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發(fā)布時(shí)間：2023-05-05 08:50:22 人氣：769
增材制造時(shí)缺陷的探測(cè)可以分為無損探測(cè)和非無損探測(cè)（即破壞性探測(cè)）兩種。傳統(tǒng)的金相檢測(cè)技術(shù)就是一種非常典型的非無損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)包括截取試樣以觀察感興趣的區(qū)域，然后在不同的尺度下來觀察缺陷，觀察的尺度可以從幾毫米到納米尺度。采用的觀察手段為金相顯微鏡、掃描電鏡以及透射電鏡等。盡管可以采用上述手段來分析缺陷的存在，但大量的樣品數(shù)量和觀察次數(shù)才能保證在整個(gè)體材料中缺陷的代表性。
L-PBF制造 (a-c) CM247LC 和 (d-f) IN939時(shí)所得到的固態(tài)裂紋的SEM圖像
圖０ AM時(shí)存在的缺陷圖：下圖為氣孔等缺陷
圖0-1 在 L- PBF 工藝制造316L奧氏體不銹鋼的時(shí)候在不同的標(biāo)尺尺度下得到的顯微組織 austenitic stainless steel at different length scales
無損檢測(cè)技術(shù)
無損檢測(cè)技術(shù)在觀察體材料中的缺陷的分析和變化情況上，同其他技術(shù)相比較，將是更為有效地獲取全局信息的一種手段。同時(shí)該檢測(cè)技術(shù)還允許在AM的過程中進(jìn)行補(bǔ)救。比較常見的手段有滲透法、磁粉檢驗(yàn)法、渦流探傷法等。這些技術(shù)主要用于揭示近表面的缺陷。為了揭示更為深層次的缺陷，則可以采用機(jī)械波來進(jìn)行檢測(cè)，如超聲或聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)，這些技術(shù)是利用機(jī)械聲波（回聲和速度）的數(shù)據(jù)的變化來估計(jì)缺陷的位置，見圖1（a）。然而，AM制造的部件表面比較粗糙，從而造成在近表面缺陷檢驗(yàn)時(shí)或采用機(jī)械波測(cè)試的時(shí)候會(huì)存在背景干擾的問題，見圖1（b）。另外一方面，AM制造的部件形狀復(fù)雜的時(shí)候，也使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)很難被檢測(cè)。同時(shí)，利用這些手段來準(zhǔn)確的定位缺陷的位置或揭示AM部件中的缺陷的形狀也是非常棘手的。
圖1 (a) 利用聲信號(hào)速度的變化來探測(cè)時(shí)得到的表面及近表面的缺陷：(1) 探測(cè)得到的聲信號(hào)的速度； (2)表面的金相； (3) X射線CT掃描得到的結(jié)果； (b)AM部件滲透檢驗(yàn)的結(jié)果，粗糙的表面會(huì)導(dǎo)致噪音的存在； (c)射線探傷的一個(gè)例子。AM制造的部件沿著A-A線截取，被探測(cè)的缺陷得到了證實(shí)
表面缺陷和表面粗糙度的評(píng)估有兩個(gè)辦法：接觸法和非接觸法。常用的接觸法測(cè)量手段為標(biāo)準(zhǔn)觸針輪廓儀（Standard stylus profilometry）。需要注意的是，利用該技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其表面的可達(dá)性成為一個(gè)非常重要的事情。然而，當(dāng)使用非接觸的手段進(jìn)行測(cè)量時(shí)，就不存在表面損傷的問題。一些常用的非接觸的表面粗糙度測(cè)量手段為區(qū)域形貌測(cè)量技術(shù)，如共聚焦顯微鏡（ Confocal microscopy）和原子力顯微鏡（Atomic force microscopy (AFM)）、2D表面影像技術(shù)（如金相顯微鏡和掃描電鏡）。
另外一種常用的非接觸式探測(cè)技術(shù)為渦流探傷。然而，渦流探傷技術(shù)的探傷能力主要限制在較淺深度的表面和近表面，并不能探測(cè)體積深度上的不連續(xù)性。盡管AM部件的渦流探傷同傳統(tǒng)加工的部件非常相似，但由于AM制造的部件表面較為粗糙而使得其表面的噪音要高得多。而且，AM制造的部件，其晶粒組織的變化對(duì)其也有影響。AM部件的渦流探傷需要標(biāo)準(zhǔn)樣品來校正，這是因?yàn)椴牧铣练e會(huì)造成表面織構(gòu)的變化和厚度的不同均會(huì)影響。同時(shí)，作為一種電磁技術(shù)，渦流探傷會(huì)受到諸多因素的影響，如材料的電導(dǎo)率、磁穿透性、部件厚度和探測(cè)距離等，以及部件本身的顯微組織特征，如孔隙率、空穴、裂紋、未熔化、夾雜物和殘余應(yīng)力等。較典型的渦流探傷分辨率為1mm。
