粉末床熔融金屬增材制造中的缺陷和異常（3）

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文旨在闡明粉末床熔融增材制造過(guò)程中常見的缺陷/異常及其形成機(jī)制。本文為第三部分。

2.缺陷表征方法
缺陷測(cè)量通常采用體積法，如阿基米德密度法、超聲波檢測(cè)法或橫截面法，以比較孔隙體積與總體積。對(duì)于分?jǐn)?shù)密度>99%的預(yù)期結(jié)果，橫截面與孔隙相交的頻率足夠低，因此必須對(duì)大面積進(jìn)行表征，以獲得合理的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)�；蛘撸�更耗時(shí)的技術(shù)，如實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和基于同步加速器的x射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（XCT），已經(jīng)證明在分析焊接、激光焊接以及最近金屬AM中的缺陷結(jié)構(gòu)方面非常有用。

下圖顯示了本研究中使用的三種不同焊接條件下EBW不同焊接樣品中的三維重建孔隙度分布。樣品的頂部（藍(lán)色區(qū)域）代表鋼，而接頭的底部代表鐵鋁合金（粉紅色區(qū)域）。

重建了三個(gè)焊接樣品的3D透明孔隙率模型，其中包括（a）有光束振蕩，（b）無(wú)光束振蕩，以及（c）較高的焊接速度。

眾所周知，焊池的行為及其質(zhì)量在很大程度上取決于焊接過(guò)程中鎖孔形成的特性。鎖孔形成本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的，因此鎖孔不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致焊縫中的孔隙形成。鎖孔不穩(wěn)定性的機(jī)理非常復(fù)雜，目前尚不完全清楚，但有幾種方法可以減少鎖孔不穩(wěn)定性引起的孔隙率，例如應(yīng)用梁振蕩，優(yōu)化焊縫參數(shù)等。

過(guò)程中監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)可以幫助研究人員開發(fā)計(jì)算機(jī)視覺算法，以使用機(jī)器學(xué)習(xí)自動(dòng)檢測(cè)和分類缺陷。本節(jié)還將簡(jiǎn)要介紹PBF AM機(jī)器的研究和開發(fā)領(lǐng)域，其他部分將詳細(xì)介紹幾個(gè)示例。

2.1. Ex-situ監(jiān)測(cè)

2.1.1.光學(xué)顯微鏡
光學(xué)顯微鏡是一種廣泛使用的表征技術(shù)，用于觀察粉末原料、微觀結(jié)構(gòu)、表面輪廓和AM樣品中的缺陷。

圖10顯示了使用不同激光功率的L-DED構(gòu)建的FeCrCoMnNi高熵合金樣品的光學(xué)顯微鏡表征示例。請(qǐng)注意，“孔隙”和“微孔隙”之間的區(qū)別是任意的，因?yàn)榛�本上所有包含統(tǒng)計(jì)分布的報(bào)告都顯示了尺寸的連續(xù)變化，沒有證據(jù)表明維持這種區(qū)別需要雙模態(tài)。孔隙、微孔和裂縫可以通過(guò)光學(xué)成像很容易地顯示出來(lái)。光學(xué)顯微鏡的主要優(yōu)點(diǎn)是容易接近；與電子顯微鏡相比，由于電荷的可變積累，它的變形也較小。兩種顯微鏡僅限于樣品中一個(gè)位置的表面信息。

圖10不同激光功率（a）600 W，（b）800 W，（c）1000 W下，使用L-DED工藝制備的FeCrCoMnNi高熵合金樣品垂直于構(gòu)建方向的橫截面光學(xué)顯微圖。三個(gè)樣品的掃描速度均為800 mm/min。

2.1.2.電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡（SEM）和TEM（包括掃描TEM或STEM）是表征AM材料微觀結(jié)構(gòu)最廣泛采用的技術(shù)之一。與光學(xué)技術(shù)相比，SEM和TEM基本上適用于所有研究人員。許多其他廣泛采用的技術(shù)無(wú)法與電子顯微鏡的空間分辨率相匹敵，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)原子分辨率的TEM。除了結(jié)構(gòu)缺陷外，AM材料的微觀結(jié)構(gòu)與使用鑄造或鍛造加工的相同材料有很大不同。其中一些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)屬性是有利的，有助于改善AM材料的性能，而另一些則是有害的。Wang等人全面描述了L-PBF 316L不銹鋼樣品的微觀結(jié)構(gòu)，并闡明了AM材料的獨(dú)特特性如何影響其機(jī)械性能。

