激光增材制造TA15钛合金人工预制缺陷相控阵超声检测试验与机理分析：不同检测方向对缺陷检出率、波幅响应及漏检防控的影响规律

激光增材制造技术具备快速成形与直接成形复杂零件的优势，如今已经被广泛应用于航空航天、核电、船舶等领域。增材制造技术采用由点到线、由线到面、逐层叠加的材料沉积方式，虽具有高度的灵活性，但制造工艺的可控性及标准化较差，导致增材制造零件内部可能会产生气孔、熔合不良、裂纹、夹杂等缺陷[2-3]，会影响增材制件的使用性能，严重时可能会导致重大事故[4]。无损检测是确保增材制件能够装机应用的一个重要环节，国内针对增材制件的无损检测大多直接沿用铸锻件的检测标准，这在一定程度上限制了增材制造技术的应用及发展[5-6]。目前针对增材制件比较可靠的无损检测技术是可视化的工业计算机断层扫描，但检测成本高并且应用范围有限。故研究针对增材制件有效的超声无损检测技术具有重要意义。

相控阵超声检测技术将多个检测晶片集成到一个探头，每个晶片可进行独立控制，通过算法精确控制各个晶片的收发及延时可使声束产生灵活的偏转聚焦，提高缺陷检出率的同时极大地提高了检测效率，在增材制造领域极具应用前景[8]。韩立恒等[9]采用相控阵超声检测技术对电子束熔丝成形的A-100钢内部的微裂纹缺陷进行检测，研究发现超声波的入射方向和角度对微裂纹缺陷的检测识别很关键，方向选择不当可能导致缺陷漏检。李文涛等分别采用线阵和环阵超声换能器对激光增材制造的TC18钛合金试样三个方向的平底孔缺陷进行了检测，研究结果表明增材样件的各向异性对超声检测结果有较大影响，采用超声检测方法对增材样件进行检测时有必要考虑其成形方向，应尽可能沿着样件的沉积方向进行入射检测。杨平华等[11]采用超声水浸检测，对激光、电子束增材制造及变形制造三种不同制造工艺制备的TC18钛合金材料开展了超声检测特征测试，研究认为增材制造的钛合金材料在不同成形方向的超声波声速、材料衰减及检测灵敏度均存在较大差异。LOPEZ等[12]采用相控阵超声检测技术对电弧熔丝增材制造的铝合金样件进行了检测，检测的缺陷是直径3mm的平底孔缺陷，并研究了检测表面形貌对检测结果产生的影响，研究结果表明相控阵超声检测技术适用于对电弧熔丝增材制件内部缺陷的尺寸、形貌及位置进行检测评定。JAVADI等[13]研究了全聚焦相控阵超声检测技术在电弧熔丝增材制造合金钢上的应用，检测的缺陷包括横孔、嵌入的碳化钨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钨球做反射体对检测设备进行校准的检测方法，但所采用的检测方法还有待标准化。

目前的研究对相控阵超声检测技术在增材制造领域的应用起到了促进作用，但检测的缺陷大多为人工制造的平底孔及横孔缺陷，该类缺陷与增材制件内部产生的真实缺陷具有较大差异。本研究希望通过合理控制激光增材制造工艺来预制含有熔合不良缺陷及夹杂缺陷的增材样件，并从不同的方向研究增材样件内部缺陷的相控阵超声检测特性，为增材制件的超声无损检测工艺提供参考。

1、试验材料及方法

1.1试验设备

本研究采用激光定向能量沉积技术来制造含有内部缺陷的增材样件。试验采用自主研发的六自由度同轴送粉激光增材制造试验设备，配备IPG2000W激光器。沉积材料为TA15钛合金粉末，粉末粒度为53~150μm，主要化学成分如表1所示。基板为厚度10mm的TA15板材。

表1 TA15粉末的化学成分

相控阵超声检测试验设备来自奥林巴斯，主要由相控阵整合型仪器设备FPX-1664PR、Focus PC数据采集分析软件、一维线阵换能器组成。试验过程中，换能器频率为5MHz，晶片数量为64，阵元间距为0.6mm，激活孔径为38.4mm，晶片的高度为10mm。检测采用线性聚焦扫描，聚焦深度10mm，每次激活16个晶片，如图1所示。采用0度楔块SA12-0L-IHC来保护换能器，超声数据采集所用的编码器分辨率为0.5mm。对比试块采用锻造TA15材料制造，包含直径为2mm，深度分别为5、15、25、35mm的平底孔标准反射体，如图2所示。采用对比试块校准声速及增益，将不同深度平底孔的超声反射波幅依次调整到80%。

