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0 引言
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激光增材制造技术是一种数字化的“近净成形”制造技术,可以直接成形任意复杂的三维几何实体,成形时间短,制造成本低,广泛应用于航空航天等领域。 增材制件作为航空航天等领域的重要结构件,对其进行可靠的无损检测与评价尤为重要。 增材制造由于逐点、逐线、逐层的材料沉积方式以及快速冷却凝固的成形工艺,导致增材制件内部容易产生气孔、熔合不良、裂纹等缺陷[1-4]。 关于金属增材制件无损检测领域的研究主要集中在超声、射线和涡流检测[5-7],射线检测对裂纹、未熔合等面积型缺陷并不敏感,容易发生漏检,而涡流检测只能检测表面或近表面缺陷,相比较而言,超声检测对气孔、熔合不良、裂纹等缺陷皆具有较高的可检性,并且更适用于工业现场及大型零件的检测,针对增材制件具有更广的检测适应性。
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葡萄牙学者Lopez等[8]研究了超声检测及射线检测在电弧增材制件内部缺陷无损检测方面的应用。 意大利学者Lévesque等[9] 使用激光超声检测技术成功检测到了IN718 高温合金激光熔粉、激光熔丝成形增材制件以及Ti6Al4V钛合金电弧熔丝成形增材制件内部的脱粘、熔合不良、弥散气孔等不同类型的缺陷。 意大利学者Cerniglia等[10]初步研究了增材制件激光超声在线检测技术,成功检测到了镍基高温合金表面及近表面的微小缺陷。 中国航发北京航空材料研究院史亦韦等[11-12] 研究了增材制件不同方向的超声声速以及检测灵敏度,并对比了气孔、熔合不良缺陷的超声检测定量尺寸与真实尺寸的差异。 中航工业北京航空制造工程研究所韩立恒等[13]研究发现超声相控阵检测技术能够很好地识别A-100 钢电子束熔丝成形制件内部射线检测无法识别的微裂纹缺陷,但是超声波入射方向和角度对微裂纹的识别很关键。 以上研究对超声无损检测技术在增材制造领域的应用推广具有重要意义,但研究内容还有待深入,尚未形成标准的检测工艺及检测方法。
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超声相控阵检测技术将多个检测晶片集成于一个探头,利用多声束进行扫描检测,通过控制声束灵活的偏转聚焦,可大大提高检测效率,针对增材制造技术成形的大型及复杂零件具有明显的检测优势。 文中采用常规超声检测与超声相控阵检测技术研究TA15 钛合金激光熔化沉积制件内部缺陷的超声检测特性,并对比了超声相控阵检测技术在增材领域的检测优势,为增材制件超声检测工艺及检测方法的建立提供依据与参考。
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1 试验准备
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1.1 样品制备
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激光熔化沉积技术利用高能量激光束将金属基体表层材料局部熔化并形成熔池,与此同时把金属粉材送到熔池中,使其熔化并凝固成新的金属层,通过激光束的移动形成由点到线的沉积轨迹,之后由线到面,完成一层的轨迹沉积后,Z方向增加一定高度进行下一层的粉末沉积,由此完成三维零件的增材制造,是一种快速加热后急剧冷却的成形过程。 激光增材制造由于逐点、逐线、逐层的沉积成形方式,成形后的组织具有明显的方向性,表现为 XYZ 3 个方向各向异性,如图1 所示,其中 X 表示激光束步进方向,Y 为激光束扫描方向,Z 为熔融沉积方向。 激光增材制件由于特殊的成形工艺使其组织、力学性能以及内部缺陷特征都与传统锻件及铸件存在很大差异[14-16],故应对组织方向性对其内部缺陷的超声检测特性的影响进行研究。
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图1 增材制造成形方向示意图
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Fig.1 Schematic diagram of the forming directions of additive manufacturing
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试验通过改变扫描间距来制备含有缺陷的激光熔化沉积试验样件,试验参数如表1 所示,扫描间距分别设定为2、2.5 和3 mm,其他试验参数保持一致。 试验所用的沉积材料为TA15 钛合金球形粉末,粉末粒度为70~80 μm,其主要成分( 质量分数) 如下: 6.53%Al, 1.53%Mo,1.47%V, 1.78%Zr, 0.13%Fe, 0.033%Si,0.012%C,0.014%N,0.005%H,0.11%O,其余为Ti。 基材为锻造TA15 钛合金板材,厚度为20 mm。 激光束X方向步进22 mm(根据扫描间距适当调整),Y方向扫描距离为20 mm,沉积层数为20 层。 为满足超声检测需求,使用电火花线切割机床对6 个面进行切割,预留0.5 mm加工余量,之后进行磨削,确保检测表面粗糙度Ra≤6.3 μm,加工后最终尺寸为20 mm×18 mm×11 mm(X×Y×Z ),尺寸偏差为±0.1 mm,试验样块机加工后如图2 所示。
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图2 不同扫描间距的试验样件
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Fig.2 Samples produced by different hatch spacing
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1.2 试验设备