激光粉末床熔合(L-PBF)生產(chǎn)的316L不銹鋼(SS)的典型微觀結(jié)構(gòu)。

已建概念樣品的微觀結(jié)構(gòu)表征(方法)揭示了多個(gè)長(zhǎng)度尺度和化學(xué)異質(zhì)性，如上圖所示。在掃描電子顯微鏡(SEM)上用電子背散射衍射(EBSD)測(cè)量了晶粒的取向和尺寸分布(圖b, f)。EBSD下的晶粒呈現(xiàn)波紋圖案，而不是傳統(tǒng)的面形形貌。在一個(gè)單一的顆粒中，經(jīng)常可以觀察到顏色和方向的連續(xù)變化�？偟膩�(lái)說(shuō)，L-PBF 316L SS的微觀組織表現(xiàn)出高度非常規(guī)的晶粒形狀、分布和取向梯度。EBSD測(cè)量進(jìn)一步表明，L-PBF 316L SS包含大量低角度晶界(lagb, 2°-10°，約占總GBs的41%，圖g)�？梢杂^察到跨晶粒的方向梯度或局部方向偏差，如圖h所示的核平均方向偏差(KAM)圖所示，圖中映射了每個(gè)單個(gè)晶粒內(nèi)部像素與像素之間的角度方向偏差。對(duì)比圖g和圖h可知，方向偏差與LAGBs直接相關(guān)�；�于高角度晶界(HAGBs)估計(jì)的平均晶粒尺寸(d)為45±7.9 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，晶粒面積分布跨越多個(gè)數(shù)量級(jí)。這些EBSD數(shù)據(jù)表明L-PBF 316L SS是一種非傳統(tǒng)材料，具有廣泛的晶粒尺寸分布、大量的lagb和波紋狀晶粒形狀。雖然也存在空洞，但體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于1%。


圖11顯示了亞共晶Al-11at.%Cu合金激光熔化和快速凝固的DTEM研究。DTEM允許以納米尺度時(shí)空分辨率定量測(cè)量凝固界面速度。結(jié)合以下不同微觀結(jié)構(gòu)區(qū)，特別是第二相及其分布的原位TEM表征，可以了解獨(dú)特的非平衡溶質(zhì)分配行為。

圖11 （a）顯示Al-11at.%Cu合金凝固的原位DTEM電影模式亮場(chǎng)圖像序列。圖像中的數(shù)字是熔化薄膜的高斯激光脈沖峰值與用于形成圖像的50 ns電子脈沖之間的時(shí)間延遲（以微秒為單位）。（b）固化樣品的原位TEM表征。

如圖12所示，等軸晶粒正好出現(xiàn)在缺乏熔合孔隙的上方，柱狀晶粒在接下來(lái)的兩個(gè)構(gòu)建層內(nèi)恢復(fù)生長(zhǎng)。TriBeam系統(tǒng)的3D EBSD特性具有自明的破壞性，因此不能像HEDM技術(shù)那樣用于原位實(shí)驗(yàn)。

圖12.使用電子束熔煉添加劑制造技術(shù)制造的合金718樣品的三維EBSD數(shù)據(jù)。（a）柱狀晶粒圍繞著未熔合缺陷。（b）具有非[0 0 1]取向的等軸晶粒填補(bǔ)了緊鄰未熔合缺陷上方的區(qū)域。（c-e）垂直于缺陷（c）內(nèi)、（d）40μm以上和（e）80μm以上構(gòu)建方向的完整3D體積的2D切片。

2.1.3.同步輻射x射線成像和散射

如圖13所示，Phan等人繪制了L-PBF建造的合金625橋梁結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力。此特定測(cè)量的空間分辨率為～100μm，應(yīng)變靈敏度為10-4。XRD和中子衍射在倒易空間（即晶格位移）具有相似的分辨率，而x射線技術(shù)在實(shí)際空間具有更高的分辨率，但穿透力遠(yuǎn)低于中子。

