韓立恒 ，鞏水利 ， 鎖紅波 ，馬兆光 ，王衛(wèi)兵

（1.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024;2. 高能束流加工技術國防科技重點實驗室，北京 100024；3.北京動力機械研究所，北京 100074）

電子束熔絲成形是近年來迅速發(fā)展起來的增材制造技術之一，其采用逐線、逐層堆積的方式可近凈成形零件，成形速度快、工藝方法靈活、材料利用率高，是解決難加工材料成形及大型復雜金屬結構制造的關鍵技術手段之一，在航空、航天、汽車、醫(yī)學等領域具備極大的應用潛力及需求。增材制造技術是當前國內外研究的熱點，而如何對增材制件進行可靠的無損檢測是推進增材制造技術發(fā)展應用的關鍵之一[1-3]。2010年以來，國內外日益重視增材制件無損檢測技術研究，但國外的相關成果多集中在增材制件成形過程實時動態(tài)監(jiān)測、高頻超聲無損評估及小型件CT檢測研究等方面，而國內關于增材制件無損檢測技術研究尚處于起步[4-14]。隨著增材制件工程化應用的需求，國內外更加提高了對最終制件無損檢測技術研究的重視[15]，但目前均為基底性研究。

A-100鋼是廣泛應用于飛機起落架等關鍵受力件制造領域的一種新型高Co-Ni二次硬化超高強度鋼[16-19]。但由于A-100鋼難加工且多應用于大型復雜構件的特點，A-100鋼電子束熔絲成形制造在航空領域已成為繼鈦合金材料之后被大力研究的增材制造項目之一。本文介紹了超聲相控陣檢測技術在A-100鋼電子束熔絲成形制件缺陷檢測中的初步應用研究，以期為增材制造最終件的無損檢測方法技術的建立提供試驗依據(jù)。

1 試驗方法、原理、系統(tǒng)及對象

1.1 試驗方法分析

增材制件與傳統(tǒng)材料有根本上的不同，一方面制件內部有源自融化過程的熱殘余應力，另一方面，增材制造件較傳統(tǒng)制件內部更加易于出現(xiàn)組織結構缺陷，且缺陷的尺寸和位置尚不確定[20]。電子束熔絲成形增材制造技術采用逐線、逐層堆積的特殊成形工藝，成形過程經歷了復雜的熱循環(huán)，同樣，其內部微觀組織及缺陷特征較傳統(tǒng)制造工藝復雜的多。研究表明，A-100 鋼電子束熔絲成形件內部常見的缺陷主要為氣孔和微裂紋缺陷，內部組織呈明顯的層帶組織及典型的樹枝晶，樹枝晶貫徹層帶生長，大部分區(qū)域的生長方向幾乎沿堆積高度垂直生長，小部分區(qū)域出現(xiàn)多方向的枝晶生長，且在電子束熔絲制件低倍金相檢驗結果中，發(fā)現(xiàn)較為明顯的沿晶裂紋[3，21]。這與傳統(tǒng)的鍛造等工藝制件明顯不同，如A-100鋼鍛件是擠壓成型且最終經過模鍛工序鍛造而成，其內部可能存在夾雜、裂紋、分層、折疊、白點等鍛造缺陷，缺陷的取向一般與鍛造方向垂直，與金屬流線平行，且內部組織較細，內部缺陷主要采用超聲波檢測方法，超聲的衰減小，可探測性好，超聲波檢測時應盡可能使聲束方向與鍛造流線方向垂直，常用的超聲檢測技術有縱波直入射檢測、縱波斜入射檢測、橫波檢測，對于外形復雜件，為發(fā)現(xiàn)不同取向的缺陷，需同時采用縱波和橫波檢測[22-23]。

A-100鋼電子束熔絲成形制件以大厚度制件為預期應用目標，其最終制件超聲波檢測技術的應用意義重大。超聲波檢測技術是利用聲波在通過材料時能量會有損失，在遇到異質界面時會發(fā)生反射等，由聲波的反射、散射和透射情況，了解材料性能和結構變化并進行評價的一種無損檢測技術[24]。超聲檢測技術以脈沖回波式超聲檢測儀的出現(xiàn)而被廣泛應用，隨著工業(yè)生產對檢測效率和可靠性的要求的不斷提高，超聲檢測經歷了模擬、數(shù)字化和多通道信號處理的階段后，隨著計算機技術和數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，以包括B掃描、C掃描、P掃描、F掃描、ALOK、TOFD、全息超聲、超聲顯微鏡及相控陣超聲成像檢測技術成為近幾十年來發(fā)展的新熱點[23，25]。超聲相控陣檢測技術具有聲束角度可控和可動態(tài)聚焦兩大特性[26]，在A-100鋼電子束熔絲成形內部缺陷分布特征未知以及預期應用的大厚度制件目標方面具有明顯的應用優(yōu)勢和先進性。