1.2检测方向

考虑激光增材制造工艺采用由点到线、由线到面、逐层叠加的材料成形工艺，除了导致成形的材料具有各向异性外，还可能导致产生的缺陷具有方向性。而缺陷本身的方向性会导致从不同方向进行超声检测过程中缺陷与声束的相对位置关系会产生不同，从而对超声检测结果造成影响。故本研究分别从X(扫描方向)、Y(步进方向)、Z(沉积方向)三个方向对预制缺陷进行相控阵超声检测，研究增材缺陷三个方向的超声检测特性，检测方向示意图如图3所示。

1.3缺陷预制

激光增材制造采用的主要工艺参数如表2所示，试验过程中采用氩气作保护气氛，控制氧气含量<0.1‰。拟分别预制含有熔合不良缺陷及夹杂缺陷的激光增材制造试验样件，对于含有熔合不良缺陷的试验样件(样件1)，采用在缺陷位置增大扫描间距来实现，如图4a所示，缺陷位置的扫描间距设为4mm。对于含有夹杂缺陷的试验样件(样件2)，采用在制造过程中在沉积方向的中间部位嵌入6个直径1~1.2mm的ZrO₂陶瓷球来实现，将其中的4个陶瓷球和2个陶瓷球分别放置在两个不同层，如图4b所示。打印沉积完成后采用电火花线切割加工将试验样件从基板上切下，采用电火花线切割及磨削对样件的6个表面进行加工，加工后的表面粗糙度小于Ra6.3μm，加工后样件1和样件2的尺寸分别为(XxYxZ):25 mmx 23 mmx 15.5 mm，25 mmx23mmx19mm，如图5所示。

表2激光增材制造工艺参数

2、缺陷检测及验证

2.1熔合不良缺陷检测及验证

采用校准后的相控阵超声检测设备分别从X、Y、Z三个方向对样件1进行检测，检测发现从Y与Z方向进行检测时皆未检测到缺陷，但是从X方向检测时发现了两处缺陷，说明缺陷在X方向的尺寸很小，而在YZ平面内具有一定的尺寸，因此缺陷可以从X方向检测到，而从Y或Z方向无法检测到。缺陷的超声检测结果如图6所示，从A扫视图、S扫视图及B扫视图中皆可看到两处缺陷。A扫视图中纵坐标反映缺陷的反射波幅，横坐标反映缺陷在X方向的深度。从A扫视图可以看出，两处缺陷在X方向相距约9.4mm，虽然两处缺陷的反射波幅较大，但并未使底波产生严重的衰减。在A扫视图中将闸门置于缺陷1波幅20%位置处，故C扫视图中仅显示了缺陷1在YZ平面内的形貌，为大面积平面状缺陷。S扫视图中纵坐标反应了缺陷的深度，横坐标表示相控阵探头带动编码器沿Z方向移动的位移，从而反应了缺陷在Z方向的尺寸信息。移动过程中底面全程反射声波，因此底波最长，而2处缺陷仅在中间区域反射声波，因此缺陷在Z方向的尺寸小于样件1的尺寸。B扫视图中纵坐标反应了缺陷的深度，横坐标反应了缺陷在Y方向的尺寸，从B扫视图可以看出缺陷在Y方向的尺寸与样件1尺寸相当。因此，可根据超声检测结果提取缺陷在三维方向的尺寸信息，缺陷在YZ平面呈平面状，在X方向的尺寸很小，且两处缺陷相距约9.4mm的距离，在Z方向的尺寸小于样件1尺寸，在Y方向的尺寸与样件1尺寸相当，所以缺陷的检测结果说明预制的熔合不良缺陷与图4a中缺陷的性质相似。

为验证超声检测结果，采用电火花线切割加工将缺陷1切开，并对切割表面进行磨抛，采用Zeiss VertA1光学显微镜分别从Y方向、X方向对缺陷进行观察。图7a是从Y方向观察的结果，其表面采用体积比为V(HF):V(HNO₃):V(H₂O)=1:6:7的腐蚀剂进行腐蚀，可以清楚地看到打印的纹理，缺陷位于两道堆叠层之间，呈不连续的线状分布，是由扫描间距过大导致的道间熔合不良缺陷，且缺陷在宽度方向上的尺寸很小。从图7b中可以看出缺陷在YZ平面上呈面状分布，由多个相距较近的熔合不良缺陷组成。

