激光選區(qū)熔化增材制造Ti-6Al-4V鈦合金的超聲檢測(cè)

林立志，楊平華，韓 波，梁 菁

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán) 材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

鈦合金是20世紀(jì)50年代興起并開(kāi)始應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的重要金屬材料，具有質(zhì)量小、抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)。Ti-6Al-4V是一種α+β雙相鈦合金，具有良好的綜合性能，是使用較廣泛的一種鈦合金[1]。

激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)利用高能束激光直接熔化金屬粉末，逐層疊加形成高性能的金屬零部件。該技術(shù)不受構(gòu)件復(fù)雜程度的影響，可直接制備出具有形狀復(fù)雜、尺寸精度高、組織結(jié)構(gòu)致密、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)的構(gòu)件，且后續(xù)加工量少，在航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。近年來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅速，已應(yīng)用于某些飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件，受到了國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注[4-5]。然而，由于SLM技術(shù)的特殊性，基于SLM技術(shù)制作的Ti-6Al-4V鈦合金構(gòu)件在組織和缺陷特征上與傳統(tǒng)鍛件的不同，因此必須針對(duì)SLM制件的特殊性開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)研究[6]。

近年來(lái)，很多學(xué)者針對(duì)SLM制件開(kāi)展了無(wú)損檢測(cè)研究。張祥春等[7]開(kāi)展了SLM成形對(duì)比試件、缺陷模擬試件和實(shí)際樣件的工業(yè)CT(計(jì)算機(jī)斷層成像)檢測(cè)研究，結(jié)果表明，工業(yè)CT技術(shù)能有效檢測(cè)出激光選區(qū)熔化增材制造材料中的孔洞及裂紋等典型缺陷。王敬釗等[4]針對(duì)厚度為10 mm的Ti-6Al-4V鈦合金構(gòu)件的內(nèi)部缺陷，分別進(jìn)行了常規(guī)射線照相檢測(cè)和微焦點(diǎn)CT試驗(yàn)，結(jié)果表明，微焦點(diǎn)CT技術(shù)具有更高的檢測(cè)靈敏度，可用于不同尺寸缺陷的識(shí)別與表征。上述研究只針對(duì)較薄SLM材料宏觀缺陷的檢測(cè)，并未對(duì)SLM材料的自身性能以及相對(duì)較厚試件進(jìn)行細(xì)致而深入的研究。

筆者針對(duì)SLM成形鈦合金，開(kāi)展了不同成形方向聲特性差異分析，通過(guò)進(jìn)行不同參數(shù)下的水浸超聲檢測(cè)試驗(yàn)，確定了超聲檢測(cè)對(duì)選區(qū)熔化鈦合金的檢測(cè)能力以及最佳檢測(cè)參數(shù)，選取典型異常部位進(jìn)行了CT檢測(cè)，驗(yàn)證了超聲檢測(cè)的有效性。

1 試驗(yàn)對(duì)象與方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

采用一塊尺寸為50 mm×50 mm×50 mm(長(zhǎng)×高×寬)的含有自然缺陷的SLM成形Ti-6Al-4V鈦合金試件進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)試件上表面進(jìn)行磨光加工，消除表面狀態(tài)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，試件外觀如圖1(a)所示。試件的沉積方向(方向z)及步進(jìn)方向和掃描方向如圖1(b)所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

采用USIP40型超聲波探傷儀和SM-J6B-300型掃描器進(jìn)行超聲波聲速、衰減以及超聲檢測(cè)能力的水浸法檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)所采用的探頭參數(shù)如表1所示。

表1 探頭參數(shù)

采用phoenix vltomelx m型300 kV/180 kV微納米CT系統(tǒng)的三代錐束CT掃描模式對(duì)超聲檢測(cè)顯示的異常信號(hào)進(jìn)行微納米工業(yè)CT驗(yàn)證。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，先分別對(duì)比SLM鈦合金試件不同成形方向的聲速和衰減，以分析其不同方向聲特性的差異，進(jìn)而了解SLM材料的方向性特征；其次，在不同水距下對(duì)SLM鈦合金試件進(jìn)行超聲檢測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)靈敏度、信噪比和近表面分辨力的對(duì)比，確定超聲檢測(cè)的能力，以及最佳檢測(cè)參數(shù)；最后，選擇超聲檢測(cè)典型異常部位進(jìn)行工業(yè)CT檢測(cè)，驗(yàn)證超聲檢測(cè)方法的有效性，并確定缺陷的類型及尺寸。