渦流熱成像檢測(cè)技術(shù)，又叫感應(yīng)熱成像技術(shù)，是用于AM金屬部件檢查的渦流探傷的另外一種技術(shù)，該技術(shù)尤其適用于鐵磁材料。熱成像技術(shù)得到圖像是溫度梯度圖，可以揭示出非均勻性異常物的形狀輪廓和顯微結(jié)構(gòu)特征，這是因?yàn)檫@些非均勻的異常物對(duì)傳熱的作用是不一樣的，例如傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射或電感應(yīng)。例如，紅外熱成像（Infrared (IR) thermography）不僅對(duì)表面性質(zhì)敏感，同時(shí)還對(duì)待測(cè)部件內(nèi)部材料對(duì)傳熱的影響也敏感。熱成像具有快速、非接觸和可以用于大面積檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。然而，對(duì)AM制造的金屬部件，它并不能提供出如超聲或射線檢測(cè)技術(shù)所得到的相同程度的詳細(xì)的信息。同時(shí)也需要注意的是，熱成像檢測(cè)技術(shù)是一種過程技術(shù)，廣泛的用于制造過程中的過程監(jiān)測(cè)。然而，對(duì)大多數(shù)金屬部件來說，感應(yīng)熱成像檢測(cè)技術(shù)更適合揭示表面和近表面的異常。
內(nèi)部缺陷
為了檢測(cè)具有一定深度的內(nèi)部缺陷且得到清晰的圖像，射線探傷技術(shù)經(jīng)常用來探測(cè)內(nèi)部缺陷。AM部件的射線吸收后得到的圖像被記錄下來并以2D的形式顯示出來，見圖1（c）。同其他的無損檢測(cè)技術(shù)相比較，該技術(shù)可以提供缺陷的詳細(xì)信息。然而，射線的吸收對(duì)缺陷的方位是敏感的，這就有可能在區(qū)分缺陷時(shí)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。因此，采用射線探測(cè)技術(shù)來探測(cè)較復(fù)雜形態(tài)的部件還是存在一定的困難的。
為了克服上述所存在的挑戰(zhàn)，數(shù)字圖像相關(guān)法（Digital Image Correlation (DIC) ）和數(shù)字體積相關(guān)法（ Digital Volume Correlation (DVC)）技術(shù)被引入到射線探測(cè)中來。該技術(shù)也叫μ X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影法（Micro (μ) X-ray Computed Tomography (μ-XCT) scanning，簡(jiǎn)寫為μ-XCT）。μ-XCT的組成為一系列金相照片和測(cè)量的結(jié)果組合在一起形成總體的數(shù)據(jù)。增材制造部件的2D射線吸收?qǐng)D像自不同角度進(jìn)行記錄，并依據(jù)射線吸收的空間分布重新構(gòu)建，并且?guī)缀蹩梢蕴綔y(cè)到金屬部件中的大多數(shù)缺陷，如未熔合、氣孔、裂紋乃至夾雜物均可以被揭示出來和利用μ-XCT進(jìn)行掃描而得到相應(yīng)地圖像，見圖2（a-c）。除了進(jìn)行體缺陷的檢測(cè)之外，μ-XCT還可以進(jìn)行表面粗糙度和部件變形的檢測(cè)，由此使得μ-XCT成為一種檢測(cè)增材制造部件缺陷最為全能的一種手段。圖3和圖4給出了熱成像的案例。
圖2 缺陷的探測(cè)：(a-c) μ-XCT 分析：分析在粉末冶金Ni基高溫合金RR1000的時(shí)候，加熱時(shí)夾雜物的探測(cè)； (a-b) γ晶和夾雜物界面處裂紋萌生的觀察； (c)裂紋和夾雜物的3D圖像重建； (d-f) 原位檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)對(duì)比，(d)熱成像 and Optical Tomography in (e) f μ-XCT時(shí)金相斷層分析和 (f) r L-PBF 316L SS的結(jié)果
圖3 同原始溫度輸出的圖像（左圖）和最終輸出溫度的圖像的對(duì)比圖（右圖）
圖4 點(diǎn)金屬和線金屬的熱歷史的關(guān)系 (b,c)；掃描策略和材料的顯微組織之間的關(guān)系l (a).
