工业CT技术在激光选区熔化增材制造中的应用

2019-03-22 05:38，，，，

无损检测 2019年3期

，，，，

(1.中国航空综合技术研究所，北京 100028;2.北京星航机电装备有限公司，北京 100074)

激光选区熔化增材制造技术可以实现金属复杂构件的快速、无模具的自由实体近净成形，同时确保成形构件的力学性能优于铸件的，接近甚至与锻件的力学性能相当。所以，激光选区熔化增材制造技术成为航空航天高性能复杂构件制造的重要技术，也为提升先进航空航天器结构的设计效能，实现功能优先的优化设计创造了重要条件。然而，由于空心构件的复杂性，如何快速、高精度及确定性地检测增材制造结构件内部的尺寸分布，缺陷种类、形状及分布规律成为限制该技术应用的难题。ASTM F2924《铺粉熔覆增材制造Ti-6Al-4V标准规范》虽然对选区熔化增材制造产品的内部品质方面做了要求，但标准只规定了采用射线检测执行的方法，合格判据、检查部位和抽样方法等都未具体说明。射线检测虽然能有效检测结构内部缺陷，但选区熔化增材制造产品的内部结构非常复杂，如点阵结构、镂空结构等，在这些结构中射线易受结构遮挡，无法实现100%检测[1]。

工业CT(计算机断层成像)技术是基于二维或三维成像技术的先进无损检测手段，适合于不同材料和结构的无损检测，尤其适合结构比较复杂的零部件的检测。

1 工业CT技术原理及特点

工业CT技术是在被检物体非破坏的情况下获取其二维或三维图像的射线检测方法,基本原理是：射线束穿过被检测物体时产生衰减，探测器采集到被物体衰减的射线信号，并通过重建算法“还原”物体的二维或三维结构信息。基本成像原理如图1所示。

工业CT技术的特点是：① 不受被检物体结构、材料及表面状况等限制；② 给出被检物体某一截面的断层图像或三维图像，成像简单直观，能清晰表征被检物体的内部结构信息；③ 内部结构信息能精确度量。

图1 工业CT成像原理示意

这些特点正好弥补了射线检测等常规检测方法的不足，能很好地对激光选区熔化增材制造复杂零部件的内部缺陷进行检测。国外已采用先进的工业CT技术对增材制造结构进行了检测。通过金属增材制造技术制成的Pogo-Z挡板，RS-25 / J2-X喷嘴，喷油器和阀体的工业CT图像如图2所示，可以看出，工业CT技术不仅能够给出复杂构件的轮廓特征，更能够便捷地获得其他无损检测方法所无法获得的内部特征。

2 激光选区熔化增材制造的典型缺陷形成机理与特征

激光选区熔化增材制造技术是合金粉末在激光束作用下熔化、析出、凝固并实现冶金的过程。由于整个过程都是在极短时间内完成的，易在成型制件中产生孔洞、裂纹、球化、飞溅等不良缺陷，严重影响了成型制件的品质和性能。其中，内部缺陷以孔洞(含熔合不良)及裂纹为主[2]。

2.1 孔洞形成机理与特征

孔洞缺陷是激光选区熔化中极易产生的内部缺陷，易对增材制件的力学性能产生严重影响，进而制约实际产品的工程化应用。

在合金粉末的激光熔化过程中，激光束熔化合金粉末呈液相，激光与粉末的作用时间极短(通常范围为0.5 ms～25 ms)，同时液相的凝固过程也很快。如果合金粉末的致密度不够，颗粒间存在缝隙，也会存在气体，那么在合金快速凝固的过程中，由于气体不能及时完全排出，部分就会存在于熔体中，而在凝固时再析出从而形成孔洞。在某一激光选区熔化工艺参数下产生的孔洞缺陷扫描电镜图如图3所示。

图3 典型孔洞缺陷扫描电镜图

2.2 裂纹形成机理与特征

裂纹缺陷是激光选区熔化过程中极易产生的内部缺陷，对增材制件的力学性能和使用性能有重要影响，是增材制造过程着力控制的缺陷类型，也是对制件和产品危害比较大的缺陷[3]。

在激光选区熔化过程中，合金粉末、基体材料都经历着固态变液态、液态又变为固态、冷却至室温的变化过程。在整个变化过程中，烧结层的金属、基材表面过渡层的金属均不同程度地存在着体积收缩。当因收缩产生的局部应力超过材料的强度极限时，裂纹缺陷就会产生。另外，未熔化完全的粉末或合金粉末中带有的杂质易形成裂纹。在某一激光选区熔化工艺参数下产生的裂纹缺陷扫描电镜图如图4所示。

图4 典型裂纹缺陷扫描电镜图

3 典型缺陷对比试件及工业CT试验

针对激光选区熔化增材制造过程中易出现的孔洞、裂纹等缺陷，设计制作了工业CT检测用对比试件，开展了工业CT检测试验，明确了工业CT对这两类缺陷的检出能力[4]。

3.1 孔洞类对比试件及其工业CT试验

孔洞类对比试件结构示意及实物图如图5所示，在“T”字形双圆柱的大圆柱边缘，用电火花、激光打孔等工艺加工制作了直径分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm的圆孔，圆孔深度不少于2.0 mm，均匀分布在圆柱边缘，大圆柱直径与被检件有效穿透厚度一致。

图5 孔洞类对比试件结构示意及实物图

孔洞类对比试件的CT检测结果如图6～8所示(大圆柱直径为10 mm)，三维CT检测参数如表1所示(SOD为射线源到被检物体的距离，SDD为射线源到探测器的距离)。从图6～8可以看出，对比试件中直径分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm的5个气孔均能清晰检测出来，同时检测出了长度为0.1 mm左右的夹杂缺陷(图中白点)。

图6 孔洞类对比试件CT检测结果(俯视图)

图7 孔洞类对比试件CT检测结果(主视图)

管电压/kV管电流/μA曝光时间/s采集角度/(°)SOD/mmSDD/mm图像合并数像素合并数1401500.251 0804169841

3.2 裂纹类对比试件及其工业CT试验

裂纹类对比试件基本结构示意如图9所示，具体制作要求如下：

图8 孔洞类对比试件CT检测结果(左视图)

图9 裂纹类对比试件基本结构示意

(1) 基体部分材料与被检件材料一致，圆柱体直径与被检件有效射线束穿透厚度一致，高度为40 mm。沿中轴线将其分割成相同的两部分，一端放置阻隔块，另一端为零点标注刻度。

(2) 人工裂纹的宽度可以通过测量或计算得到，按照刻度记录不同位置处的裂纹宽度(开口宽度)，宽度范围一般为0.05～0.2 mm。

直径为10 mm和20 mm的TC4激光选区增材制造裂纹类对比试件CT检测结果如图10所示，裂纹类对比试件三维CT检测参数如表2所示。从图中可以看出，对比试件开口为0.05 mm的裂纹能清晰检测出来。

图10 裂纹类对比试件工业CT检测结果(主视图)

4 检测过程

4.1 缺陷模拟试件工业CT检测

孔洞类缺陷模拟试件由激光选区熔化打印而成，试件尺寸(长×宽×高)为20 mm×20 mm×10 mm，试件中预置孔洞6个，直径分别为0.3，0.5，1.0 mm的3种孔洞各2个，6个孔洞均位于试样厚度(z向)的中间平面上，但相互错开，其结构示意及实物图如图11所示。对该孔洞类缺陷模拟试件开展三维CT检测试验，检测参数如表3所示，试验结果如图12～14所示。从图中可以看出，直径为0.3 mm的孔洞类缺陷能清晰检测出来。