2 結(jié)果與討論

2.1 SLM成形試件的方向性分析

采用表1中2#探頭分別對(duì)試件不同成形方向的聲速進(jìn)行水浸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同成形方向的聲速對(duì)比

由表2可見(jiàn)，SLM鈦合金沉積方向的聲速高于其他兩個(gè)方向的，沉積方向聲速為6 226 m·s-1，步進(jìn)方向聲速為6 175 m·s-1，掃描方向聲速為6 180 m·s-1，表現(xiàn)出一定的方向性差異；SLM鈦合金與相同材料的鍛件相比，聲速差異在100 m·s-1以內(nèi)。

使用表2所列不同參數(shù)的3個(gè)水浸探頭進(jìn)行不同成形方向的底波幅度掃查，比較不同方向的聲束衰減情況，間接評(píng)價(jià)不同方向組織及其內(nèi)部質(zhì)量的差異。圖2～4分別為采用不同探頭掃查得到的鈦合金試件不同方向的C掃描圖像，每個(gè)探頭不同成形方向均采用同一掃查靈敏度?？梢?jiàn)，無(wú)論是采用平探頭還是聚焦探頭，抑或是不同頻率的聚焦探頭，得到的底波幅度結(jié)果都較為均勻；無(wú)論是相同成形方向不同位置，還是不同成形方向之間，均未發(fā)現(xiàn)明顯的底波衰減不均勻現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，SLM成形鈦合金在不同方向的底波衰減沒(méi)有明顯差異，未發(fā)現(xiàn)明顯方向性。

圖2 1#探頭底波損失C掃描圖像

圖3 2#探頭底波損失C掃描圖像

圖4 3#探頭底波損失C掃描圖像

圖5為SLM鈦合金不同成形方向的金相組織。從不同成形方向的組織特征來(lái)看，不同方向的金相組織存在一定差異，沉積方向可見(jiàn)明暗相間的類似等軸晶組織，垂直于沉積方向可見(jiàn)自下而上生長(zhǎng)的柱狀晶組織，且具有明顯的晶界。

超聲波聲速與合金的相狀態(tài)(彈性常數(shù)、密度)是相關(guān)的，而合金的超聲衰減主要是由各種相界面的散射引起的。由于底波衰減并沒(méi)有明顯的差異，可見(jiàn)等軸晶組織與柱狀晶組織引起了材料彈性常數(shù)或密度的不同，但并未引起材料散射強(qiáng)度的變化。

圖5 SLM鈦合金不同成形方向的金相組織

為了探究后續(xù)SLM材料超聲檢測(cè)能力試驗(yàn)中對(duì)比試塊的適用性，筆者也比較了SLM鈦合金與鈦合金鍛件的衰減幅度。表3為不同探頭檢測(cè)SLM鈦合金和同厚度(50 mm厚)鈦合金鍛件時(shí)底波幅度達(dá)到熒光屏滿刻度80%所需增益，可見(jiàn)無(wú)論是采用平探頭還是聚焦探頭，SLM成形鈦合金與同厚度鍛件底波幅度衰減差異都不大于1 dB。因此，在不具備相同成形工藝對(duì)比試塊的情況下，可采用鍛件試塊替代SLM鈦合金試塊進(jìn)行檢測(cè)能力分析。

表3 底波幅度達(dá)到熒光屏滿刻度80%所需增益

2.2 SLM成形材料超聲檢測(cè)能力的確定

為了分析超聲檢測(cè)方法對(duì)SLM成形鈦合金材料的檢測(cè)能力，對(duì)鈦合金試件進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)。因?yàn)榫劢固筋^可提高聚焦區(qū)內(nèi)小缺陷檢測(cè)的信噪比，所以采用表1中所列的兩種聚焦探頭，選用鍛造成形鈦合金試塊作為參考基準(zhǔn)制作DAC曲線(距離-幅度曲線)，在不同水距下對(duì)選區(qū)熔化鈦合金試件進(jìn)行超聲檢測(cè)試驗(yàn)。

表4為A，B，C，D四組檢測(cè)試驗(yàn)的檢測(cè)參數(shù)。A，B組使用探頭型號(hào)為3#(5 MHz聚焦探頭)，掃查靈敏度都為在DAC的基礎(chǔ)上提高12 dB(φ0.4 mm平底孔當(dāng)量)，區(qū)別在于水距分別為150 mm以及50 mm；C,D組使用探頭型號(hào)為2#(10 MHz聚焦探頭)，掃查靈敏度同樣為φ0.4 mm平底孔當(dāng)量，區(qū)別在于水距分別為36，76 mm；檢測(cè)時(shí)根據(jù)探頭的近表面分辨力來(lái)設(shè)置可掃查范圍。