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1.2.1 激光熔化沉积设备
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激光熔化沉积试验设备采用自主研发集成的六自由度同步送粉激光增材制造试验设备,由史陶比尔机器人RX160,2 kW光纤激光器YLS2000-CL,水冷机PH-LW150-TH2P,光纤激光加工头PLFDH0125,双料仓负压式气载式送粉系统XSL-PF-01 A-2 及整机控制系统等组成。
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1.2.2 超声检测设备
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超声检测试验设备包括奥林巴斯相控阵整合型仪器设备FPX-1664PR,FocusPC数据采集分析软件,5 MHz常规探头5PΦ6,15 MHz常规探头V113-RM, 5 MHz一维线阵相控阵探头5L64-38.4X10-A12-P-2.5-OM(结构示意图见图3),0 度相控阵楔块SA12-0 L-IHC,拉绳编码器,以及机油耦合剂。 使用的常规探头的晶片面积为9π=28.27 mm2,而相控阵探头的晶片面积为38.4×10=384 mm2,单次检测面积增大了12 倍以上,即单次扫查的检测效率提高了12 倍以上。
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图3 相控阵探头结构示意图
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Fig.3 Schematic diagram of the phased array probe
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1.3 试块
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超声检测试块可分为标准试块和对比试块,标准试块用于仪器探头系统性能的校准,对比试块是指与被检件或材料化学成分相似,含有意义明确参考反射体(反射体应采用机加工方式制作)的试块,用以调节超声检测设备的幅度和声程,以将所检出的缺陷信号与已知反射体所产生的信号相比较,即用于检测校准的试块。 根据检测需求, 使用TA15 锻造钛合金材料, 参考J/BT8428—2015 标准设计并制造了含 ϕ 2 mm平底孔以及含 ϕ 0.5 mm平底孔的对比试块,试块尺寸如图4 所示,平底孔直径分别为 ϕ 2 mm、ϕ 0.5 mm,校准距离为5、15 和25 mm。
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图4 平底孔对比试块结构示意图
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Fig.4 Schematic diagram of reference blocks with flat bottom holes
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1.4 相控阵探头扫查方向
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一维阵列相控阵探头声束发射方向具有主动面与非主动面(被动面),主动面平行于阵列探头轴线,被动面平行于阵列探头宽度[17]。 相控阵探头沿不同的方向进行扫查,会出现不同的声束覆盖,可能得到不同的检测结果。 现将扫查方向定义为探头轴线方向与扫查轴的夹角,如图5所示,分别为0°扫查和90°扫查。 0°扫查为主动面扫查,每条声束依次扫过缺陷,但扫查宽度与晶片的宽度相当,扫查面积较小。 而90°扫查为非主动面扫查,只有固定的声束扫过缺陷,扫查宽度与晶片阵列的宽度相当,扫查面积更大,且扫查面积随着晶片数量的增多而增大,具有更高的检测效率。
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图5 扫查方向示意图
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Fig.5 Schematic diagram of scanning directions
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2 结果与讨论
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2.1 常规超声检测结果
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2.1.1 5MHz常规探头检测结果
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使用 ϕ 2 mm平底孔对比试块进行声速、灵敏度、以及TCG校准,将 ϕ 2 mm平底孔的反射回波波幅校准到80%。 用校准后的探头检测ϕ 0.5 mm的平底孔, 检测结果如图6 所示, ϕ 0.5 mm平底孔的反射回波约为11%, 说明5 MHz的超声探头经 ϕ 2 mm平底孔校准后能够识别大于 ϕ 0.5 mm平底孔当量的缺陷。 用校准后的探头分别从 X ( Y-Z 面)、Y(X-Z 面)、Z(X-Y面)3 个方向对3 个试验样件进行全面检测,确保检测区域无遗漏。
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图6 ϕ 0.5 mm平底孔检测结果( 5 MHz常规探头,ϕ 2 mm平底孔校准)
