從逐層堆積到逐向檢測：面向激光增材制造TA15鈦合金各向異性特征的相控陣超聲檢測策略優化——基于預制真實缺陷模型的方向依賴性實證研究

激光增材制造技術具備快速成形與直接成形復雜零件的優勢，如今已經被廣泛應用于航空航天、核電、船舶等領域。增材制造技術采用由點到線、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準化較差，導致增材制造零件內部可能會產生氣孔、熔合不良、裂紋、夾雜等缺陷，會影響增材制件的使用性能，嚴重時可能會導致重大事故。無損檢測是確保增材制件能夠裝機應用的一個重要環節，國內針對增材制件的無損檢測大多直接沿用鑄鍛件的檢測標準，這在一定程度上限制了增材制造技術的應用及發展。目前針對增材制件比較可靠的無損檢測技術是可視化的工業計算機斷層掃描，但檢測成本高并且應用范圍有限。故研究針對增材制件有效的超聲無損檢測技術具有重要意義。

相控陣超聲檢測技術將多個檢測晶片集成到一個探頭，每個晶片可進行獨立控制，通過算法精確控制各個晶片的收發及延時可使聲束產生靈活的偏轉聚焦，提高缺陷檢出率的同時極大地提高了檢測效率，在增材制造領域極具應用前景。韓立恒等采用相控陣超聲檢測技術對電子束熔絲成形的A-100鋼內部的微裂紋缺陷進行檢測，研究發現超聲波的入射方向和角度對微裂紋缺陷的檢測識別很關鍵，方向選擇不當可能導致缺陷漏檢。李文濤等分別采用線陣和環陣超聲換能器對激光增材制造的TC18鈦合金試樣三個方向的平底孔缺陷進行了檢測，研究結果表明增材樣件的各向異性對超聲檢測結果有較大影響，采用超聲檢測方法對增材樣件進行檢測時有必要考慮其成形方向，應盡可能沿著樣件的沉積方向進行入射檢測。楊平華等采用超聲水浸檢測，對激光、電子束增材制造及變形制造三種不同制造工藝制備的TC18鈦合金材料開展了超聲檢測特征測試，研究認為增材制造的鈦合金材料在不同成形方向的超聲波聲速、材料衰減及檢測靈敏度均存在較大差異。LOPEZ等采用相控陣超聲檢測技術對電弧熔絲增材制造的鋁合金樣件進行了檢測，檢測的缺陷是直徑3 mm的平底孔缺陷，并研究了檢測表面形貌對檢測結果產生的影響，研究結果表明相控陣超聲檢測技術適用于對電弧熔絲增材制件內部缺陷的尺寸、形貌及位置進行檢測評定。JAVADI等研究了全聚焦相控陣超聲檢測技術在電弧熔絲增材制造合金鋼上的應用，檢測的缺陷包括橫孔、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檢測設備進行校準的檢測方法，但所采用的檢測方法還有待標準化。

目前的研究對相控陣超聲檢測技術在增材制造領域的應用起到了促進作用，但檢測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部產生的真實缺陷具有較大差異。本研究希望通過合理控制激光增材制造工藝來預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部缺陷的相控陣超聲檢測特性，為增材制件的超聲無損檢測工藝提供參考。

1、試驗材料及方法

1.1 試驗設備

本研究采用激光定向能量沉積技術來制造含有內部缺陷的增材樣件。試驗采用自主研發的六自由度同軸送粉激光增材制造試驗設備，配備IPG 2000 W激光器。沉積材料為TA15鈦合金粉末，粉末粒度為53~150 μm，主要化學成分如表1所示。基板為厚度10 mm的TA15板材。

表1 TA15粉末的化學成分

相控陣超聲檢測試驗設備來自奧林巴斯，主要由相控陣整合型儀器設備FPX-1664PR、Focus PC數據采集分析軟件、一維線陣換能器組成。試驗過程中，換能器頻率為5 MHz，晶片數量為64，陣元間距為0.6 mm，激活孔徑為38.4 mm，晶片的高度為10 mm。檢測采用線性聚焦掃描，聚焦深度10 mm，每次激活16個晶片，如圖1所示。采用0度楔塊SA12-0L-IHC來保護換能器，超聲數據采集所用的編碼器分辨率為0.5 mm。對比試塊采用鍛造TA15材料制造，包含直徑為2 mm，深度分別為5、15、25、35 mm的平底孔標準反射體，如圖2所示。采用對比試塊校準聲速及增益，將不同深度平底孔的超聲反射波幅依次調整到80%。