1.2 超聲相控陣檢測技術原理

超聲相控陣檢測的基本原理是通過控制陣列換能器中各陣元激勵（或接收）脈沖的時間延遲，改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達（或來自）物體內部某點時的相位關系，實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化，從而完成相控波束合成，形成成像掃描線的技術。相對于常規(guī)探頭由于聲束擴散且單向、移動范圍有限和聲束角度有限，對裂紋走向和聲束方向夾角較小的裂紋或遠離聲束軸線位置的裂紋漏檢率高的局限，相控陣陣列多晶探頭聲束聚焦且可偏轉，有更高的檢測可靠性和檢測效率，如圖1所示（F、β、Φ分別代表不同聚焦法則下聲束的焦距、角度及焦點尺寸參數(shù)）[26]。

圖1 相控陣超聲檢測原理及優(yōu)勢Fig.1 Ultrasonic phased array inspection principle and advantages

1.3 試驗系統(tǒng)及對象

試驗采用32/64相控陣水浸六軸自動檢測系統(tǒng)（圖2），以5MHz一維線陣列探頭進行小厚度件掃查，10MHz等菲涅耳面環(huán)型陣列探頭進行大厚度件掃查試驗。試驗以同規(guī)格及表面狀態(tài)A-100鋼鍛件及電子束熔絲成形制件為檢測對象，見表1。按 GB/T 23905-2009標準加工A-100鋼鍛件長橫孔型對比試塊，含橫孔φ0.8mm×6 mm，埋深分別為 2mm、5mm、8mm、12mm，15mm，22mm，試塊總厚度25mm。試驗參數(shù)均為在對比試塊獲得清晰顯示基礎上適當調整。

圖2 相控陣檢測系統(tǒng)Fig.2 Phased array ultrasonic testing equipment

表1 檢測對象規(guī)格及表面狀態(tài)

2 試驗及分析

當超聲波垂直于缺陷表面時，可以獲得最高的缺陷回波。但A-100 鋼電子束熔絲成形件內部微裂紋缺陷的分布特征尚不明確，且內部明顯層帶組織不均性及典型的樹枝晶也可能對超聲波檢測產生衰減、散射等不良影響。層帶組織及樹枝晶結構與成形路徑密切相關。本文以圖3（b）所示常用的多道多層成形路徑（S為走絲路徑，Z為層帶增向）制件為試驗對象，分別初步展開了多角度扇形掃查和動態(tài)深度聚焦掃查試驗。

圖3 電子束熔絲成形增材制造原理和檢測試樣成形路徑Fig.3 Manufacturing principle and additive path of EBWD A-100 steel specimen

2.1 X射線檢測

內部質量的初步直觀無損評估，有利于為超聲檢測工藝研究提供參考和對比。按GJB1187A-2005標準B及照相技術對檢測對象進行X射線檢測，檢測結果如圖4所示。

由X射線檢測結果：底片上像質計影像可清晰識別15#絲（絲徑d=0.125mm），高于GJB1187A-2005標準B級要求的14#絲（絲徑d=0.16mm），即射線檢測結果具備良好的檢測靈敏度；電子束熔絲成形制件與鍛件未發(fā)現(xiàn)明顯的密度差異，電子束熔絲成形件內發(fā)現(xiàn)一處約0.3mm的氣孔缺陷，未見其他缺陷，鍛件內部未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.2 超聲相控陣一維線陣列探頭多角度扇形掃查

圖4 A-100鋼檢測對象X射線檢測結果（鍛件及電子束熔絲成形件）Fig.4 X-ray inspection results of A-100 steel specimens（forging and EBWD）

扇形掃查（即S掃查）是相控陣設備特有的功能，是使用固定孔徑，在序列變換的不同角度下，以電子方式偏轉聲束。該掃查主要有兩種形式，一是使用零度界面楔塊，以電子方式在不同角度上偏轉縱波，生成一個扇形圖像，以顯示分層缺陷和稍微偏斜的缺陷，二是使用塑料楔塊增加入射聲束的角度，以生成橫波，常用的折射角度范圍在30°～70°之間，這與常規(guī)角度聲束檢測相似，不同的是聲束以一系列不同的角度掃射。