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Fig.6 Testing result of a ϕ 0.5 mm flat bottom hole(5 MHz probe, calibrated by ϕ 2 mm flat bottom holes)
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检测发现,1 号样件及2 号样件内部皆未检测到缺陷。 而3 号样件,从 Y、Z 方向进行检测时皆未发现缺陷,但是从 X 方向检测到3 处缺陷。 使用检测仪器自带的幅值包络功能获取3 个缺陷的最大反射波幅值,如图7 所示,但是图7 中记录的探头移动过程中最大波幅的包络曲线及对应的深度,并非真正的检测波形,缺陷的具体形状及边界需要手动移动探头进行定位识别,需要丰富的超声检测经验才能完成。
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图7 3 处缺陷的最大反射波包络线
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Fig.7 Envelope of the three defects’ maximum reflected wave
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2.1.2 15MHz常规探头检测结果
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提高探头频率,能够减小声波波长,提高微小缺陷的识别能力。 考虑到5 MHz探头对ϕ 0.5 mm平底孔当量的缺陷的识别能力较差,使用15 MHz常规探头进行检测研究。 使用ϕ 0.5 mm平底孔对比试块进行声速、灵敏度、以及TCG校准,将 ϕ 0.5 mm平底孔的反射回波波幅校准到80%。 用校准后的探头检测 ϕ 0.5 mm平底孔,检测结果如图8 所示,ϕ 0.5 mm平底孔的反射回波波幅达到80%,此时有足够的信噪比能够对 ϕ 0.5 mm平底孔当量的缺陷进行准确识别,甚至能够检测到更小的缺陷,具有更高的灵敏度。
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图8 ϕ 0.5 mm平底孔检测结果( 15 MHz常规探头,ϕ 0.5 mm平底孔校准)
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Fig.8 Testing result of a ϕ 0.5 mm flat bottom hole(15 MHz probe, calibrated by ϕ 0.5 mm flat bottom holes)
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用校准后的探头分别从 XYZ 3 个方向对3个试验样件进行全面检测,确保检测区域无遗漏。 1 号样件及2 号样件内部皆未检测到缺陷。而3 号样件,从 X 方向检测到3 处缺陷,从 Y、Z方向进行检测时仍未发现缺陷。
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使用5 MHz及15 MHz常规探头校准后进行检测,虽然具有不同的检测灵敏度,但获得的检测结果一致,说明此次制备的试验样件中除了3号样件内部含有3 处缺陷外不含 ϕ 0.5 mm平底孔当量以上的缺陷,且该类缺陷具有明显的方向性,仅能从 X 方向检测到,从 Y、Z 方向检测不到。
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X 方向为激光束步进方向,工艺参数一定时激光熔粉沉积的宽度在固定范围内,当扫描间距过大后会出现搭接不良,甚至无法搭接,如图9所示。 而3 组试验的扫描间距依次增大,故推测3 号样件内部含有的3 处缺陷为扫描间距过大导致的道间熔合不良缺陷。
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常规超声检测虽然能够对增材制件内部的缺陷进行准确识别与定位,但检测效率较低,需要手动移动探头对缺陷的形状及边界进行定位,并手动划线记录,检测过程需要丰富的超声检测经验。
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图9 扫描间距对试验结果的影响示意图
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Fig.9 Schematic diagram of the effect of hatch spacing on experimental results
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2.2 超声相控阵检测技术及检测结果
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使用5 MHz相控阵探头对试验样件进行检测,并对缺陷进行扫描成像。 为防止探头磨损,在探头上安装0 度楔块,探头与楔块之间采用机油耦合。 检测过程中采用线性扫查,每次激发16 个晶片,共激发49 个组。 使用 ϕ 2 mm平底孔对比试块进行声速、灵敏度、以及TCG校准,将 ϕ 2 mm平底孔的反射回波波幅校准到80%。
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2.2.1 相控阵扫查方向分析
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用校准后的探头分别采用0°扫查和90°扫查对 ϕ 2 mm平底孔对比试块内的标准反射体进行扫查成像,使用拉伸编码器记录检测位置,获得的检测结果如图10、11 所示。