1.2 檢測方向

考慮激光增材制造工藝采用由點到線、由線到面、逐層疊加的材料成形工藝，除了導致成形的材料具有各向異性外，還可能導致產生的缺陷具有方向性。而缺陷本身的方向性會導致從不同方向進行超聲檢測過程中缺陷與聲束的相對位置關系會產生不同，從而對超聲檢測結果造成影響。故本研究分別從X（掃描方向）、Y（步進方向）、Z（沉積方向）三個方向對預制缺陷進行相控陣超聲檢測，研究增材缺陷三個方向的超聲檢測特性，檢測方向示意圖如圖3所示。

1.3 缺陷預制

激光增材制造采用的主要工藝參數如表2所示，試驗過程中采用氬氣作保護氣氛，控制氧氣含量<0.1‰。擬分別預制含有熔合不良缺陷及夾雜缺陷的激光增材制造試驗樣件，對于含有熔合不良缺陷的試驗樣件（樣件1），采用在缺陷位置增大掃描間距來實現，如圖4a所示，缺陷位置的掃描間距設為4 mm。對于含有夾雜缺陷的試驗樣件（樣件2），采用在制造過程中在沉積方向的中間部位嵌入6個直徑1~1.2 mm的ZrO?陶瓷球來實現，將其中的4個陶瓷球和2個陶瓷球分別放置在兩個不同層，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樣件從基板上切下，采用電火花線切割及磨削對樣件的6個表面進行加工，加工后的表面粗糙度小于Ra 6.3 μm，加工后樣件1和樣件2的尺寸分別為（X×Y×Z）：25 mm×23 mm×15.5 mm、25 mm×23 mm×19 mm，如圖5所示。

表2 激光增材制造工藝參數

2、缺陷檢測及驗證

2.1 熔合不良缺陷檢測及驗證

采用校準后的相控陣超聲檢測設備分別從X、Y、Z三個方向對樣件1進行檢測，檢測發現從Y與Z方向進行檢測時皆未檢測到缺陷，但是從X方向檢測時發現了兩處缺陷，說明缺陷在X方向的尺寸很小，而在YZ平面內具有一定的尺寸，因此缺陷可以從X方向檢測到，而從Y或Z方向無法檢測到。缺陷的超聲檢測結果如圖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掃視圖中縱坐標反映缺陷的反射波幅，橫坐標反映缺陷在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9.4 mm，雖然兩處缺陷的反射波幅較大，但并未使底波產生嚴重的衰減。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平面內的形貌，為大面積平面狀缺陷。S掃視圖中縱坐標反應了缺陷的深度，橫坐標表示相控陣探頭帶動編碼器沿Z方向移動的位移，從而反應了缺陷在Z方向的尺寸信息。移動過程中底面全程反射聲波，因此底波最長，而2處缺陷僅在中間區域反射聲波，因此缺陷在Z方向的尺寸小于樣件1的尺寸。B掃視圖中縱坐標反應了缺陷的深度，橫坐標反應了缺陷在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。因此，可根據超聲檢測結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9.4 mm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，所以缺陷的檢測結果說明預制的熔合不良缺陷與圖4a中缺陷的性質相似。

為驗證超聲檢測結果，采用電火花線切割加工將缺陷1切開，并對切割表面進行磨拋，采用Zeiss VertA1光學顯微鏡分別從Y方向、X方向對缺陷進行觀察。圖7a是從Y方向觀察的結果，其表面采用體積比為V(HF)∶V(HNO?)∶V(H?O)=1∶6∶7的腐蝕劑進行腐蝕，可以清楚地看到打印的紋理，缺陷位于兩道堆疊層之間，呈不連續的線狀分布，是由掃描間距過大導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，由多個相距較近的熔合不良缺陷組成。

