增材制造高溫合金的相控陣超聲檢測

林珊珊，康 達(dá)，王宏寶，黃 鑫，任樹貴，吳慧慧，馬兆光，季連源，李 鵬，張 宏

(1.北京動力機(jī)械研究所，北京 100074；2.北京新興日祥科技發(fā)展有限公司，北京 100176；3.安泰科技股份有限公司，北京 100081)

增材制造技術(shù)以其制造自由度高、精度高、節(jié)約時間等優(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[1-3]；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[4]。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掃查能夠有效識別出材料內(nèi)部的孔隙和未熔合缺陷[5]。北京航空制造工程研究所韓立恒等[6]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別非常關(guān)鍵的結(jié)論。西北工業(yè)大學(xué)阮雪茜等[7]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)品的，而衰減系數(shù)則反之，同時分析了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)參量檢測及相控陣超聲檢測原理

1.1 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10 MHz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間差，并計(jì)算聲速與衰減系數(shù)(見圖1)，可見聲速最大差值小于212 m·s-1，衰減系數(shù)最大差值為0.10 dB·mm-1，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

圖2為GH3536合金聲束入射面的金相檢驗(yàn)結(jié)果，由圖2可知，入射面晶粒形貌較為均勻，聲波散射、偏折程度較小。

圖2 GH3536合金聲束入射面的金相檢驗(yàn)結(jié)果

1.2 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲檢測是通過控制陣列換能器中各個陣元激勵(或接收)脈沖的時間延遲，實(shí)現(xiàn)聲束能量和方向的改變。再經(jīng)過對聲束的信號合成，最終形成相控陣超聲檢測圖像[8]，相控陣超聲檢測原理如圖3所示。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個過程的本質(zhì)相同，只是延時方式存在差異。

圖3 相控陣超聲檢測原理示意

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)制備與檢測結(jié)果

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Omniscan SX設(shè)備，配備10L-16-A10探頭、ENC1-2.5-LM手動編碼器和SA10平楔塊，檢測系統(tǒng)外觀如圖4所示。

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如圖5所示的對比試塊，試塊中包含不同埋深的人工橫通孔，孔直徑為1.0 mm,深度分別為3，5，7，9，11 mm。

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3,5,10 mm，然后對對比試塊中的人工缺陷進(jìn)行掃查，圖68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，其中激發(fā)陣元數(shù)目與聚焦深度可簡寫為陣元數(shù)目-聚焦深度格式，如6陣元聚焦深度2 mm可簡寫為6-2。

圖5 對比試塊結(jié)構(gòu)示意

由圖68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。表1為為在不同聚焦法則條件下不同深度人工缺陷的深度檢測結(jié)果。在激發(fā)6陣元，聚焦深度不同的情況下，定位誤差最大為0.64 mm；在激發(fā)10陣元，聚焦深度不同的情況下，定位誤差最大為0.45 mm；在激發(fā)16陣元，聚焦深度不同的情況下，定位誤差最大為0.57 mm。

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5 mm進(jìn)行實(shí)際檢測，檢測結(jié)果如圖9所示。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7.6 mm，當(dāng)量尺寸為φ 1.48 mm；2#缺陷深度為9.6 mm，當(dāng)量尺寸為φ 1.25 mm。

圖6 激發(fā)6陣元,聚焦深度5 mm時的對比試塊檢測圖像

圖7 激發(fā)10陣元，聚焦5 mm時的對比試塊檢測圖像

圖8 激發(fā)16陣元，聚焦5 mm時的對比試塊檢測圖像

表1 不同聚焦法則條件下不同深度人工缺陷的深度檢測結(jié)果 mm

圖9 典型產(chǎn)品的相控陣超聲檢測圖像

2.2 分析討論

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，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，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3，5，7 mm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3，5，7，9，11 mm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3 mm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，由表1可知，不同深度缺陷定位誤差在10%以內(nèi)。由圖9可見，同時激發(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獨(dú)特優(yōu)勢所在。

3 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的聲速、衰減系數(shù)與主頻偏移值等聲學(xué)參量的變化規(guī)律，在上述基礎(chǔ)之上，利用對比試塊及典型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了相控陣聚焦法則優(yōu)化設(shè)計(jì)，檢測結(jié)果表明，相控陣超聲檢測技術(shù)能夠有效識別增材制造高溫合金內(nèi)部的缺陷，在后續(xù)實(shí)際工程應(yīng)用時應(yīng)綜合考慮聚焦法則設(shè)置及不同位置缺陷的有效檢出。