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

(1.北京動(dòng)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(shí)間等優(yōu)勢(shì)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(guò)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(kāi)展增材制造產(chǎn)品的無(wú)損檢測(cè)工作顯得尤為重要。

針對(duì)增材制造產(chǎn)品的無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)均開(kāi)展了研究。德國(guó)弗朗霍夫無(wú)損檢測(cè)研究所利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)評(píng)估增材制造產(chǎn)品的材料各向異性和組織特征[4]。美國(guó)國(guó)家航空航天局采用傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法和相控陣超聲檢測(cè)方法對(duì)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(cè)，證明了通過(guò)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[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(cè)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(duì)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用有較大影響，且超聲波入射方向和角度對(duì)微裂紋的識(shí)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(duì)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(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(cè)及相控陣超聲檢測(cè)原理

1.1 聲學(xué)參量檢測(cè)

選取激光選區(qū)熔化成型技術(shù)制造的GH3536合金為研究對(duì)象，測(cè)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(cè)系統(tǒng)分別采集A掃全波數(shù)據(jù)，在聲束入射面分別測(cè)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)(見(jiàn)圖1)，可見(jiàn)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(guò)快速傅里葉變換(FFT),最大偏差為19.37%。

圖1 聲學(xué)參量檢測(cè)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(cè)原理

相控陣超聲檢測(cè)是通過(guò)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(guò)對(duì)聲束的信號(hào)合成，最終形成相控陣超聲檢測(cè)圖像[8]，相控陣超聲檢測(cè)原理如圖3所示。相控陣超聲檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)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(guò)程的本質(zhì)相同，只是延時(shí)方式存在差異。

圖3 相控陣超聲檢測(cè)原理示意

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)制備與檢測(cè)結(jié)果

利用相控陣超聲檢測(cè)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(dòng)編碼器和SA10平楔塊，檢測(cè)系統(tǒng)外觀如圖4所示。

圖4 相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)外觀

為了更好地開(kāi)展試驗(yàn)，通過(guò)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(duì)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(cè)系統(tǒng)檢測(cè)對(duì)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(duì)對(duì)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(cè)多視圖掃查圖像，其中激發(fā)陣元數(shù)目與聚焦深度可簡(jiǎn)寫(xiě)為陣元數(shù)目-聚焦深度格式，如6陣元聚焦深度2 mm可簡(jiǎn)寫(xiě)為6-2。

圖5 對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)示意

由圖68可知，聚焦法則和聲場(chǎng)分布的不同造成了對(duì)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(cè)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(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。對(duì)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(shí)的對(duì)比試塊檢測(cè)圖像

圖7 激發(fā)10陣元，聚焦5 mm時(shí)的對(duì)比試塊檢測(cè)圖像

圖8 激發(fā)16陣元，聚焦5 mm時(shí)的對(duì)比試塊檢測(cè)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(cè)結(jié)果 mm

圖9 典型產(chǎn)品的相控陣超聲檢測(cè)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(duì)產(chǎn)品開(kāi)展相控陣超聲檢測(cè)時(shí)，聚焦法則的設(shè)置直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的檢測(cè)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(guò)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3，5，7 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(duì)于近表面深度為3 mm缺陷的分辨效果較差，對(duì)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(jiàn)，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(cè)的另一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)所在。

3 結(jié)語(yǔ)

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)參量的變化規(guī)律，在上述基礎(chǔ)之上，利用對(duì)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(cè)結(jié)果表明，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)能夠有效識(shí)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(shí)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。