圖13 使用同步加速器XRD測(cè)量的竣工AM合金625橋結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)變圖（樣品照片位于圖的頂部）。在（A）縱向（X）應(yīng)變、（B）垂直/建造（Z）應(yīng)變、（C）45°時(shí)的應(yīng)變和（D）計(jì)算剪切應(yīng)變（εxz）的樣品中間橫截面（Y=2.5 mm）進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。

考慮到所涉及的極端熱條件，沉淀是使用激光或電子束AM處理的大多數(shù)工程合金系統(tǒng)的重要組成部分。透射電子顯微鏡（TEM），包括TEM提供的成像、衍射和光譜技術(shù)，特別適合表征沉淀物的化學(xué)成分和相。如圖14（a-b）所示，Zhang等人收集了AM合金625等溫加熱處理期間的原位SAXS數(shù)據(jù)，并定量測(cè)量了有害δ相沉淀的生長(zhǎng)，這由原位XRD數(shù)據(jù)證實(shí)（圖14c）。這些原位同步加速器x射線實(shí)驗(yàn)表明，AM工藝特有的元素偏析是625合金在應(yīng)力消除熱處理期間異常沉淀行為的根本原因，即，無(wú)論冷卻速度如何，Nb和Mo等重元素在凝固期間偏析到枝晶間區(qū)域。

圖14 應(yīng)力消除熱處理期間AM合金625中有害δ相沉淀生長(zhǎng)的原位同步輻射x射線研究。

基于同步加速器的高能衍射顯微鏡（HEDM）是一種新興的三維表征多晶材料中晶粒形態(tài)、相、取向和應(yīng)變的技術(shù)。由于HEDM是非破壞性的，因此它已成為原位探測(cè)每個(gè)顆粒對(duì)各種外部刺激的響應(yīng)的強(qiáng)大技術(shù)。Sangid等人在高周疲勞試驗(yàn)中對(duì)合金718（亦稱合金718）進(jìn)行了HEDM表征（圖15）。

圖15 高周疲勞試驗(yàn)期間，通過(guò)激光粉末床熔合建立的后處理合金718的現(xiàn)場(chǎng)高能x射線衍射顯微鏡。基于近場(chǎng)衍射數(shù)據(jù)重建晶粒形貌；而晶粒平均應(yīng)力值是根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)衍射數(shù)據(jù)測(cè)量的。

HEDM技術(shù)仍在不斷進(jìn)步和發(fā)展。X射線源、探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理算法都在快速發(fā)展，以允許在更短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)和重建更多的顆粒。HEDM由于其不可替代的能力和日益增長(zhǎng)的實(shí)用性，將成為研究AM材料獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)和性能的有力工具。

進(jìn)一步的微觀結(jié)構(gòu)表征揭示了廣泛的內(nèi)部邊界，亞晶結(jié)構(gòu)和化學(xué)分離�？⒐さ�316L SS具有高度異質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，包括結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)，具有融合邊界，樹枝狀和細(xì)胞壁，位錯(cuò)，沉淀物，分離元素和原子尺度雜質(zhì)。與傳統(tǒng)的對(duì)應(yīng)物相比，微觀結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度尺度跨越五到六個(gè)數(shù)量級(jí)，從納米到亞毫米。暗場(chǎng)（HAADF）圖像）。已知這些凝固池的尺寸和壁厚與L-PBF工藝期間的凝固條件（即熱梯度，冷卻速率，凝固前速度）有關(guān)。