在線檢測(cè)（In-situ monitoring）
在線無損數(shù)字圖像相關(guān)法（In-situ non-destructive Digital Image Correlation (DIC) ）和激光位移傳感器（LDS）作為探測(cè)技術(shù)，經(jīng)常用來量化部件的變形或測(cè)量其殘余應(yīng)力。DIC技術(shù)通常適用DIC相機(jī)來檢查增材制造的部件，該技術(shù)將３D表面形貌和部件進(jìn)行重構(gòu)。盡管DIC幾乎不能用來探測(cè)內(nèi)部深度的缺陷（見圖２（ｄ－ｅ）），但它可以同時(shí)同計(jì)算機(jī)軟件一起協(xié)作來測(cè)量部件的變形，這樣就比射線探傷來的方便。LDS（激光位移測(cè)量）也會(huì)用來測(cè)量特定位置的部件變形和殘余應(yīng)力，而DIC技術(shù)則可以提供全場(chǎng)的變形和應(yīng)力的評(píng)估。
如下對(duì)增材制造的部件中的缺陷進(jìn)行無損探測(cè)的技術(shù)做一個(gè)小結(jié)
圖像分析技術(shù)
使用射線來探測(cè)裂紋、氣孔和夾雜物
X－CT技術(shù) 用來分析裂紋。氣孔、形狀變形和表面粗糙度
３D掃描技術(shù) 用來分析形狀的變形和表面粗糙度
滲透測(cè)量 主要用來分析裂紋和氣孔
相機(jī)為基礎(chǔ)的檢測(cè) 檢測(cè)裂紋、氣孔、異常物和飛劍
機(jī)械波分析技術(shù)
渦流探傷 用來探測(cè)裂紋、氣孔和夾雜物
磁粉探傷 分析近表面
熱影像分析
紅外攝像 用于裂紋和氣孔的分析
衍射應(yīng)力分析
中子、X射線衍射技術(shù) 用于殘余應(yīng)力的分析
圖５ 在L-PBF制造Ni基高溫合金CM247-LC過程中，進(jìn)行缺陷的原位探測(cè)：(a) 采用Ｌ－ＰＢＦ工藝進(jìn)行制造的時(shí)候，優(yōu)化額參數(shù)制造得到的立方體樣品; (b) 采用高速金相技術(shù)進(jìn)行原位檢測(cè)； (c) 采用紅外熱成像技術(shù)對(duì)同一層進(jìn)行原位探測(cè); (d) 使用X-ray computed tomography (μXCT)技術(shù)對(duì)同一層進(jìn)行非原位探測(cè)得到的結(jié)果
圖?。?/span> In-situ and Operando Synchrotron X-ray radiography for AM Nickel-based superalloys in 在AM制造Ni高溫合金的時(shí)候使用原位同步輻射X射線技術(shù)進(jìn)行探測(cè)的結(jié)果：(a)-(c) LP-DED IN718和(d)-(f) L-PBF CM247LC : Schematic presentations for experimental setups for X-ray imaging and diffraction in (a) 和 (b)中對(duì)X射線影像和衍射的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的示意圖進(jìn)行了示意。The timed radiographs in (b)和 (e) 中的時(shí)間探傷是 X-射線影像和衍射的結(jié)果 The melt pool formation mechanism presented using the schematic diagrams as well as the X-ray imaging and diffractions in (c) 和 (f)則分別為采用X射線影像和衍射技術(shù)進(jìn)行熔池動(dòng)力學(xué)形成機(jī)制的展示
圖７ 在DED-AM IN718 時(shí)使用W元素作為衡量元素，利用原位的X射線影像技術(shù)來量化熔池的Marangoni流動(dòng)
文章來源：
Progress in Materials Science，Volume 136, July 2023, 101108，
Additive manufacturing of nickel-based superalloys: A state-of-the-art review on process-structure-defect-property relationship，https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101108
參考資料：
１／Raplee, J., Plotkowski, A., Kirka, M. et al. Thermographic Microstructure Monitoring in Electron Beam Additive Manufacturing. Sci Rep 7, 43554 (2017). https://doi.org/10.1038/srep43554
２／DePond, P.J., Fuller, J.C., Khairallah, S.A. et al. Laser-metal interaction dynamics during additive manufacturing resolved by detection of thermally-induced electron emission. Commun Mater 1, 92 (2020). https://doi.org/10.1038/s43246-020-00094-y
３／https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138633；Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties
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