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可以发现0°扫查和90°扫查的A扫和S扫视图呈现的结果基本一致,而C扫视图呈现的结果有很大区别,90°扫查的C扫描结果与缺陷的真实形貌一致。 此次扫查成像采用线性扫查,每次激发16 个晶片,共激发49 个组,相当于有49 组具有不同延时的A扫描组进行扫查。 当定义了一个线性扫查时,扇形( S)扫描视图就表示为声束的移动,每个聚焦法则的A扫描由一条水平线表示,在这条线上,波幅经过颜色编码处理,即不同的波幅以不同的颜色显示,所显示的实时数据表明聚焦法则按照它们的生成顺序堆叠在一起的情况。 故扇形( S) 扫描视图的水平轴为声束的覆盖范围,垂直轴为检测的深度。 而C扫描视图中,水平轴是编码器记录探头移动的距离,垂直轴是A扫描声束的覆盖范围,每条水平线代表一个组的A扫描结果。 0°扫查过程中每条声束依次扫过缺陷,C扫描视图中显示的为探头移动过程中每条声束扫描结果的叠加,单条声束无法呈现缺陷的全貌,所以扫描结果为一倾斜的长条,斜率代表探头移动的速率。而90°扫查过程中只有固定的声束扫过缺陷,每条声束呈现一部分缺陷图像,所以叠加后的结果为缺陷的真实形状,如图11 所示,成像结果与 ϕ 2 mm平底孔基本一致。 所以从0°扫查成像结果中能够直接看出每组声束的成像结果,但是无法呈现缺陷的真实形貌,并且每组声束重复扫过同一区域,导致检测效率降低。 而90°扫查成像结果能够直接呈现缺陷的真实形貌,准确反映缺陷的边界及轮廓,并且具有更高的检测效率。
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图10 ϕ 2 mm平底孔0°扫查结果
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Fig.10 0 degree scanning result of a ϕ 2 mm flat-bottomed hole
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图11 ϕ 2 mm平底孔90°扫查结果
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Fig.11 90 degree scanning result of a ϕ 2 mm flat-bottomed hole
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2.2.2 试验样件超声相控阵检测
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用校准后的相控阵探头,采用90°扫查的方式分别从 XYZ 3 个方向对3 个试验样件进行全面检测,确保检测区域无遗漏。 相控阵探头的晶片尺寸为38.4 mm×10 mm,试验样件的尺寸为20 mm×18 mm×11 mm(X×Y×Z),采用90°扫查的方式单次扫查即可完成试验样件任一方向的全面扫查,大大提高了检测效率,并且防止了手动移动常规探头检测覆盖过程中的漏检现象。
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检测发现,1 号样件及2 号样件内部皆未检测到缺陷,而3 号样件,从 Y、Z 方向进行检测时皆未发现缺陷,但是从X方向检测到3 处缺陷,与常规探头的检测结果相同。 使用拉伸编码器记录检测位置对缺陷进行扫查成像,检测结果如图12 所示,C扫描图像显示的为最大一处缺陷,从C扫描图像中可以直接反映缺陷的真实形貌及边界尺寸,B扫描视图可以从 X-Z 平面方向反映3 处缺陷的深度及相对位置。 并且此次扫描的数据记录了3 处缺陷的全部信息,提取3 处缺陷的深度及最大反射波幅值如表2 所示。
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图12 3 号样件 X 方向90°扫查结果
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Fig.12 90 degree scanning result of sample 3 from X direction
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根据以上超声检测结果可知,3 个试验样件中除了3 号样件含有3 处缺陷外不含大于ϕ 0.5 mm平底孔当量的缺陷,该类缺陷面积较大,形状不规则,具有明显的方向性,为平面状缺陷。另外从表2 中的深度信息可知,缺陷1 与缺陷2 的深度距离为5.6 mm,缺陷2 与缺陷3 的深度距离为5.8 mm,而3 号样件的扫描间距为3 mm,扫描间距偏大,考虑到超声定位误差、测量误差以及道间熔融结合后的尺寸偏差,可以认为缺陷间的距离约为2 倍扫描间距,故判定该类缺陷是由于扫描间距过大导致道间搭接不足形成的道间熔合不良缺陷。 根据以上分析可知,本次3 号样件中的3 处未熔合缺陷为形状不规则的平面状缺陷,具有明显的方向性,超声检测从 X 方向能检测到该类缺陷,而从 Y 方向或 Z 方向无法检测到该类缺陷。
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2.3 缺陷磨抛分析
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用电火花线切割机床将缺陷3 沿着YZ面切开,对切割面进行打磨抛光,在蔡司Vert A1 显微镜下观察,如图13 所示为缺陷3 的部分形貌,说明超声检测到的缺陷并非一整块平面缺陷,而是多处较小的熔合不良缺陷出现在道与道之间组成的形状不规则的当量平面缺陷。 另外从图13中的超声检测C扫描结果可知缺陷3 的尺寸远大于 ϕ 2 mm平底孔的尺寸,但A扫描中的最大反射波幅仅为90.6%(ϕ 2 mm平底孔的最大反射波幅为80%),也可说明缺陷3 并非一整块平面缺陷。
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图13 缺陷3 部分形貌(Y-Z 平面)
