增材制造金属材料无损检测技术应用研究

陈 琨

国家能源集团科学技术研究院有限公司武汉分公司 湖北武汉 430077

1 概述

无损检测(Non-Destructive Testing)是指借助先进的技术和设备，在不损坏检测对象理化状态的情况下，对被检测对象的结构、性质和状态进行高灵敏度和高可靠性的检查和测试技术。与破坏性检测相比，无损检测主要具备非破坏性、全面性和全程性等三个特点。随着现代化建设规模不断扩增，锅炉、压力容器与管道等承压设备金属材料构件的数量也呈数量级增加。而这些设备往往在高温高压和易腐蚀环境下长期“服役”，在使用过程中会产生材料劣化和损伤等缺陷，具有潜在的泄漏和爆炸危险[1]，是目前无损检测技术最为广泛的应用对象和场景。锅炉、压力容器与管道等承压设备往往与发电厂等重要能源系统关联密切，一旦出现停机事件，会带来巨大经济损失，严重影响社会民生。而且，随着我国装备制造工业的快速发展和不断升级，以航空器、通信电子、汽车制造等为代表精密制造业对几乎所有组件的结构完整性和安全性提出了新的要求，尤其以芯片制造为代表的“卡脖子”芯片光刻机技术，从设计到制作、封装测试的关键组件，都需要进行检测验证。根据中国机械工程学会《无损检测发展线路图》的数据统计，实施无损检测后，相关行业的产品增值均有较大提升，其中：机械产品约5%，国防、宇航、原子能产品为12%～18%，火箭为20%左右。因此，无损检测技术几乎涉及所有制造、修检领域，有助于在不停机状态下及时发现和排除设备安全隐患、评估设备剩余寿命，有效降低设备在线运行的风险，对确保设备安全稳定可靠运行、保证和维护产品质量、提高国民经济发展水平都具有十分重要的意义。

2 常规无损检测技术在金属材料构件上的应用和发展

目前，无损检测技术作为一种灵活、快捷、越来越完善的技术，已广泛应用于航天航空、特种设备、能源电力、轨道交通、电信电子、钢铁冶金等诸多领域[2]。常规无损检测技术包括目视检测(VT)、磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)、射线检测(RT)、超声检测(UT)和涡流检测(ET)等方法，具体分类如下表所示。虽然应用广泛，但是这些方法也存在一些问题，比如：目视检测法对检测者的经验要求较高；常规超声法检测结果无法永久保存；磁粉法和渗透法难以检测埋藏较深的内部缺陷；射线法现场操作要求较高且操作不慎对人体有放射性危害等。借助于计算机科学技术和图像处理、自动化技术、压电复合材料、各类微电子器件等飞速发展，数字射线检测DR(Digital radiography)、工业计算机层析成像射线检测CT(Computer tomography)、基于时差衍射法的超声检测TOFD(Ultrasonic testing based time of flight diffraction)、相控阵超声检测PAUT(Phased array ultrasonic testing)等技术快速发展，目前已成熟应用于工业生产检测过程中。相较于常规无损检测技术，数字成像技术DR、CT的灵敏度和分辨率都有较大提高，避免了射线对检测者的危害，同时还可以利用后期图像处理软件和仿真软件得到更为全面清晰的检测结果；TOFD和PAUT超声检测新技术穿透力强，探测深度大，可以仅从一面扫查几乎覆盖检测物体，对缺陷的位置、大小、形状及性质等做出较为准确的判断，检测速度快，可靠性高，应用领域正在不断扩展。

无损检测技术分类表

总体来说，无损检测技术按照基本原理可划分为射线检测、声学检测、电磁检测和电磁波辐射检测等几个大类[3]。射线、声学和电磁检测的内容在上表中已有描述，电磁波辐射检测技术根据电磁波的频率由低到高包括微波检测(3×108～3×1011Hz)、太赫兹波检测(1×1011～1×1013Hz)、红外检测(1.3×1012～4×1014Hz)和激光检测(3.846×1014～7.895×1014Hz)等，这类检测方式具有非接触、检测速度快、无须特殊防护、可便携式轻量化等优点。微波检测和太赫兹波检测技术多用于玻璃纤维增强复合材料、陶瓷纤维复合材料、硅橡胶绝缘子材料等；红外热成像无损检测技术多用于食品安全、建筑、医疗和航空航天表面复合材料等领域；激光检测具有高精度特点，多用于精密仪器设备的检测。随着先进制造技术的发展进步，检测工件的种类和检测需求越来越多样化，需要充分利用物质的声、光、热、电等多种特性。比如，对于增材制造金属的检测，光声技术相结合的激光超声无损检测技术正崭露头角，成为研究热点。

3 面向增材制造金属的光声无损检测技术应用和发展

3.1 金属增材制造

增材制造(Additive Manufacturing，AM)是一种新型的先进制造技术，该技术基于数字化离散化的数学模型，采用自下而上逐层增加材料的方式成型工件[6]，又被称为3D打印技术，具有低成本、快速成型、可个性化设计和加工周期短等优势。增材制造连续多次操作非常少量的材料，从CAD模型中对复杂的零件进行“二维”层的操作，直接生成所需的零件。作为一项颠覆性的制造技术，增材制造已经在航空航天、新能源、新材料、医疗仪器等新兴产业领域展示出重大价值和广阔的应用前景，代表了先进制造的重要发展方向。由于金属材料成型加工对能量控制和工艺精度要求极高，金属材料的增材制造代表着增材制造体系中难度较高的方向。

