探析TA15鈦合金激光熔化沉積制件超聲相控陣檢測

沈英杰 蔚道祥 袁奕雯

【摘 要】為獲取高品質的增材制件，有必要開展相應的無損檢測，并且也不能忽視對其的評價，基于TA15鈦合金制件，通過實施超聲相控陣檢測的方法，來全面檢測其存在的缺陷，在增材制件方面，著重探討了該項技術的運用優勢，能夠顯著提升檢測效率，充分體現缺陷的輪廓以及邊界，總之對于增材制件的檢測，有著良好的運用前景。

【關鍵詞】增材制件;探頭;TA15鈦合金;缺陷檢測

引言：

對于超聲相控陣檢測來說，就是基于一系列的晶片，進一步集成1個探頭，通過對多聲束的使用，來開展掃面檢測，在有效利用偏轉聚焦的基礎上，能夠顯著提升檢測效率，無論是大型的零件，還是較為復雜的零件，都存在突出的檢測優勢。

1.試驗準備

1.1樣品制備

對于激光熔化沉積來說，就是通過對激光束的利用，把金屬基體材料進行熔化，同時產生相應的熔池，接下來，將粉材送至熔池，以便能夠產生新的金屬層，在激光束的作用下，出現相應的沉積軌跡，在結束軌跡沉積之后，當達到既定高度時，開展下一層的沉積，通過這樣的途徑，最終實現對三維零件的生產，屬于一種成形的過程。在成形之后，存在突出的方向性，在不同方向上存在異性，詳情如圖1所示，X代表著步進方向，Y表示掃面方向，而Z表示沉積方向。對于增材質量來說，因為其有著獨特的成形工藝，故而在很多方面與鍛件與鑄件有著較大的不同，例如力學性能，基于此，有必要加以關注超聲檢測特點的影響。

在對掃面間距進行調整的基礎上，進一步來制備試驗樣件，間距依次設為2米、2.5米以及三米，別的參數保持恒定。將TA15鈦合金當作試驗材料，粒度介于80微米至90微米的范圍，含有多種組成物質，例如硅、碳、氮以及鋁等，其中絕大多數屬于鈦。基材屬于鋁合金板材，有三十毫米厚。在X方向上，步進距離達到22毫米，在Y方向上，激光束掃描距離達到30毫米，一共有25層的沉積層。為了更好符合檢測的要求，通過對切割機床的利用，來開展相應的切割處理，留出0.5毫米的生產余量，完成此環節后開展磨削，保證粗糙度不超過6.3微米，有效完成加工之后，尺寸大小為21毫米*19毫米*12毫米，偏差處于上下0.1毫米的范圍。

1.2試驗設備

（1）熔化沉積設備。該設備由激光增材加工而成，有著較多的構成成分，例如水冷機以及光纖激光器等。（2）超聲檢測設備。該設備同樣包含著多個成分，例如探頭、編碼器以及分析軟件等。就常規探頭來說，其晶片面積約為28平方米，相比之下，相控陣探頭有著更大的面積，其晶片面積能夠高達380平方米左右，約為前者的十二倍，換句話來講，可以顯著提升檢測效率。

1.3試塊

一般對于超聲檢測試塊來說，可將其分成兩種，也就是標準以及對比試塊，通過對前者的使用，可以對探頭性能進行校準，而對于后者而言，就是在成分方面，與被檢件有著一定的相似性，可對反射體進行參考，無論是聲程還是幅度，都可以達到調節的目的，用來對信號進行對比，也就是用于校準的試塊。結合實際的需求，選擇TA15鈦合金材料，按照有關的設計規范，加工了兩個平底孔，一個的外徑為兩毫米，另一個的為0.5毫米，也就是對比試塊，校準距離有5毫米、15毫米以及25毫米。

1.4相控陣探頭掃查方向

就聲束發射方向來說，其存在主、被動面，前者與探頭軸線保持平行，后者與探頭寬度保持平行。朝著不一樣的方向，通過探頭來開展掃查，會形成各種的聲束覆蓋，也許獲取不一樣的檢測結果。針對軸線方向以及掃查軸，將兩者的夾角看成掃查方向，詳情如圖2所示，依次為0度以及90度掃查，對于前者來說，屬于主動面掃查，按照一定的順序對缺陷進行掃查，在寬度方面，掃查和晶片的是差不多的，掃查的面積并不大。后者屬于被動面掃查，僅存在既定的聲束，來對缺陷進行掃描，從寬度上來分析，掃查和陣列的是差不多的，有著相對較大的掃查面積，另一方面，在晶片數目不斷增加的情況下，會促使掃查面積變得更大，能夠獲取更為可觀的檢測效果。

