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無損檢測在增材制造技術中應用的研究進展

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在傳統的機械制造技術中 ， 通常采用鑄造進行復雜工件的生產 ， 例如采用精密鑄造或壓力鑄造 。 同時 ， 隨著鍛造和模具成形技術的發展 ， 其產品已經很難加工或者已經不可能制造出來 。 因此 ， 工業發展迫切需要現有技術的重大改進或者新技術的出現 ， 因而增材制造技術的出現便具有重要的意義 。 激光增材制造技術是增材制造技術中最具代表性的一類 ， 按照其成形原理分類 ， 最具有代表性的是激光選區融化（SLM）和激光金屬直接成型（LMDF）技術 ， 激光選區熔化技術的原理如圖1所示 。

無損檢測在增材制造技術中應用的研究進展

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1．增材制造
當前 ， 增材制造技術已經成為工業生產中最有活力和前途的技術之一 。 與傳統的機械制造技術采用減材方式相比 ， 增材制造技術具有周期短、無模具、柔性高、不受材料和零件結構限制等一系列優點 ， 在汽車、醫療、電子、軍工、航天航空等領域得到了廣泛應用 。 通過采用蜂窩、晶格或其它的復雜結構 ， 還可以優化工件的重量和功能參數及減少壁厚等 。 對于所有的新技術而言 ， 質量控制是一個非常關鍵的問題 。 目前為止 ， 對于增材制造技術質量控制問題的研究還不夠深入 ， 而無損檢測是提高增材制造質量控制水平的關鍵技術 。 本文對增材制造過程中的缺陷類型進行了總結 ， 指出了增材制造過程中的無損檢測技術需求 ， 通過總結各種無損檢測技術的優缺點得出了激光超聲技術的應用潛力 。
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2．增材制造技術的缺陷類型
典型的增材制造工件如圖2所示 。 增材制造按工藝過程可以分為原料、制備過程中、制備完成后和服役過程四個階段 ， 每個階段中都可能存在不同類型的缺陷 ， 需要檢測的內容也不盡相同 。 原料中需要檢測的主要內容包括粉末尺寸、顆粒形狀和形態、物理化學性質和材料供應等 ， 制備過程中主要的檢測內容為應力狀態、熔融狀態、材料性能、零件扭曲、孔隙、殘余應力（消除外力或不均勻的溫度場等作用后仍留在物體內的自相平衡的內應力）、過熔深度和融合質量 ， 制備完成后主要的檢測對象為幾何形狀偏差、殘余應力、產品各向異性、裂紋、氣泡、夾雜、表面缺陷、孔簇、嵌入較深的缺陷和孔隙率（指塊狀材料中孔隙體積與材料在自然狀態下總體積的百分比） ， 服役過程中形成的缺陷主要有表面缺陷、裂紋和變形 。 激光增材制造中幾種典型的缺陷如圖3所示 。
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其中 ， 裂紋、氣孔和孔簇等連續缺陷最為危險 ， 這些缺陷通常存在于大部分工件中 。 相對于傳統的鍛造、鑄造或模制零部件來說 ， 增材制造工件的突出特點之一是其孔隙率更高 。 孔隙率的增加可能會降低零件的強度 ， 局部的孔簇會導致服役中裂紋的形成 ， 而微孔的存在通常決定了增材制造工件的動態性能（如疲勞） 。 同時 ， 由于部分區域的淬火引起局部金屬偏析 ， 導致在金屬結晶過程中出現特定的應力應變狀態 。 較高的殘余應力會導致變形、幾何尺寸變化和微裂紋的形成 ， 因此應力狀態是增材制造過程中重點檢測的內容 。
3．增材制造技術的無損檢測需求