XCT廣泛用于研究使用制造的零件的孔隙度。圖16（a）顯示了AM Al-10Si-Mg樣品中孔隙度的可視化示例。XCT分析用于將打印過(guò)程中使用的工藝參數(shù)與若干研究中零件產(chǎn)生的孔隙度相關(guān)聯(lián)。XCT還用于表征原料粉末顆粒的尺寸、形狀和孔隙率（圖16（b））。XCT的另一個(gè)重要應(yīng)用是打印件的計(jì)量學(xué)，用于確定尺寸精度。最后，XCT可用于分析表面粗糙度（圖16（c））。隨著時(shí)間的推移，XCT已被用作研究AM零件的技術(shù)，尤其是零件的孔隙度和尺寸精度。盡管XCT提供了有關(guān)零件中存在缺陷的準(zhǔn)確信息，但必須根據(jù)其形狀推斷觀察到的缺陷的來(lái)源。

圖16 使用XCT顯示Al-10Si-Mg AM樣品中的孔隙度。

2.2.現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程監(jiān)測(cè)

毫無(wú)疑問(wèn)，本文所討論的PBF工藝具有諸如降低材料浪費(fèi)、部件整合等優(yōu)點(diǎn)，正在徹底改變金屬制造。然而，同樣明顯的是，AM部件的鑒定存在問(wèn)題，因?yàn)榇蛴〔考�中存在的一些缺陷源于逐層添加工藝。因此，即使這些工藝的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)有限，也能對(duì)缺陷形成過(guò)程提供有價(jià)值的見解，從而通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制工藝參數(shù)來(lái)緩解打印零件中的缺陷。

實(shí)時(shí)監(jiān)控（又稱現(xiàn)場(chǎng)或過(guò)程監(jiān)控）將帶來(lái)實(shí)時(shí)觀察缺陷形成的能力。最近，Grasso和Colosimo發(fā)表了工藝缺陷和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的文獻(xiàn)綜述。粉末床熔合AM工藝過(guò)程中監(jiān)控的其他應(yīng)用包括粉末分配、激光粉末相互作用、熔池、掃描路徑和切片。粉末擴(kuò)散監(jiān)測(cè)主要側(cè)重于操作異常檢測(cè)和孔隙度形成。一些工作側(cè)重于使用光學(xué)成像來(lái)監(jiān)測(cè)金屬粉末的熔化和固結(jié)，其中使用雙色測(cè)溫法監(jiān)測(cè)粉末層，以研究金屬粉末的固結(jié)過(guò)程。

粉級(jí)模擬進(jìn)入深粉床的單個(gè)軌道。a–b）掃描單層粉末，c–d）在深粉末層的邊界處掃描，e–f）在深粉末區(qū)域掃描。

最近對(duì)飛濺形成力學(xué)的研究表明，大的飛濺物往往是由熔池中的弓波效應(yīng)形成的，而較小的飛濺物往往是由夾帶的粉末顆粒形成的，這些粉末顆粒被激光加熱并從強(qiáng)烈的金屬蒸氣羽流中拋出。理想情況下，大多數(shù)商用機(jī)器中存在的層流惰性氣體流足以將噴射出的飛濺顆粒帶走，或者至少將它們推到足夠遠(yuǎn)的地方，它們不會(huì)與構(gòu)建區(qū)域相互作用。

然而，根據(jù)軌跡，飛濺顆粒可以落回動(dòng)力床或凝固區(qū)域。飛濺顆粒也可以是熱的（完全或部分熔化）或冷的（固化的），這取決于它們的噴射機(jī)制。如果冷飛濺顆粒落在凝固區(qū)域，它們也可以作為粉末擴(kuò)散缺陷的成核位點(diǎn)，通過(guò)拖過(guò)金屬表面暴露散裝材料而不是理想的均勻粉末層。落在凝固區(qū)域的熱飛濺顆粒往往通過(guò)燒結(jié)或部分熔化而固定在金屬表面上，隨后突出到粉末層上方。隨著激光加工的繼續(xù)，突出的飛濺顆粒只會(huì)部分熔化，并繼續(xù)凸出并且對(duì)金屬表面的附著力最小。這些寄生顆�？梢云帘卧诤罄m(xù)層中不會(huì)融化的粉末袋。