2.超聲相控陣檢測

2.1相控陣掃查方向分析

在完成對探頭的校準之后，依次利用0度以及90度掃查，針對標準反射體，對其開展掃查成像，通過對編碼器的使用，來對檢測位置進行記錄，圖3以及圖4 為實際的檢測結果。在通過掃查之后，就視圖呈現結果來說，A、S掃差不多是一樣的，相比之下，C掃的結果有著較大的不同，和缺陷的形貌進行比較，C掃描的有著一定的相似性。針對這一次掃查成像，實施了線性掃查，一共激發了五十個組，共有17個晶片，好比50組的A掃描組開展掃查。在為1個線性掃查的情況下，通過S掃描視圖，可以代表聲束移動，借助1條水平線，進一步來代表A掃描，在有效利用顏色編碼的基礎上，對波幅進行相應的處理，換句話來講，用不一樣的顏色來表示不一樣的波幅，通過所形成的實時數據，可以進一步顯示堆疊的情況。在C掃描視圖中，通過水平軸以及垂直軸，依次來表示距離以及覆蓋范圍，用1條水平線來表示1組結果。在0度掃查中，所有的聲束分別掃過缺陷，通過C掃描視圖，來表示疊加的效果，通過利用單條聲束，是難以顯示缺陷全貌的，基于此，結果看起來是傾斜的長條，斜率的大小就是移動速度的大小。在90度掃查中，僅存在一些特殊的聲束，才能進一步掃過缺陷，由于每條聲束能夠代表相應的缺陷圖像，故而對于疊加之后的結果來說，就屬于缺陷的形狀，和直徑為兩毫米的平底孔進行比較，差不多是一樣的。由此可以得知，基于0度掃查成像，就可以獲取每組的成像結果，實際上，卻難以體現缺陷形貌，此外因為會重復掃面相同的區域，所以會對檢測效率造成影響。相比之下，通過90度掃查結果，可以以直接的形式，將缺陷形貌充分體現出來，無論是輪廓還是邊界，都可以得到精準的體現，更為關鍵的是，能夠獲取更為可觀的檢測效果。

2.2試驗樣件超聲相控陣檢測

在有效校準探頭后，實施90度掃查方法，對試驗樣件開展全方位檢測，保證不出現遺漏的情況。晶片大小為38.5毫米*11毫米，樣件的大小為21毫米*19毫米*12毫米，在單次掃查的情況下，就可以全方位掃查樣件，而且不受方向的約束，極大提升了檢測效率，同時避免了出現漏檢的情況。通過檢測得知，1號以及2號樣件沒有缺陷，而3號樣件存在缺陷，和探頭檢測結果是一樣的。通過對編碼器的使用，來對成像進行記錄，實際結果如圖5所示，在C掃描圖像中，有著很大的缺陷，能夠以直接的形式，充分體現形貌以及邊界大小，通過B掃描視圖，能夠得知缺陷的深度與位置。表1所示為缺陷信息。結合檢測結果得知，在全部的樣件中，只有3號樣件存在缺陷，這一類缺陷并不大，有著突出的方向性，屬于一種平面狀缺陷。另一方面，結合表1所含信息可以得知，對于缺陷1和2，兩者間的距離達到5.5毫米，缺陷2和3間的距離達到5.8毫米，3號樣件有著很大的掃描間距，綜合考慮多項因素，針對于兩倍掃描間距，可將其當作缺陷之間的距離，由此可以得知，因為掃描間距相對較大，從而引起這一類的缺陷。

結論：

綜上所述，就3號試驗樣件來說，其存在的缺陷屬于平面狀缺陷，有著突出的方向性，在X方向上，通過采用超聲檢測的方法，可以有效檢測出這一類缺陷，而從其他兩個方向上，則難以實現對該類缺陷的檢測。

參考文獻：

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基金項目：

上海市市場監督管理局科研項目2019-30《基于超聲導波的車載高壓儲氫瓶損傷在線定位》項目資金支持