增材制造的工件通常是一次性的 ， 并且制造成本極其昂貴 ， 因此傳統的破壞性試驗通常無法用于增材制造工件的檢測 。 同時 ， 由于增材制造工件是一層層創建的 ， 屬性更加難以預測 ， 這就對增材制造工件的質量檢測提出了挑戰 。 從某種意義上來說 ， 無損檢測可以在不破壞工件完整性和服務性能的條件下完成對工件的質量評估 ， 可以滿足增材制造工件的獨特檢驗要求 。
全過程檢測要求將無損檢測方法用于增材制造過程中熔融狀態下金屬材料的表征 ， 這遠比制備好的工件檢測難度大 ， 同時要求檢測過程不能干涉增材制造的加工過程 。 增材制造設備和工藝中需采用改進的無損檢測傳感器和控制器以提高檢測和控制能力 ， 提供實時的可見性并調節制造環境 。 在沉積過程中的實時檢測和材料性能的確定 ， 需能夠提高合格零件的生產 ， 使得增材制造生產的零件可以直接用于安裝 。
為了提高增材制造的工件質量 ， 可能需要對整個系統實行閉環過程控制 ， 例如能夠逐層監控零件并控制或減輕零件的扭曲和殘余應力 ， 同時為每個增材制造工件提供詳細的生成記錄 。 過程控制也可以擴展到制造之前的原料 ， 并驗證零件的微觀結構、幾何形狀和質量 。 由于在制造過程中 ， 工藝參數偏離其最佳值可能會導致所加工工件的服役性能惡化 ， 所以需要通過無損檢測結果對增材制造工藝參數進行評價 ， 評價的主要參數例如：聲發射方法計算的系統偏差和光學傳感器來確定的熔池深度 。
針對材料的無損評價主要有五個方面的需求：原料無損檢測、完成工件無損檢測、缺陷影響監測、設計產品數據庫和物理參數參考標準 。 原料無損檢測 ， 例如金屬粉末尺寸、顆粒形狀、微觀結構、形態、化學成分分子和原子組成 ， 這些參數需要被量化并最終評價其性能一致性；完成工件無損檢測包括制造工件（無需進一步處理）和后處理工件（需進一步處理） ， 檢測內容包括小尺寸孔隙、復雜工件幾何形狀和復雜的內部特征；缺陷影響 ， 用無損檢測方法對完成工件中缺陷類型、產生頻率和尺寸進行表征 ， 便于理解產品屬性對于產品質量和性能的影響；設計產品數據庫 ， 一個微觀結構數據庫可以編譯闡明過程結構與性能之間的關系 ， 包括每個過程中收集的圖片或者照片 ， 例如輸入材料特性、原位過程監測及制造和后處理后完成生成的特征等；物理參數參考標準 ， 目前缺乏合適的全尺寸工件來評價增材過程中的無損檢測方法的可行性 ， 由于增材制造的零件幾何形狀復雜、有嵌入較深的缺陷、有不同的微觀結構（均與鍛造相比） ， 無損檢測必須創建校驗儀器的物理參考標準 。
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在增材制造過程中 ， 需要對可能產生的缺陷進行實時監測 ， 需要克服表面形貌和制備溫度的影響 ， 需要無損檢測技術與制造過程進行集成而不影響增材制造工藝；加工完成的零件需要在驗收階段和使用壽命期間進行評估 ， 確定其服役性能 。 此外 ， 在零件的整個生命周期中 ， 需要表征材料的微結構和形態 ， 對原子和分子進行精細測量 ， 表征內部應力狀態等 。 總之 ， 及時可靠的檢測不同性質的缺陷和監測這些缺陷如何發展對于增材制造工藝具有重要的意義 。 因此 ， 采用無損檢測方法需要滿足材料、設計以及測試需求 ， 能夠用于材料的全壽命周期 ， 包括制造過程中優化、實施過程檢測、生產后的質量驗收以及服役過程中的質量監測 。 因此 ， 增材制造的各個階段對于無損檢測都有明確的需求 。
4．增材制造技術中無損檢測技術的發展
目前在無損檢測方面的技術主要包括：計算機斷層掃描、滲透測試、渦流檢測、超聲檢測和紅外相機測量 。 如圖4所示是一種采用聲發射方式監測3D打印的實驗系統 。