表4 檢測(cè)參數(shù)

表5為A，B，C，D四組檢測(cè)參數(shù)下的近表面分辨力以及信噪比。由結(jié)果可見(jiàn)，無(wú)論使用5 MHz還是10 MHz聚焦探頭，均可達(dá)到φ0.4 mm平底孔當(dāng)量的檢測(cè)靈敏度，信噪比均高于12 dB。在φ0.4 mm平底孔當(dāng)量檢測(cè)靈敏度下，采用5 MHz聚焦探頭時(shí)近表面盲區(qū)在10 mm以上，采用10 MHz聚焦探頭時(shí)近表面盲區(qū)不大于5 mm，可以看出，10 MHz聚焦探頭的近表面分辨力明顯優(yōu)于5 MHz聚焦探頭的。因此，推薦選用10 MHz聚焦探頭進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)10 MHz聚焦探頭在不同水距下的分辨力和信噪比進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于厚度為50 mm的SLM成型試件，水距為36 mm(焦點(diǎn)落于10 mm處)和76 mm(焦點(diǎn)落于表面)時(shí)的近表面分辨力略有差異，焦點(diǎn)在表面時(shí)的近表面分辨力約為3 mm，優(yōu)于焦點(diǎn)落于被檢件內(nèi)部的分辨力(4 mm)，因此建議將焦點(diǎn)落于表面進(jìn)行檢測(cè)。

表5 不同探頭不同水距的近表面分辨力和信噪比

綜上所述，采用10 MHz聚焦探頭,使焦點(diǎn)落于被檢件表面，當(dāng)檢測(cè)靈敏度為φ0.4 mm平底孔當(dāng)量時(shí)，近表面分辨力為3 mm，可實(shí)現(xiàn)信噪比為16 dB的最佳檢測(cè)效果。

2.3 超聲檢測(cè)異常部位的驗(yàn)證

針對(duì)1#試件沿沉積方向超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的單個(gè)異常顯示F1(埋深為27.99 mm，當(dāng)量為0.88.5 dB)，取φ8 mm圓柱進(jìn)行工業(yè)CT分析，驗(yàn)證超聲檢測(cè)方法的有效性，并確定缺陷類型及尺寸等。單個(gè)異常顯示的C掃圖像及波形如圖6所示。

圖6 單個(gè)異常顯示的C掃圖像及波形示意

圖7為1#試樣的CT檢測(cè)結(jié)果。與無(wú)缺陷部位[見(jiàn)圖7(b)]相比，在超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)單顯信號(hào)的位置，工業(yè)CT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)多個(gè)密集分布的低密度顯示[見(jiàn)圖7(a)]，經(jīng)分析其為密集分布的層狀未熔合缺陷。

圖7 1#試樣的CT檢測(cè)結(jié)果

可見(jiàn)，超聲檢測(cè)有效地檢出了選區(qū)熔化材料中的異常顯示。但由于超聲檢測(cè)所使用探頭的焦點(diǎn)直徑為4.8 mm，難以分辨距離特別近的多個(gè)小缺陷(總長(zhǎng)度為4 mm左右)，因此上述密集分布的小缺陷所顯示的超聲信號(hào)為單個(gè)顯示。

3 結(jié)論

(1) 選區(qū)熔化Ti-6Al-4V鈦合金沉積方向聲速略高于垂直于沉積方向的，沉積方向聲速為

6 226 m·s-1，垂直于沉積方向聲速為6 175 m·s-1(步進(jìn)方向)，6 180 m·s-1(掃描方向)，兩者表現(xiàn)出一定的方向性差異；但不同方向組織的差異并未帶來(lái)底波衰減的明顯差異。

(2) 針對(duì)厚度不大于50 mm的選區(qū)熔化鈦合金，采用10 MHz聚焦探頭對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，使焦點(diǎn)落于被檢件表面，φ0.4 mm平底孔當(dāng)量檢測(cè)靈敏度下近表面分辨力為3 mm，信噪比高于16 dB。

(3) 經(jīng)工業(yè)CT檢測(cè)驗(yàn)證，超聲檢測(cè)有效地檢出了選區(qū)熔化材料中的異常顯示,但由于超聲檢測(cè)所使用探頭的焦點(diǎn)具有一定尺寸，難以分辨距離特別近的小缺陷,可結(jié)合其他檢測(cè)方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。