2.2.1.可見光高速成像

質(zhì)量和再現(xiàn)性是改善增材制造的機(jī)會(huì)，制造商更喜歡在AM系統(tǒng)上使用廉價(jià)、實(shí)用的監(jiān)測(cè)工具。利用可見光進(jìn)行高速成像已引起聚變AM過(guò)程的興趣，以將過(guò)程中缺陷的產(chǎn)生與現(xiàn)場(chǎng)外觀察到的缺陷相關(guān)聯(lián)。一些研究使用相機(jī)來(lái)描述激光與粉末的相互作用，這為飛濺、熔池特征、表面質(zhì)量和粉末層異常提供了有價(jià)值的信息。

L-PBF中常見的缺陷，例如由鍵孔機(jī)構(gòu)形成的孔隙率和表面張力相關(guān)的球化現(xiàn)象與熔池的尺寸尺度相同，并且沿著熔體軌跡本身發(fā)生。由于這些原因，作者認(rèn)為熔池本身的原位監(jiān)測(cè)對(duì)于確保零件質(zhì)量至關(guān)重要。許多人也同意這一觀點(diǎn)，并且現(xiàn)在存在大量與使用高速可見光和熱成像觀察L-PBF和DED AM過(guò)程中熔池相關(guān)的工作。大部分現(xiàn)有工作都集中在監(jiān)測(cè)熔池的尺寸上。例如，Tan等人使用同軸對(duì)準(zhǔn)的高速相機(jī)測(cè)量焊接過(guò)程中的熔池尺寸，Heigel等人使用高速熱像儀測(cè)量L-PBF中的熔池長(zhǎng)度。Clijsters等人開發(fā)了一種實(shí)時(shí)系統(tǒng)，能夠測(cè)量L-PBF工藝的原位熔池尺寸，并且類似的系統(tǒng)現(xiàn)在被幾家L-PBF機(jī)器制造商使用。Fisher等人致力于將溫度信息（使用可見光相機(jī)收集）與L-PBF過(guò)程中的熔池尺寸相關(guān)聯(lián)。

由高速攝像機(jī)捕獲的假彩色熔池圖像。

2.2.2.紅外和近紅外高速成像

在PBF技術(shù)中，許多研究側(cè)重于溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)，以預(yù)測(cè)異常和底層微觀結(jié)構(gòu)。研究人員利用原位紅外測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè)熔融AM過(guò)程中熔池的幾何形狀和相應(yīng)的溫度。熔池中的任何異常都可能被視為部分缺陷的形成。然而，跟蹤熔池溫度和電位波動(dòng)需要高速數(shù)據(jù)采集（10 kHz）能力，這一能力成本高昂，并大大增加了機(jī)器激光光學(xué)的復(fù)雜性，增加了機(jī)器的成本。作為替代方案，可以使用低幀速率和低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求的全場(chǎng)成像。Boone等人提出，使用近紅外（例如，硅焦平面）可以降低發(fā)射率對(duì)測(cè)量的影響；因此，測(cè)量不確定度較低（見圖17）。

圖17顯示未融合（局部小熱點(diǎn)）和腫脹（紅色箭頭所示）的示例。

(a）用于形成立方體的工藝參數(shù)概述;（b）構(gòu)建結(jié)束時(shí)的最終表面的照片，顯示立方體和七邊形幾何形狀;和（c）用于在立方體表面的最后一層頂部制作的七邊形幾何形狀的掃描圖案。

最近，原位熱成像已被用于確認(rèn)在電子束粉末床熔合（E-PBF）過(guò)程中識(shí)別缺陷產(chǎn)生和微觀結(jié)構(gòu)演變時(shí)，幾何形狀、工藝參數(shù)和材料是相互關(guān)聯(lián)的。這些測(cè)量結(jié)果與背景和峰值溫度相關(guān)，以確定孔隙率形成的趨勢(shì)。此外，原位熱測(cè)量允許定量估計(jì)導(dǎo)致凝固過(guò)程中柱狀到等軸轉(zhuǎn)變（CET）的加工條件。然而，上述研究均未被整合并擴(kuò)展到鎳合金的選擇性激光熔化，也不涉及對(duì)熔體層的表面粗糙度，硬度和微觀組織的深入研究。此外，沒有一項(xiàng)已發(fā)表的研究提供可能與AM基準(zhǔn)計(jì)劃相關(guān)的類似處理?xiàng)l件的全面原位和非原位數(shù)據(jù)。