【無損檢測在增材制造技術中應用的研究進展】X射線檢測在工業上有著廣泛的應用 ， 無疑可以用來檢測增材制造零件的孔隙率、尺寸誤差和其他缺陷 。 X射線入射角直接影響檢測缺陷的大小和形狀 ， 可以顯示小于2％的樣品厚度的缺陷 。 計算機斷層掃描可以對所有樣品進行檢測 ， 而超聲檢測和滲透檢測是針對工件表面 。 X射線計算機斷層掃描具有檢測內部缺陷和內部特征的能力 ， 可檢測封閉孔和高密度夾雜物 。 同時 ， 計算機斷層掃描檢測技術也具有一定的局限性 ， 例如X射線的容積效應明顯 。 同時 ， 由于不能檢測到垂直于X射線束的裂紋 ， 導致其不能可靠的檢測缺陷 。 總體而言 ， X射線計算機斷層掃描是一種強大的對增材制成品進行無損檢測的技術 ， 使得描述材料的結構、形狀分布和缺陷的定量尺寸成為可能 。
增材制造的一個突出特點是比傳統的鍛造、鑄造或模具成型零件具有更高的孔隙率 ， 在這些零件中呈現不規則的粗糙表面 ， 使得檢測表面缺陷的傳統無損檢測方法難以應用 。 滲透檢測為表面檢測技術 ， 檢測固體材料及其制件的表面與近表面缺陷 ， 用于檢測不經過加工和拋光的多孔或者粗糙工件 ， 難度較大 ， 測量位置較深的復雜的內部結構或者晶格結構 ， 需要更新更靈敏的非接觸無損檢測方法 。
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Dinwiddie等人采用紅外相機揭示了增材制造過程中孔隙、未融合和外濺熔材等缺陷 。 他們開發的圖像處理特殊算法可以定量描述孔隙率 ， 但是沒有具體說明可檢測的最小缺陷尺寸 。 Gatto和Harris 用分辨率508像素／英寸的CMOS攝像頭 ， 安裝在距離工作面135 mm的位置 ， 在合成過程中 ， 攝像頭采取逐層拍照 ， 然后通過專門開發的算法處理 ， 獲得各層幾何參數 ， 層照片可以確定孔隙的幾何尺寸以及計算橫截面的形狀偏差等 。 這種方法的局限在于 ， 一方面只能分析外部表面情況而無法檢測內部 ， 另一方面表面粗糙度會嚴重影響檢測結果 。
Guan等人采用EX1301邁克爾遜光學相干斷層掃描系統評價選擇性激光燒結的工件 ， 其可以達到的三維圖像的空間分辨率約為10 μm （相比之下X射線為50 μm） ， 同時可以檢測中空、未粘合和表面粗糙度 ， 如圖5所示 ， 但是這種方法無法檢測大尺寸工件 。 Guan等人指出 ， 光波的穿透深度取決于材料的吸收和反射特性 ， 并且背反射光波的空間相干性和時間相干性會影響測量精度 ， 所以該技術只能應用于非金屬材料 。 這種方法與X射線計算機斷層掃描具有相同的靈敏度 ， 但是光學層析技術可以用于逐層生長的過程檢測 。
Rudlin等人研究了渦流、激光超聲、激光成像方法用于增材制造過程的檢測 。 實際上 ， 以上三種方法 ， 都尚未用于制造過程的檢測 ， 僅能用于制備后的人工缺陷檢測 ， 評估增材制造工件的近表面缺陷 。 激光熱成像的原理是采用紅外相機針對樣品中激光加熱的部分進行實時熱成像 ， 揭示樣品斷面激光加熱的不均勻性 ， 該方法檢測表面以下的缺陷時靈敏度低 ， 試驗中只可靠地檢測了一個直徑為0．6毫米深度為0．2毫米的缺陷 。 在0．5 mm以上的深度條件下 ， 渦流技術的檢測靈敏度為0．4 mm ， 而當檢測近表面缺陷時 ， 激光超聲和激光成像方法的靈敏度要低于0．2 mm ， 如圖6所示 。