金属增材制造技术以高能束流(激光束、电子束、电弧等)作为热源，通过熔化金属粉材或丝材实现金属构件逐层堆积成形。从能量束种类区分，金属增材制造技术有激光、电子束和电弧三种。其中，对于金属材质工件的激光增材工艺中较为成熟的加工方式有两类，一类为激光选择性烧结增材制SLS(Selective Laser Sintering)，另一类为激光选区熔化增材制造SLM(Selective Laser Melting)。两者的区别在于，SLS是选择性激光烧结，所用的金属材料一般是经过处理的与低熔点金属或者高分子材料混合的粉末，在加工的过程中低熔点的材料作为黏合剂，从而实现金属粉末结合成型。SLM在加工的过程中用激光使粉体完全熔化，不需要黏结剂。通过增材制造技术制造的钛合金、铝合金和高温合金等金属构件已经在航空航天、机械医疗等领域的应用显示出其独特的优越性。

当前，多种金属增材制造技术正在进步，但大规模的工业生产应用尚未实现。很重要的一点是，增材制造过程中材料往往伴随着强烈的物理、化学变化以及复杂的物理冶金过程，同时还存在着复杂的形变过程，其中涉及材料、结构设计、工艺过程、后处理等诸多因素。宏观上表现为构件内部成型质量和力学性能得不到保证，如由于粉末融化产生的热应力容易导致加工零件产生裂纹与翘曲变形；由于激光功率、工艺方法等外界因素影响导致金属粉末未能完全融化，或者在加工过程中融化与凝固的速率过快，导致熔池内的气体来不及释放，从而在工件内部形成孔隙、夹杂、未熔合和裂纹等缺陷。微观上则表现为熔池的形成和黏合过程中，凝固结构内部残余应力引起的晶粒生长不均匀、位错积聚等。金属增材制造的缺陷问题严重制约了其在工业上的推广与广泛应用，因此，对增材制造的金属材料工件产品质量无损检测，具有十分重要的意义。

3.2 激光超声无损检测技术

增材制造的金属构件材料，本身对于材料的加工精度、力学性能等具有极高的要求，通过无损检测给出缺陷的尺寸、位置、几何特性等多种数据和信息，尤其是借助于计算机、激光、相控阵等技术，实现高精度、灵敏度和成像显示质量监控已成为高端制造、检测的大趋势。目前，应用于增材制造领域的无损检测技术主要有两类，一类是离线检测，主要针对已经加工完成的增材制造金属工件；另一类是在线检测，主要是在增材制造的过程中对工件实时检测。对于离线检测，由于不受生产环境的限制，利用常规的无损检测技术手段即可以实现大部分功能需求。而对于在线检测，受到现场各种条件的限制，检测难度大、成本高，常规超声检测等技术手段已无法满足要求，需要多种技术结合应用。一方面，超声检测技术穿透力强、灵敏度高、适用场景广，但不适用于增材制造的高温工作环境；另一方面，激光无损检测技术分辨率高、非接触性、抗干扰能力强，不受高温环境影响，不需要耦合剂，可很好适用于复杂的表面与结构。因此，光电技术结合的激光超声无损检测技术具备了超声和激光技术的优势，使得该技术在增材制造构件的无损检测中引起广泛关注和深入研究[7-8]。

激光超声无损检测的机理是利用光声效应，用于增材制造构件金属材料的在线无损检测基本原理是激光脉冲作用于检测表面后的热弹机制。即入射激光脉冲作用于检测工件时，在仅几微米厚的表面温度瞬间上升几十度到几百度，使材料膨胀引起瞬态热应力和热应变。该应力和应变信号沿物体内部传播可以携带物体相关的缺陷、应力及晶体结构等信息，进而被信号接收系统收集处理得到检测信息而不损坏样品表面。因此，激光超声系统是一个集光、机、电、算的复杂检测系统。检测系统的组成主要是发射和接收系统两大部分，其关键在于信号的收发和处理，为了使系统更灵敏、稳定，探测装置更简便，研究者们在系统接收激光超声的方法及仪器上做了很多探索与研究。有关人员研究将空气耦合光声无损检测技术应用于增材制造领域，设计了光声在线检测系统，为增材制造过程中的在线检测提供了一种手段，系统组成图见下图所示[9]。

光声在线检测系统工作流程图

信号发生器包括主要激光器、扫描振镜和传声器阵列，信号采集通过专用信号处理软件实现数据可视化。该系统通过对连续激光与样品相互作用下产生的声信号进行采集、处理和分析，进而判断出样品表面是否有缺陷存在。在对裂缝缺陷进行在线检测实验过程中，可以有效识别出表面裂缝缺陷，缺陷分辨率达到了20μm。但对于缺陷的在线检测还处于定量分析阶段，定性分析还比较困难。

4 总结和展望

本文重点介绍了应用于增材制造的金属构件的激光超声无损检测新技术手段。面对增材制造这样具有代表性和颠覆性技术而言，金属构件的无损检测战略意义重大，但是搭建在线监测系统仍面临着许多挑战和重大机遇。一方面，检测环境和对象的多样化、复杂化和多元化，需要测量的参数众多，单一检测设备或检测方法已经很难满足所有需求，需要多种技术手段交叉融合，定制化研究专用检测工艺方法和技术标准；另一方面，各种参数的测量优化、数据之间的关联和分析需要海量的大数据分析能力，研发自主的核心算法和专门的软硬件系统是重要的突破点，通过5G通信技术和物联网技术实现在线实时检测和大数据分析是未来趋势，有针对性地开展增材制造的金属材料在线无损检测研究前景可期。

总之，随着“工业4.0”的推动，自动控制技术、电子信息技术、计算机技术和传感器技术的高速发展，为了满足工业装备智能化、高质量制造和高可靠性应用的检验检测需要，无损检测技术需要在尽可能提高检测可靠性的基础上，主动朝着数字化、智能化和图像化的方向不断迈进。