PIERCE S G,et al.Ultrasonic phased array inspection of a wire+ arc additive manufactured(WAAM) sample with intentionally embedded defects[J]. Additive Manufacturing,2019(29):100806.

[14] YANG Y X,WANG Q X,KEAT T S. Dynamic features of a laser-induced cavitation bubble near a solid boundary[J].Ultrasonics Sonochemistry,2013,20(4):1098-1103.

[15] ZWEIG A D,DEUTSCH T F. Shock waves generated by confined XeCl excimer laser ablation of polyimide[J].Applied Physics B,1992,54(1):76-82.

[16] VOGEL A,LAUTERBORN W,TIMM R. Optical and acoustic investigations of the dynamics of laser-produced cavitation bubbles near a solid boundary[J]. Journal of Fluid Mechanics,1989,206:299-338.

[17] VOGEL A. Nonlinear absorption:intraocular microsurgery and laser lithotripsy[J]. Physics in Medicine and Biology,1997,42(5):895-912.

[18] VOGEL A,CAPON M R,ASIYOVOGEL M N,et al.Intraocular photodisruption with picosecond and nanosecond laser pulses:tissue effects in cornea,lens,and retina[J]. Investigative Ophthalmology and Visual Science,1994,35(7):3032-3044.

[19] LEW K S F,KLASEBOER E,KHOO B C. A collapsing bubble-induced micropump:an experimental study[J].Sensors and Actuators A:Physical,2007,133(1):161-172.

[20] BIAN B M. The investigation of laser-induced plasma shock wave propagation in liquids[J]. Acta Physica Sinica,2004,53(2):508-513.

[21] BIAN B M,YANG L,CHEN X,et al. Study of the laser-induced plasmas and the kinematics of shock waves in air by a way intense explosion[J]. Acta Physica Sinica,2002,51(4):809-813.

[22] RICE M H,WALSH J M. Equation of state of water to 250 kilobars[J]. Journal of Chemical Physics,1957,26(4):824-830.

[23]陳鐵牛.激光誘導(dǎo)空化微沖壓成形工藝及其機(jī)理研究[D].廣東:廣東工業(yè)大學(xué),2018.

（注，原文標(biāo)題：TA15鈦合金激光增材制造缺陷預(yù)制及相控陣超聲檢測(cè)）