基于激光的超聲波檢測金屬3D打印中產(chǎn)生缺陷的特征‎

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究人員開發(fā)了一種新的全光超聲技術(shù)，能夠根據(jù)需要對熔體軌跡進(jìn)行表征，并檢測流行金屬3D打印工藝中缺陷的形成。

Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)證明，結(jié)合基于激光的超聲波產(chǎn)生的表面聲波的診斷可以有效、準(zhǔn)確地評估激光熔線，并通過散射可快速檢測的熔線、空洞和表面特征的聲能來發(fā)現(xiàn)激光粉末床熔接金屬3D打印中的缺陷。來源：David Stobbe/LLNL

在《科學(xué)報(bào)告》發(fā)表的一篇論文中，Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室研究人員提出了一種利用基于激光的超聲波產(chǎn)生的表面聲波（SAW）進(jìn)行診斷的方法，該方法可以揭示激光粉末床熔合（LPBF）金屬3D打印中的微小表面和亞表面缺陷。該團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，他們開發(fā)的系統(tǒng)可以有效、準(zhǔn)確地評估激光熔線，即激光在LPBF印刷中液化金屬粉末的軌跡，通過散射熔線、空洞和表面特征的聲能，可以快速檢測到這些痕跡。研究小組使用光學(xué)顯微鏡和X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）驗(yàn)證了這些發(fā)現(xiàn)。

研究人員測量了激光粉末床聚變（LPBF）條件下不銹鋼表面的電子發(fā)射，證明了利用熱離子發(fā)射信號檢測可能產(chǎn)生零件缺陷的現(xiàn)象的潛力，并提高了對LPBF過程的理解。上圖顯示了激光誘導(dǎo)不銹鋼熔化的多物理模擬，顯示了主要在表面凹陷前部產(chǎn)生的電子發(fā)射信號。下圖描繪了不銹鋼制成的激光軌跡的橫截面。熱離子發(fā)射監(jiān)測可檢測傳導(dǎo)（左）和小孔（右）模式焊接狀態(tài)之間的過渡。來源：Aiden Martin/LLNL

LLNL工程師兼首席研究員David Stobbe說：“我們希望這項(xiàng)工作展示了一種全光超聲系統(tǒng)的潛力，該系統(tǒng)能夠快速、按需地原位表征LPBF工藝和粉末。演示的基于激光的超聲波、表面聲波系統(tǒng)對表面和近表面特征表現(xiàn)出極好的敏感性，包括LPBF熔線的斷裂、金屬表面飛濺和地下空隙�！�

（a）產(chǎn)生激光熔線掃描的實(shí)驗(yàn)裝置。（b）產(chǎn)生和檢測表面聲波的實(shí)驗(yàn)裝置。使用脈沖激光產(chǎn)生超聲波，并使用光折變干涉儀測量位移。（c，d）相對于熔化線的樣品幾何形狀、源位置和檢測（單位：mm）。通過沿y方向平移樣品來掃描熔線。

歷史上，表面聲波曾被用于表征表面和近表面特征，如工程材料中的裂縫、凹坑和焊縫，并在地質(zhì)學(xué)中以更大的長度尺度用于探測地下特征，如洞穴。研究人員表示，由于其表面和近表面敏感性，SAW非常適合在LPBF打印中描述熔線。

為了測試這一潛力，LLNL團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，使用光纖激光器將激光熔線導(dǎo)入真空室，并制作了鈦合金樣品，用于100瓦、150瓦和350瓦功率激光的分析。接下來，他們開發(fā)了一種產(chǎn)生和檢測表面聲波的方法，使用脈沖激光產(chǎn)生超聲波，并使用光折變激光干涉儀測量位移。

波傳播方向上的時間平均功率通量。

該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了模擬，為實(shí)驗(yàn)測量提供信息，并協(xié)助解釋結(jié)果。他們模擬并測量了脈沖激光的位移，顯示了熔線的散射、熔線的斷裂、熔線附近的金屬飛濺以及熔線下方的地下空隙。該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)測量了相同的特征，并觀察到模擬和實(shí)驗(yàn)之間的良好一致性。

激光超聲（LBU）實(shí)驗(yàn)的結(jié)果通過光學(xué)顯微鏡對表面特征進(jìn)行驗(yàn)證，并通過X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描對亞表面特征進(jìn)行驗(yàn)證。研究人員報(bào)告稱，與X射線CT相比，LBU系統(tǒng)“能夠更好地進(jìn)行實(shí)時檢查，并且能夠以更快的速度獲取和處理數(shù)據(jù)�！�

LLNL工程師兼主要作者Kathryn Harke說：“與傳統(tǒng)的X射線CT相比，利用基于激光的超聲波顯著縮短了地下空洞檢測的時間，從幾天縮短到幾分鐘。雖然在實(shí)施此診斷用于過程中監(jiān)控之前需要進(jìn)行更多的開發(fā)，但我們的團(tuán)隊(duì)對這些初步發(fā)現(xiàn)感到興奮�！�

實(shí)驗(yàn)室研究人員表示，雖然該方法非常適合LPBF印刷的現(xiàn)場實(shí)施，但可檢測空隙的大小和深度有限制，現(xiàn)場監(jiān)測或建造后檢查需要進(jìn)一步發(fā)展。

（a）激光熔化過程中金屬飛濺的共焦顯微鏡圖像。（b）金屬飛濺附近位移的模擬。在熔線反射之前觀察到拋物線散射。（c）沿樣品y軸掃描時，通過實(shí)驗(yàn)測量法向位移。（d）放大（c）中的圖像部分，顯示熔線反射之前金屬飛濺的拋物線散射。

Stobbe說：“在改變金屬粉末原料或修改熔融激光功率或掃描速度后，這樣的系統(tǒng)可能會用于快速鑒定新的LPBF機(jī)器和在役機(jī)器。”。

來源：Laser-based ultrasound interrogation of surface and sub-surfacefeatures in advanced manufacturing materials, Scientific Reports (2022). DOI:10.1038/s41598-022-07261-w