增材制造金屬材料無損檢測技術(shù)應用研究

陳 琨

國家能源集團科學技術(shù)研究院有限公司武漢分公司 湖北武漢 430077

1 概述

無損檢測(Non-Destructive Testing)是指借助先進的技術(shù)和設備，在不損壞檢測對象理化狀態(tài)的情況下，對被檢測對象的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和狀態(tài)進行高靈敏度和高可靠性的檢查和測試技術(shù)。與破壞性檢測相比，無損檢測主要具備非破壞性、全面性和全程性等三個特點。隨著現(xiàn)代化建設規(guī)模不斷擴增，鍋爐、壓力容器與管道等承壓設備金屬材料構(gòu)件的數(shù)量也呈數(shù)量級增加。而這些設備往往在高溫高壓和易腐蝕環(huán)境下長期“服役”，在使用過程中會產(chǎn)生材料劣化和損傷等缺陷，具有潛在的泄漏和爆炸危險[1]，是目前無損檢測技術(shù)最為廣泛的應用對象和場景。鍋爐、壓力容器與管道等承壓設備往往與發(fā)電廠等重要能源系統(tǒng)關(guān)聯(lián)密切，一旦出現(xiàn)停機事件，會帶來巨大經(jīng)濟損失，嚴重影響社會民生。而且，隨著我國裝備制造工業(yè)的快速發(fā)展和不斷升級，以航空器、通信電子、汽車制造等為代表精密制造業(yè)對幾乎所有組件的結(jié)構(gòu)完整性和安全性提出了新的要求，尤其以芯片制造為代表的“卡脖子”芯片光刻機技術(shù)，從設計到制作、封裝測試的關(guān)鍵組件，都需要進行檢測驗證。根據(jù)中國機械工程學會《無損檢測發(fā)展線路圖》的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，實施無損檢測后，相關(guān)行業(yè)的產(chǎn)品增值均有較大提升，其中：機械產(chǎn)品約5%，國防、宇航、原子能產(chǎn)品為12%～18%，火箭為20%左右。因此，無損檢測技術(shù)幾乎涉及所有制造、修檢領(lǐng)域，有助于在不停機狀態(tài)下及時發(fā)現(xiàn)和排除設備安全隱患、評估設備剩余壽命，有效降低設備在線運行的風險，對確保設備安全穩(wěn)定可靠運行、保證和維護產(chǎn)品質(zhì)量、提高國民經(jīng)濟發(fā)展水平都具有十分重要的意義。

2 常規(guī)無損檢測技術(shù)在金屬材料構(gòu)件上的應用和發(fā)展

目前，無損檢測技術(shù)作為一種靈活、快捷、越來越完善的技術(shù)，已廣泛應用于航天航空、特種設備、能源電力、軌道交通、電信電子、鋼鐵冶金等諸多領(lǐng)域[2]。常規(guī)無損檢測技術(shù)包括目視檢測(VT)、磁粉檢測(MT)、滲透檢測(PT)、射線檢測(RT)、超聲檢測(UT)和渦流檢測(ET)等方法，具體分類如下表所示。雖然應用廣泛，但是這些方法也存在一些問題，比如：目視檢測法對檢測者的經(jīng)驗要求較高；常規(guī)超聲法檢測結(jié)果無法永久保存；磁粉法和滲透法難以檢測埋藏較深的內(nèi)部缺陷；射線法現(xiàn)場操作要求較高且操作不慎對人體有放射性危害等。借助于計算機科學技術(shù)和圖像處理、自動化技術(shù)、壓電復合材料、各類微電子器件等飛速發(fā)展，數(shù)字射線檢測DR(Digital radiography)、工業(yè)計算機層析成像射線檢測CT(Computer tomography)、基于時差衍射法的超聲檢測TOFD(Ultrasonic testing based time of flight diffraction)、相控陣超聲檢測PAUT(Phased array ultrasonic testing)等技術(shù)快速發(fā)展，目前已成熟應用于工業(yè)生產(chǎn)檢測過程中。相較于常規(guī)無損檢測技術(shù)，數(shù)字成像技術(shù)DR、CT的靈敏度和分辨率都有較大提高，避免了射線對檢測者的危害，同時還可以利用后期圖像處理軟件和仿真軟件得到更為全面清晰的檢測結(jié)果；TOFD和PAUT超聲檢測新技術(shù)穿透力強，探測深度大，可以僅從一面掃查幾乎覆蓋檢測物體，對缺陷的位置、大小、形狀及性質(zhì)等做出較為準確的判斷，檢測速度快，可靠性高，應用領(lǐng)域正在不斷擴展。