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Fig.13 Partial morphology of defect 3(in Y-Z plane)
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3 结论
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采用激光熔化沉积技术制备了不同扫描间距的TA15 钛合金试验样件,分别采用常规超声检测及超声相控阵检测技术对样件内部的缺陷进行检测,并对缺陷进行磨抛分析,得到的主要结论如下。
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(1) 试验制备的激光熔化沉积样件除了3 号样件含有3 处熔合不良缺陷外,不含 ϕ 0.5 mm平底孔当量以上的缺陷,该类缺陷为扫描间距过大导致的道间熔合不良缺陷,为多个较小的熔合不良缺陷组成的形状不规则的平面状缺陷,具有明显的方向性,在 X 方向具有最高的缺陷检出率,从Y 方向或 Z 方向无法检测到该类缺陷。
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(2) 工艺不当可能导致增材制件内部产生缺陷,增材制件内部的致缺陷具有明显的方向性,为了防止缺陷漏检,应从 XYZ 3 个方向分别进行全面检测。
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(3) 一维线阵相控阵探头按0°扫查和90°扫查会得到不同的C扫描成像结果,0°扫查的成像结果能够直接反应每组声束的成像情况,而90°扫查的成像结果能反映缺陷的真实形状及轮廓边界,且声束的覆盖范围更大,检测效率更高。
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(4) 相比于常规超声检测,超声相控阵检测技术极大地提高了检测效率,并能够直接呈现缺陷的真实形貌及轮廓边界,降低了人工疲劳及对检测技术、检测经验的要求,针对增材制造大型零件的检测需求具有广阔的应用前景。
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摘要
为了确保激光增材制件的质量安全,对其进行可靠的无损检测与评价尤为重要。 针对 TA15 钛合金激光熔化沉积制件,使用常规超声以及超声相控阵检测技术对其内部缺陷进行检测,重点研究了激光增材制件内部缺陷的超声检测特性以及超声相控阵检测技术在增材制件上的应用优势。 使用激光熔化沉积技术制备了含有熔合不良缺陷的试验样件,从 XYZ 3 个方向分别对样件进行了全面检测。 结果表明,激光增材制件内部的缺陷具有明显的方向性,因此, 为了确保激光增材制件检测结果可靠,应从 XYZ 3 个方向分别进行全面检测。 相比与常规超声检测,超声相控阵检测技术大大提高了检测效率,能够直接成像缺陷的轮廓边界,降低了技术依赖性及人工疲劳性,针对大型增材制件的检测需求具有广阔的应用前景。
Abstract
It is particularly important to carry out reliable non-destructive testing and evaluation for components produced by la- ser additive manufacturing. Internal defects of TA15 titanium alloy samples produced by laser melting deposition was detected u- sing conventional ultrasonic and ultrasonic phased array inspection technology. The ultrasonic inspection characteristic of internal defects of laser additive parts and the advantages of ultrasonic phased array inspection technology in additive parts are mainly studied. The sample with lack of fusion defects was manufactured by laser melting deposition technology and comprehensive in- spection was carried out from XYZ three directions. Results show that defects in laser additive parts have obvious directionality. In order to ensure the reliable inspection of laser additive parts, comprehensive inspection should be carried out from XYZ three directions. Compared with conventional ultrasonic testing, ultrasonic phased array inspection technology can greatly improve in- spection efficiency, directly image the contour boundary of defects, and reduce the technical dependence and artificial fatigue, which has broad application prospects for large additive parts.