預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方向檢測到，而從Y或Z方向無法檢測到。由于缺陷具有不連續的特點，從X方向檢測時具有一定的透聲性，超聲波可以依次透過缺陷1和缺陷2到達樣件底面，且未對底波造成嚴重衰減。

2.2 夾雜缺陷檢測及驗證

采用校準后的相控陣超聲檢測設備分別從X、Y、Z三個方向對樣件2進行檢測，檢測結果表明預制的6個夾雜缺陷從三個方向皆能檢測到，從不同方向檢測的C掃結果如圖8所示，說明預制的夾雜缺陷是體狀缺陷。但從Z方向檢測時缺陷的反射波幅最大，如圖9所示，故從Z方向檢測時缺陷更容易被檢測到。6個缺陷在Z方向上分層分布，其中缺陷1和2分布在同一層，深度在6.8~7.1 mm，缺陷3~6分布在同一層，深度在13.3~13.6 mm，與圖4b中的缺陷預制方法相符。圖10為缺陷5的A掃超聲結果，缺陷5的最大反射波幅為38.8%，遠小于樣件1中從X方向檢測時熔合不良缺陷的反射波幅，但缺陷5對超聲底波有明顯的衰減。

選擇缺陷3~6對超聲檢測結果進行驗證，采用電火花線切割加工將樣件2沿著XY平面切開，切割位置距離Z方向檢測表面13 mm，之后對切割表面進行磨拋加工，磨拋后觀察到的結果如圖11所示。圖11a為光學相機拍攝的缺陷3~6的相對位置，與圖8c中的超聲檢測結果一致，說明相控陣超聲檢測技術能夠對增材缺陷的相對位置進行準確識別，但觀察到的缺陷尺寸與超聲檢測結果存在差異，可能的原因是在線切割及磨拋加工過程中缺陷發生了部分丟失，并且缺陷的分布深度存在差異，導致無法在同一平面上呈現全部缺陷的最大尺寸。圖11b為在場發射電子顯微鏡（TESCAN MAIA3）下觀察的缺陷6的微觀形貌，可以看到陶瓷材料已經嵌入到鈦合金材料內部，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不是規則的圓球形，而是呈不規則的扁平狀分布。這說明ZrO?陶瓷材料在增材制造過程中的高溫環境下發生了熔融，而熔融的陶瓷材料在激光及保護氣壓力的作用下呈與激光束垂直的扁平狀分布，導致缺陷在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方向進行超聲檢測時缺陷具有最大的反射波幅，缺陷更容易被檢測到。而從Y方向或X方向進行檢測時部分缺陷的最大反射波幅在15%以下，易與噪聲信號混疊，可能導致缺陷漏檢。

3、結論

（1）采用增大掃描間距的方法成功在激光增材樣件內部預制了熔合不良缺陷，該類缺陷位于相鄰兩道之間，由多個相距較近的小尺寸熔合不良缺陷組成，缺陷呈不連續分布，有一定的透聲性，不會對超聲底波造成嚴重的衰減，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從X方向更易檢測到該類缺陷，而從Y或Z方向檢測時可能無法檢測到該類缺陷。

（2）采用嵌入ZrO?陶瓷球的方法成功在激光增材樣件內部預制了夾雜缺陷，相控陣超聲檢測從三個方向都可以檢測到該類缺陷，并能夠對缺陷的相對位置進行準確識別，但該類缺陷在增材制造過程中發生了熔融再凝固，在激光及保護氣壓力的作用下導致缺陷在XY平面上呈扁平狀分布，所以該類缺陷從Z方向更容易被檢測到。

（3）道間熔合不良缺陷從X方向更容易被檢測到，而夾雜缺陷從Z方向更容易被檢測到。這說明不同類型的增材缺陷具有不同的形狀及分布特征，從不同方向進行超聲檢測時聲束與缺陷具有不同的相對位置關系，可能導致缺陷的檢測評定結果產生差異，甚至導致缺陷漏檢，故增材缺陷的超聲檢測應考慮檢測方向對缺陷檢測評定結果的影響。

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（注，原文標題：TA15鈦合金激光增材制造缺陷預制及相控陣超聲檢測）