無損檢測技術(shù)分類表

總體來說，無損檢測技術(shù)按照基本原理可劃分為射線檢測、聲學檢測、電磁檢測和電磁波輻射檢測等幾個大類[3]。射線、聲學和電磁檢測的內(nèi)容在上表中已有描述，電磁波輻射檢測技術(shù)根據(jù)電磁波的頻率由低到高包括微波檢測(3×108～3×1011Hz)、太赫茲波檢測(1×1011～1×1013Hz)、紅外檢測(1.3×1012～4×1014Hz)和激光檢測(3.846×1014～7.895×1014Hz)等，這類檢測方式具有非接觸、檢測速度快、無須特殊防護、可便攜式輕量化等優(yōu)點。微波檢測和太赫茲波檢測技術(shù)多用于玻璃纖維增強復合材料、陶瓷纖維復合材料、硅橡膠絕緣子材料等；紅外熱成像無損檢測技術(shù)多用于食品安全、建筑、醫(yī)療和航空航天表面復合材料等領(lǐng)域；激光檢測具有高精度特點，多用于精密儀器設備的檢測。隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展進步，檢測工件的種類和檢測需求越來越多樣化，需要充分利用物質(zhì)的聲、光、熱、電等多種特性。比如，對于增材制造金屬的檢測，光聲技術(shù)相結(jié)合的激光超聲無損檢測技術(shù)正嶄露頭角，成為研究熱點。

3 面向增材制造金屬的光聲無損檢測技術(shù)應用和發(fā)展

3.1 金屬增材制造

增材制造(Additive Manufacturing，AM)是一種新型的先進制造技術(shù)，該技術(shù)基于數(shù)字化離散化的數(shù)學模型，采用自下而上逐層增加材料的方式成型工件[6]，又被稱為3D打印技術(shù)，具有低成本、快速成型、可個性化設計和加工周期短等優(yōu)勢。增材制造連續(xù)多次操作非常少量的材料，從CAD模型中對復雜的零件進行“二維”層的操作，直接生成所需的零件。作為一項顛覆性的制造技術(shù)，增材制造已經(jīng)在航空航天、新能源、新材料、醫(yī)療儀器等新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域展示出重大價值和廣闊的應用前景，代表了先進制造的重要發(fā)展方向。由于金屬材料成型加工對能量控制和工藝精度要求極高，金屬材料的增材制造代表著增材制造體系中難度較高的方向。

金屬增材制造技術(shù)以高能束流(激光束、電子束、電弧等)作為熱源，通過熔化金屬粉材或絲材實現(xiàn)金屬構(gòu)件逐層堆積成形。從能量束種類區(qū)分，金屬增材制造技術(shù)有激光、電子束和電弧三種。其中，對于金屬材質(zhì)工件的激光增材工藝中較為成熟的加工方式有兩類，一類為激光選擇性燒結(jié)增材制SLS(Selective Laser Sintering)，另一類為激光選區(qū)熔化增材制造SLM(Selective Laser Melting)。兩者的區(qū)別在于，SLS是選擇性激光燒結(jié)，所用的金屬材料一般是經(jīng)過處理的與低熔點金屬或者高分子材料混合的粉末，在加工的過程中低熔點的材料作為黏合劑，從而實現(xiàn)金屬粉末結(jié)合成型。SLM在加工的過程中用激光使粉體完全熔化，不需要黏結(jié)劑。通過增材制造技術(shù)制造的鈦合金、鋁合金和高溫合金等金屬構(gòu)件已經(jīng)在航空航天、機械醫(yī)療等領(lǐng)域的應用顯示出其獨特的優(yōu)越性。

當前，多種金屬增材制造技術(shù)正在進步，但大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)應用尚未實現(xiàn)。很重要的一點是，增材制造過程中材料往往伴隨著強烈的物理、化學變化以及復雜的物理冶金過程，同時還存在著復雜的形變過程，其中涉及材料、結(jié)構(gòu)設計、工藝過程、后處理等諸多因素。宏觀上表現(xiàn)為構(gòu)件內(nèi)部成型質(zhì)量和力學性能得不到保證，如由于粉末融化產(chǎn)生的熱應力容易導致加工零件產(chǎn)生裂紋與翹曲變形；由于激光功率、工藝方法等外界因素影響導致金屬粉末未能完全融化，或者在加工過程中融化與凝固的速率過快，導致熔池內(nèi)的氣體來不及釋放，從而在工件內(nèi)部形成孔隙、夾雜、未熔合和裂紋等缺陷。微觀上則表現(xiàn)為熔池的形成和黏合過程中，凝固結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應力引起的晶粒生長不均勻、位錯積聚等。金屬增材制造的缺陷問題嚴重制約了其在工業(yè)上的推廣與廣泛應用，因此，對增材制造的金屬材料工件產(chǎn)品質(zhì)量無損檢測，具有十分重要的意義。

3.2 激光超聲無損檢測技術(shù)