激光超聲檢測是一種可用于快速掃描的非接觸檢測方法 ， 利用超聲在金相截面上橫向和縱向的速度不同 ， 可以表征樣品中超聲波傳播的各向異性 ， 若采用激光激勵干涉接收 ， 波前參數可用于確定近表面缺陷的尺寸和深度 ， 通常用于焊縫的缺陷識別以確保管道和軌道的完整性 ， 目前采用激光超聲檢查金屬樣品粉末沉積的研究還較少 。 由于激光超聲可以采用一個激光源產生強大的超聲波脈沖 ， 具有易于支配的波形和寬光譜范圍 ， 因此與壓電激勵相比 ， 其空間分辨率高3～10倍 。 同時 ， 因為激光誘導超聲脈沖不存在振蕩 ， 并且脈沖持續時間比PZT縮短6～7倍 ， 因此可以實現更高的分辨率和更高的靈敏度 ， 盲區很小 。 目前 ， 激光超聲對于尺寸范圍150～500 μm的不連續缺陷 ， 檢測深度可達700 μm ， 但是當深度超過300 μm靈敏度明顯減小 ， 激光超聲用于增材制造產品的孔隙率和各向異性檢測的研究還很少 。 總之 ， 激光超聲用于增材制造的無損檢測展現了較大的潛力 ， 但還需要與制造過程進行集成 ， 考慮使用這種方法對增材制造過程進行逐層實時監測 。
此外 ， 殘余應力的測定方法可以分為物理測定法和機械測定法 ， 機械測定法通常是破壞性方法 ， 例如切槽法鉆孔法 。 可用于殘余應力檢測的無損檢測方法主要有磁性法、X射線衍射法及超聲波法等 。 其中 ， 磁性法是根據鐵磁體飽和過程中應力與磁化曲線之間的變化關系進行測定 ， 在一定范圍內使用；X射線法理論完善 ， 但存在射線傷害并且僅能測定表面應力及對特定位置的晶格畸變難以測量 ， 因此其應用受到很大限制；超聲波法則是無損檢測方法中最有發展前景的方法 ， 具有快速、現場實測方便、既能測表面又能測內部殘余應力等特點 ， 尤其是激光超聲技術具有更大的應用潛力 。
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5．增材制造無損檢測技術的展望
無損檢測在增材制造中的應用存在許多問題 ， 無損表征需要描述的內容有小尺寸孔隙、固有缺陷、復雜幾何尺寸和復雜的內部特征等 ， NASA還沒有完全接受增材制造的一個主要原因是目前增材制造過程中仍缺乏足夠的無損評價手段 。
對于材料和產品缺陷 ， 無損檢測方法中的原位檢測目前還不健全 ， 例如對材料沉積和實時測量的高速成像 ， 對不連續的熱梯度、空隙和夾雜物的原位檢測 。 此外 ， 目前的控制方法 ， 對于增材制造工件的微觀結構等 ， 無法實現傳感器的反饋控制 。 若想解決應用中的這些問題 ， 就必須使開發和實施原位無損檢測技術 ， 確保最大程度上檢測材料缺陷 。 由無損檢測方法測得的工藝參數可能包括在線傳送、送粉密度、變形、殘余應力、結構成分、吸收功率 ， 裂紋和孔隙等 。
阻礙無損檢測技術作為一種原位檢測工具應用的難點在于：
1） 快速融化和冷卻 ， 使得實時監測微小缺陷十分困難 ，
2） 任何無損檢測方法都必須維持增材制造環境所需的條件 ， 如室內氣壓和激光保護安全系統 ，
3） 大部分增材制造設備的設計不易于集成NDE傳感器 ， 必須采取預防措施確保無損檢測傳感器的插入不影響增材制造加工 ，
4） 大多數增材制造設備無法開放控制 。
總之 ， 對增材制造技術的無損檢測研究還有許多工作要做 ， 增材制造技術本身缺陷的特征及形成機理還需要積累 ， 針對這些缺陷的無損檢測技術應用及增材制造設備和無損檢測設備的集成都存在大量的問題需要研究 。 目前 ， 增材制造設備存在的關鍵障礙是現有的無損檢測方法和技術無法用于增材制造材料檢測和制造過程中的零件檢測 ， 或者是無法用于原位檢測 。 同時 ， 采用傳統的無損檢測技術對增材制造完成的零件進行檢測 ， 仍然很具有挑戰性 。
6．結論
增材制造技術工藝過程的各個階段都對無損檢測提出了明確的要求 ， 缺乏足夠的無損檢測手段是阻礙增材制造技術進一步廣泛應用的關鍵原因 。 目前存在的主要問題 ， 一方面是無損檢測技術本身的應用局限性 ， 另一方面是增材制造和無損檢測設備的集成問題 。
除了增材制造過程中可能存在的缺陷外 ， 殘余應力也是一個需要重點監測的對象 。 在眾多的無損檢測手段中 ， 激光超聲技術無論是對于殘余應力的檢測 ， 還是對增材制造缺陷的檢測都最具有應用潛力 。