增材制造高溫合金的相控陣超聲檢測

增材制造技術(shù)以其制造自由度高、精度高、節(jié)約時(shí)間等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，按照所用材料狀態(tài)及成型方法分類，其可分為熔融沉積、光固化立體、分層實(shí)體制造、電子束選區(qū)熔化、激光選區(qū)熔化等；增材制造常用的材料主要為鈦合金、高溫合金等。在制造過程中，受熱、力等因素的影響，零件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)裂紋、氣孔、未熔合等多種缺陷，因此如何開展增材制造產(chǎn)品的無損檢測工作顯得尤為重要。針對增材制造產(chǎn)品的無損檢測問題，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)均開展了研究。德國弗朗霍夫無損檢測研究所利用相控陣超聲檢測技術(shù)評估增材制造產(chǎn)品的材料各向異性和組織特征。美國國家航空航天局采用傳統(tǒng)超聲檢測方法和相控陣超聲檢測方法對增材制造技術(shù)制造的鈦合金、鋁合金件進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測，證明了通過相控陣B掃查能夠有效識(shí)別出材料內(nèi)部的孔隙和未熔合缺陷。北京航空制造工程研究所初步研究了超聲相控陣檢測技術(shù)在A-100鋼電子束熔絲成型制件中的應(yīng)用，得出了微觀組織結(jié)構(gòu)對檢測技術(shù)的應(yīng)用有較大影響，且超聲波入射方向和角度對微裂紋的識(shí)別非常關(guān)鍵的結(jié)論。西北工業(yè)大學(xué)研究對比了TC4鈦合金鍛件與增材制造產(chǎn)品的聲學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)TC4鍛件的聲速大于增材制造產(chǎn)品，而衰減系數(shù)則反之，同時(shí)分析了TC4鈦合金增材制造產(chǎn)品不同熱處理后的聲學(xué)特征。

1聲學(xué)參量檢測

選取激光選區(qū)熔化成型技術(shù)制造的GH3536合金為研究對象，測定沿聲束入射面的聲學(xué)參量，采用10MHz頻率的直接接觸探頭，利用超聲檢測系統(tǒng)分別采集A掃全波數(shù)據(jù)，在聲束入射面分別測量15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。利用數(shù)據(jù)分析軟件分別讀取一次底波與二次底波的幅值及時(shí)間差，并計(jì)算聲速與衰減系數(shù)，如圖1所示，可見聲速最大差值小于212m/s，衰減系數(shù)最大差值為0.10dB/mm，主頻偏移值經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT)，最大偏差為19.37%。圖1聲學(xué)參量檢測結(jié)果GH3536合金聲束入射面的金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，可見入射面晶粒形貌較為均勻，聲波散射、偏折程度較小。圖2GH3536合金聲束入射面的金相檢驗(yàn)結(jié)果

2相控陣超聲檢測

相控陣超聲檢測是通過控制陣列換能器中各個(gè)陣元激勵(lì)(或接收)脈沖的時(shí)間延遲，實(shí)現(xiàn)聲束能量和方向的改變。再經(jīng)過對聲束的信號(hào)合成，最終形成相控陣超聲檢測圖像。圖3相控陣超聲檢測原理示意相控陣超聲檢測的優(yōu)勢在于合成波束的可控性，即波束的偏轉(zhuǎn)、聚焦和偏轉(zhuǎn)+聚焦，上述3個(gè)過程的本質(zhì)相同，只是延時(shí)方式存在差異。利用相控陣超聲檢測設(shè)備采集數(shù)據(jù)，儀器選用奧林巴斯OmniscanSX設(shè)備，配備10L-16-A10探頭、ENC1-2.5-LM手動(dòng)編碼器和SA10平楔塊。圖4相控陣超聲檢測系統(tǒng)外觀為了更好地開展試驗(yàn)，通過增材制造技術(shù)中激光選區(qū)熔化成型方法制作了對比試塊，如圖5所示，試塊中包含不同埋深的人工橫通孔，孔直徑為1.0mm，深度分別為3，5，7，9，11mm。圖5對比試塊結(jié)構(gòu)示意使用上述相控陣超聲檢測系統(tǒng)檢測對比試塊，分別設(shè)置不同的聚焦法則，偏轉(zhuǎn)角度設(shè)置為-10°~10°，激發(fā)陣元數(shù)目分別為6，10，16，聚焦深度分別為3，5，10mm，然后對對比試塊中的人工缺陷進(jìn)行掃查，圖6~8為部分聚焦法則條件下的相控陣超聲檢測多視圖掃查圖像。圖6激發(fā)6陣元，聚焦深度5mm時(shí)的對比試塊檢測圖像圖7激發(fā)10陣元，聚焦5mm時(shí)的對比試塊檢測圖像圖8激發(fā)16陣元，聚焦5mm時(shí)的對比試塊檢測圖像由圖6~8可知，聚焦法則和聲場分布的不同造成了對不同深度缺陷的檢出存在一定差異。在激發(fā)6陣元，聚焦深度不同的情況下，定位誤差最大為0.64mm；在激發(fā)10陣元，聚焦深度不同的情況下，定位誤差最大為0.45mm；在激發(fā)16陣元，聚焦深度不同的情況下，定位誤差最大為0.57mm。根據(jù)典型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品尺寸特征，利用上述試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)置聚焦法則激發(fā)陣元為10陣元、聚焦深度為5mm進(jìn)行實(shí)際檢測，檢測結(jié)果如圖9所示。圖9典型產(chǎn)品的相控陣超聲檢測圖像對產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行定位，得到以下結(jié)果：1#缺陷深度為7.6mm，當(dāng)量尺寸為Φ1.48mm；2#缺陷深度為9.6mm，當(dāng)量尺寸為Φ1.25mm。GH3536合金是鎳基固溶強(qiáng)化高溫合金，其組織構(gòu)成與激光選區(qū)熔化成型工藝參數(shù)密切相關(guān)。在對產(chǎn)品開展相控陣超聲檢測時(shí)，聚焦法則的設(shè)置直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的檢測結(jié)果，當(dāng)陣元數(shù)目較少時(shí)，由于聚焦聲束擴(kuò)散角及能量的限制，聲束在傳播過程中會(huì)發(fā)生較大的衰減與畸變，這就使得缺陷檢出效果較差。激發(fā)6陣元，在不同深度聚焦條件下，能夠發(fā)現(xiàn)深度分別為3，5，7mm的缺陷；激發(fā)10陣元，不同深度聚焦條件下，能夠發(fā)現(xiàn)深度分別為3，5，7，9，11mm的缺陷；激發(fā)16陣元，不同深度聚焦條件下，對于近表面深度為3mm缺陷的分辨效果較差，對于其他深度缺陷則能夠有效區(qū)分，由檢測結(jié)果可知，不同深度缺陷定位誤差在10%以內(nèi)。由圖9可見，同時(shí)激發(fā)不同角度的聲束，有效檢出了不同深度的缺陷，這是相控陣超聲檢測的另一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢所在。結(jié)語研究了增材制造高溫合金產(chǎn)品沿聲束入射面入射時(shí)的聲速、衰減系數(shù)與主頻偏移值等聲學(xué)參量的變