增材制造的金屬構(gòu)件材料，本身對于材料的加工精度、力學性能等具有極高的要求，通過無損檢測給出缺陷的尺寸、位置、幾何特性等多種數(shù)據(jù)和信息，尤其是借助于計算機、激光、相控陣等技術(shù)，實現(xiàn)高精度、靈敏度和成像顯示質(zhì)量監(jiān)控已成為高端制造、檢測的大趨勢。目前，應用于增材制造領(lǐng)域的無損檢測技術(shù)主要有兩類，一類是離線檢測，主要針對已經(jīng)加工完成的增材制造金屬工件；另一類是在線檢測，主要是在增材制造的過程中對工件實時檢測。對于離線檢測，由于不受生產(chǎn)環(huán)境的限制，利用常規(guī)的無損檢測技術(shù)手段即可以實現(xiàn)大部分功能需求。而對于在線檢測，受到現(xiàn)場各種條件的限制，檢測難度大、成本高，常規(guī)超聲檢測等技術(shù)手段已無法滿足要求，需要多種技術(shù)結(jié)合應用。一方面，超聲檢測技術(shù)穿透力強、靈敏度高、適用場景廣，但不適用于增材制造的高溫工作環(huán)境；另一方面，激光無損檢測技術(shù)分辨率高、非接觸性、抗干擾能力強，不受高溫環(huán)境影響，不需要耦合劑，可很好適用于復雜的表面與結(jié)構(gòu)。因此，光電技術(shù)結(jié)合的激光超聲無損檢測技術(shù)具備了超聲和激光技術(shù)的優(yōu)勢，使得該技術(shù)在增材制造構(gòu)件的無損檢測中引起廣泛關(guān)注和深入研究[7-8]。

激光超聲無損檢測的機理是利用光聲效應，用于增材制造構(gòu)件金屬材料的在線無損檢測基本原理是激光脈沖作用于檢測表面后的熱彈機制。即入射激光脈沖作用于檢測工件時，在僅幾微米厚的表面溫度瞬間上升幾十度到幾百度，使材料膨脹引起瞬態(tài)熱應力和熱應變。該應力和應變信號沿物體內(nèi)部傳播可以攜帶物體相關(guān)的缺陷、應力及晶體結(jié)構(gòu)等信息，進而被信號接收系統(tǒng)收集處理得到檢測信息而不損壞樣品表面。因此，激光超聲系統(tǒng)是一個集光、機、電、算的復雜檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)的組成主要是發(fā)射和接收系統(tǒng)兩大部分，其關(guān)鍵在于信號的收發(fā)和處理，為了使系統(tǒng)更靈敏、穩(wěn)定，探測裝置更簡便，研究者們在系統(tǒng)接收激光超聲的方法及儀器上做了很多探索與研究。有關(guān)人員研究將空氣耦合光聲無損檢測技術(shù)應用于增材制造領(lǐng)域，設計了光聲在線檢測系統(tǒng)，為增材制造過程中的在線檢測提供了一種手段，系統(tǒng)組成圖見下圖所示[9]。

光聲在線檢測系統(tǒng)工作流程圖

信號發(fā)生器包括主要激光器、掃描振鏡和傳聲器陣列，信號采集通過專用信號處理軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。該系統(tǒng)通過對連續(xù)激光與樣品相互作用下產(chǎn)生的聲信號進行采集、處理和分析，進而判斷出樣品表面是否有缺陷存在。在對裂縫缺陷進行在線檢測實驗過程中，可以有效識別出表面裂縫缺陷，缺陷分辨率達到了20μm。但對于缺陷的在線檢測還處于定量分析階段，定性分析還比較困難。

4 總結(jié)和展望

本文重點介紹了應用于增材制造的金屬構(gòu)件的激光超聲無損檢測新技術(shù)手段。面對增材制造這樣具有代表性和顛覆性技術(shù)而言，金屬構(gòu)件的無損檢測戰(zhàn)略意義重大，但是搭建在線監(jiān)測系統(tǒng)仍面臨著許多挑戰(zhàn)和重大機遇。一方面，檢測環(huán)境和對象的多樣化、復雜化和多元化，需要測量的參數(shù)眾多，單一檢測設備或檢測方法已經(jīng)很難滿足所有需求，需要多種技術(shù)手段交叉融合，定制化研究專用檢測工藝方法和技術(shù)標準；另一方面，各種參數(shù)的測量優(yōu)化、數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和分析需要海量的大數(shù)據(jù)分析能力，研發(fā)自主的核心算法和專門的軟硬件系統(tǒng)是重要的突破點，通過5G通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)在線實時檢測和大數(shù)據(jù)分析是未來趨勢，有針對性地開展增材制造的金屬材料在線無損檢測研究前景可期。

總之，隨著“工業(yè)4.0”的推動，自動控制技術(shù)、電子信息技術(shù)、計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的高速發(fā)展，為了滿足工業(yè)裝備智能化、高質(zhì)量制造和高可靠性應用的檢驗檢測需要，無損檢測技術(shù)需要在盡可能提高檢測可靠性的基礎(chǔ)上，主動朝著數(shù)字化、智能化和圖像化的方向不斷邁進。