2.2.3.高速x射線成像和衍射

除了構(gòu)建后的特征，同步輻射x射線成像和衍射技術(shù)也被用于AM過(guò)程的操作研究。這些結(jié)果為構(gòu)建中各種結(jié)構(gòu)缺陷的機(jī)制提供了顯著的見解。

在同步輻射x射線之前，20世紀(jì)90年代，大阪大學(xué)的研究小組使用實(shí)驗(yàn)室x射線來(lái)監(jiān)測(cè)激光在小孔模式焊接中的深度穿透。由于在他們的工作中使用了管x射線源，有限的通量產(chǎn)生了對(duì)比度和分辨率相對(duì)較低的圖像。因此，他們的報(bào)告中缺乏關(guān)于前鎖孔壁精細(xì)結(jié)構(gòu)和熔池形態(tài)的信息。圖18顯示了使用內(nèi)部x射線成像技術(shù)對(duì)小孔孔隙度的可視化。

圖18激光焊接小孔氣孔的實(shí)驗(yàn)室x射線成像。

2016年，Zhao和Sun等人建造了激光粉末床聚變模擬器，并將其與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光子源（APS）的高速同步x射線成像和衍射技術(shù)相結(jié)合。2017年，他們展示了平臺(tái)的力量，并將結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》中。這是首次使用同步加速器x射線監(jiān)測(cè)金屬的激光熔化過(guò)程。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖19所示。圖20顯示了鎖孔形成過(guò)程和柱狀晶粒生長(zhǎng)過(guò)程的細(xì)節(jié)。

圖19 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光子源激光粉末床聚變的高速同步輻射x射線成像和衍射實(shí)驗(yàn)示意圖。

圖20激光熔化和凝固中Ti-6Al-4V的高速同步x射線成像。（a）鎖孔的形成。（b）柱狀晶粒的生長(zhǎng)。

除成像外，世界各地的幾個(gè)團(tuán)隊(duì)已應(yīng)用高速同步輻射x射線衍射研究與AM相關(guān)的凝固過(guò)程中的材料相演變。2017年，Zhao等人觀察到，在Ti-6Al-4V的初始凝固過(guò)程中，高溫bcc相出現(xiàn)了強(qiáng)衍射斑點(diǎn)，隨著樣品繼續(xù)冷卻，它們被六角形相取代，如圖21所示。通過(guò)轉(zhuǎn)變時(shí)間，他們估算了冷卻速度和固相轉(zhuǎn)變速度。

圖21激光熔化和凝固中Ti-6Al-4V的高速同步x射線衍射。

2.2.4.其他技術(shù)

除了可見光成像、熱成像、x射線成像和衍射技術(shù)外，積分球輻射測(cè)量（ISR）和聲學(xué)測(cè)試（AT）也用于監(jiān)測(cè)金屬的添加劑制造過(guò)程。在這里，我們介紹了一般的實(shí)驗(yàn)原理和方法。由于信號(hào)解釋的困難，這些技術(shù)通常與其他技術(shù)相結(jié)合。

2.2.4.1.積分球輻射測(cè)量

實(shí)驗(yàn)原理和方法。2008年，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的J.T.Norris等人使用積分球?qū)�激光焊接過(guò)程中的激光吸收進(jìn)行了臨時(shí)評(píng)估。如圖22A所示，有兩個(gè)球體，一個(gè)主球體和一個(gè)次球體。主球體位于激光頭下方。焊接樣品位于球體內(nèi)部和激光束的焦平面上。在Norris等人之前，F(xiàn)abbro等人在LALP（CNRS）/GIP GERAILP公司于2005年實(shí)施了該技術(shù)（圖22B），以測(cè)量全熔透激光焊接過(guò)程中通過(guò)小孔傳輸?shù)募す饽芰俊９怆姸�極管的時(shí)間分辨率為幾微秒。其信號(hào)與進(jìn)入球體的激光功率呈線性關(guān)系。2018年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的Simonds等人使用該技術(shù)（圖22C）研究了熔體和小孔形成過(guò)程中的動(dòng)態(tài)激光吸收。時(shí)間分辨率小于1微秒。