當從垂直于走絲方向的檢測面（即圖3（b）中的ABCD面）分別以超聲入射方向垂直投影平行于和垂直于逐層增長的高度方向（Z向）進行掃查試驗，發(fā)現(xiàn)沿Z方向檢測時，以0°～10°時可獲得較清晰的缺陷信號，如圖5（d）所示缺陷D1和D2，-5°～-30°時缺陷信號逐步變弱，直至無法識別，且同一缺陷信號在不同角度時清晰度不同，如缺陷D2在0°時最清晰，其他角度信號逐步減弱；當聲束角度在10°之外時，制件內部的條帶狀略有顯現(xiàn)，參見圖5（a）～（h）；沿垂直于Z向的方向檢測時，檢測信號雜亂，無法識別缺陷信號，這可能與樹枝晶晶界的散射有一定關系，還需要更進一步的試驗研究。對同一平面進行環(huán)陣列動態(tài)深度聚焦掃查后，僅發(fā)現(xiàn)缺陷D2。

2.3 環(huán)形陣列動態(tài)深度聚焦掃查

動態(tài)深度聚焦掃查使用單個脈沖聚焦脈沖發(fā)射聲波，接收回波時對不同深度重新聚焦，實現(xiàn)沿聲束軸線對不同聚焦深度進行掃查。動態(tài)深度聚焦可明顯提高檢測范圍和信噪比[25]。從檢測對象的大厚度面（即圖3（b）中的ABFE面）進行動態(tài)深度聚焦掃查，未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷信號，但從對比試塊的檢測結果可以看出，參見圖6（a）～（f），環(huán)陣列動態(tài)深度聚焦掃查在大厚度制件的高靈敏度快速檢測中有明顯的優(yōu)勢。從檢測對象的掃查結果可見，參見圖7，掃查清晰發(fā)現(xiàn)了用于邊界保護的對比試塊中的橫孔缺陷。

2.4 典型缺陷特征分析

超聲成像檢測技術的結果雖然呈現(xiàn)一定的直觀性，但對于缺陷進行精確的定性、定量仍需要進行深入的研究。試驗進一步對圖5（d）中的兩處明顯缺陷信號進行金相解剖檢測，觀測面分別取垂直逐層生長方向（圖8（a））和平行逐層生長方向（圖8（b）），圖中帶三角形標記的邊為檢測面?zhèn)?。金相檢測發(fā)現(xiàn)兩處缺陷均為微裂紋缺陷，且裂紋與平行于逐層生長方向的端面呈現(xiàn)小傾角或近似平行的斷續(xù)拐彎狀分布，這也與相控陣檢測在0～10°小角度掃查時獲得清晰顯示相對應。

圖5 制件一維線陣列扇形掃查檢測結果Fig.5 A-100 steel inspection results of 1-D linear array probe sector scan

圖6 對比試塊環(huán)陣列探頭動態(tài)深度聚焦檢測結果Fig.6 Reference block inspection results of DDF Fresnel annular array probe

圖7 制件環(huán)陣列動態(tài)深度表面聚焦C顯示（ABFE面）Fig.7 A-100 steel DDF inspection results by Fresnel annular array probe （ABFE face）

圖8 A-100鋼電子束熔絲成形檢測樣件裂紋缺陷金相圖片F(xiàn)ig.8 Micro-image of Cracks in EBWD A-100 steel specimen

3 結論

超聲相控陣檢測技術在A-100鋼電子束熔絲成形件內部缺陷的檢測具有較好的識別能力和應用優(yōu)勢，但與成形路徑等因素直接相關的微觀組織對檢測技術的應用有較大影響，不同成形路徑制件超聲檢測工藝技術的建立還需要深入的、有針對性的試驗研究。本研究初步得出如下結論：

（1）超聲相控陣檢測技術對A-100鋼電子束熔絲成形件內部微裂紋缺陷有較好的應用效果，能夠識別X射線檢測無法識別的微裂紋缺陷，且其動態(tài)深度聚焦掃查功能在大厚度制件的檢測上有明顯的效果。

（2）超聲波入射方向和角度對A-100鋼電子束熔絲成形制件內部的微小裂紋缺陷的識別很關鍵。成形路徑相關的微觀組織結構對超聲波入射方向和角度的選擇有較大的影響。

（3）超聲相控陣檢測雖然較射線檢測對A-100鋼快速成形制件內部的微裂紋缺陷有較好的識別能力，但內部組織的不均勻性，使得檢測信號較為復雜，對A-100鋼電子束熔絲成形制件內部微小裂紋缺陷的無損檢測技術還需要更加深入的研究。

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