预制的熔合不良缺陷在YZ平面上呈面状分布，而在XY及XZ平面上呈线状分布，所以该类缺陷仅能从X方向检测到，而从Y或Z方向无法检测到。由于缺陷具有不连续的特点，从X方向检测时具有一定的透声性，超声波可以依次透过缺陷1和缺陷2到达样件底面，且未对底波造成严重衰减。

2.2夹杂缺陷检测及验证

采用校准后的相控阵超声检测设备分别从X、Y、Z三个方向对样件2进行检测，检测结果表明预制的6个夹杂缺陷从三个方向皆能检测到，从不同方向检测的C扫结果如图8所示，说明预制的夹杂缺陷是体状缺陷。但从Z方向检测时缺陷的反射波幅最大，如图9所示，故从Z方向检测时缺陷更容易被检测到。6个缺陷在Z方向上分层分布，其中缺陷1和2分布在同一层，深度在6.8~7.1mm，缺陷3~6分布在同一层，深度在13.3~13.6mm，与图4b中的缺陷预制方法相符。图10为缺陷5的A扫超声结果，缺陷5的最大反射波幅为38.8%，远小于样件1中从X方向检测时熔合不良缺陷的反射波幅，但缺陷5对超声底波有明显的衰减。

选择缺陷3~6对超声检测结果进行验证，采用电火花线切割加工将样件2沿着XY平面切开，切割位置距离Z方向检测表面13mm，之后对切割表面进行磨抛加工，磨抛后观察到的结果如图11所示。图11a为光学相机拍摄的缺陷3~6的相对位置，与图8c中的超声检测结果一致，说明相控阵超声检测技术能够对增材缺陷的相对位置进行准确识别，但观察到的缺陷尺寸与超声检测结果存在差异，可能的原因是在线切割及磨抛加工过程中缺陷发生了部分丢失，并且缺陷的分布深度存在差异，导致无法在同一平面上呈现全部缺陷的最大尺寸。图11b为在场发射电子显微镜(TESCAN MAIA3)下观察的缺陷6的微观形貌，可以看到陶瓷材料已经嵌入到钛合金材料内部，陶瓷材料与钛合金材料具有明显的边界，但嵌入的陶瓷材料已经不是规则的圆球形，而是呈不规则的扁平状分布。这说明ZrO₂陶瓷材料在增材制造过程中的高温环境下发生了熔融，而熔融的陶瓷材料在激光及保护气压力的作用下呈与激光束垂直的扁平状分布，导致缺陷在XY平面上的尺寸变大，而在XZ及YZ平面上的尺寸变小，所以从Z方向进行超声检测时缺陷具有最大的反射波幅，缺陷更容易被检测到。而从Y方向或X方向进行检测时部分缺陷的最大反射波幅在15%以下，易与噪声信号混叠，可能导致缺陷漏检。

3、结论

(1)采用增大扫描间距的方法成功在激光增材样件内部预制了熔合不良缺陷，该类缺陷位于相邻两道之间，由多个相距较近的小尺寸熔合不良缺陷组成，缺陷呈不连续分布，有一定的透声性，不会对超声底波造成严重的衰减，该类缺陷在XY及XZ平面上呈线状分布，而在YZ平面上呈面状分布，所以相控阵超声检测从X方向更易检测到该类缺陷，而从Y或Z方向检测时可能无法检测到该类缺陷。

(2)采用嵌入ZrO2陶瓷球的方法成功在激光增材样件内部预制了夹杂缺陷，相控阵超声检测从三个方向都可以检测到该类缺陷，并能够对缺陷的相对位置进行准确识别，但该类缺陷在增材制造过程中发生了熔融再凝固，在激光及保护气压力的作用下导致缺陷在XY平面上呈扁平状分布，所以该类缺陷从Z方向更容易被检测到。

(3)道间熔合不良缺陷从X方向更容易被检测到，而夹杂缺陷从Z方向更容易被检测到。这说明不同类型的增材缺陷具有不同的形状及分布特征，从不同方向进行超声检测时声束与缺陷具有不同的相对位置关系，可能导致缺陷的检测评定结果产生差异，甚至导致缺陷漏检，故增材缺陷的超声检测应考虑检测方向对缺陷检测评定结果的影响。

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（注，原文标题：TA15钛合金激光增材制造缺陷预制及相控阵超声检测）