圖22積分球輻射測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置。

將ISR與其他監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合。2020年，Simonds等人將該技術(shù)與內(nèi)聯(lián)相干成像或高速x射線成像相結(jié)合，并將激光吸收與鎖孔演化（例如，小孔深度）相關(guān)聯(lián)，如圖23所示。內(nèi)聯(lián)相干成像系統(tǒng)能夠以200 kHz的速率提取樣品表面深度，空間分辨率為15μm。主要結(jié)果如圖23C所示。

圖23相關(guān)激光吸收和樣品表面深度。通過(guò)（A）內(nèi)聯(lián)相干成像和（B）高速x射線成像測(cè)量的樣品表面深度。（C）時(shí)間分辨的小孔深度和從傳導(dǎo)到過(guò)渡到小孔模式的激光吸收。

2.2.4.2.聲學(xué)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)原理和方法。聲學(xué)測(cè)試因其快速的數(shù)據(jù)采集和處理而被用于監(jiān)測(cè)激光熔化過(guò)程�；�本概念是散射波形的振幅與熔池和構(gòu)建板的彈性特性和質(zhì)量密度有關(guān)。隨著金屬的熔化，剪切模量消失，壓縮模量和質(zhì)量密度大大降低。因此，熔池邊界處存在較大的聲阻抗差異。這導(dǎo)致從熔池入射的剪切波強(qiáng)烈散射。此外，由于橫波的波長(zhǎng)較短，因此與縱波相比，橫波更敏感。

a） AE信號(hào)片段的示例，對(duì)應(yīng)于在中等能量密度；b）與窄帶相對(duì)能量相對(duì)應(yīng)的譜圖，位于時(shí)頻域中。

如圖24所示，他們發(fā)現(xiàn)超聲波散射對(duì)熔池深度非常敏感。熔池深度是從激光焊接后的橫截面獲得的。此外，隨著熔池的演化，由于剪切波速減小，初始脈沖的到達(dá)時(shí)間增加。聲音信號(hào)和零件質(zhì)量之間的聯(lián)系并不簡(jiǎn)單。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，瑞士材料科學(xué)與技術(shù)聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室的Shevchik等人提出了一種實(shí)時(shí)檢測(cè)導(dǎo)致缺陷的工藝不穩(wěn)定性的方法。首先，如圖25A所示，他們使用三種技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)激光熔化過(guò)程：高速x射線成像、激光背反射和聲發(fā)射。其次，他們應(yīng)用深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（圖25B），從激光背反射和聲發(fā)射信號(hào)的小波譜圖中揭示導(dǎo)致缺陷的事件的特征（圖25（C-E））。

圖24激光誘導(dǎo)熔池超聲波檢測(cè)的理解。（A）俯仰鎖定配置示意圖。（B）熔池形成過(guò)程中的超聲波波形。（C）隨時(shí)間推移的B掃描圖像。（D）測(cè)量的散射振幅和熔池深度。（E）不同激光持續(xù)時(shí)間的熔融熔池。

圖25激光熔化質(zhì)量監(jiān)測(cè)的深度學(xué)習(xí)。（A）實(shí)驗(yàn)設(shè)置。使用了三種技術(shù)：高速x射線成像、激光背反射和聲發(fā)射。（B）激光背反射和聲發(fā)射信號(hào)事件特征的深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。（B）激光背反射信號(hào)、（C）聲發(fā)射信號(hào)和（D）兩個(gè)信號(hào)的組合的分類結(jié)果。每個(gè)細(xì)胞中的數(shù)字分別是常規(guī)CNN、交叉殘留CNN和時(shí)間CNN。

來(lái)源：Defects and anomalies in powder bed fusion metal additive manufacturing, Current Opinion in Solid State and Materials Science, doi.org/10.1016/j.cossms.2021.100974

參考文獻(xiàn)：Influence of post-heat-treatment on the microstructure and fracture toughness properties of Inconel 718 fabricated with laser directed energy deposition additive manufacturing, Mater. Sci. Eng. A., 798 (2020), Article 140092.