基于導(dǎo)波的定向能沉積增材制造薄壁結(jié)構(gòu)的壓電激光超聲監(jiān)/檢測新方法

來源：AM home增材制造之家

在金屬增材制造工藝中，基于不同的原料形式（例如粉末、線材、片材）出現(xiàn)了各種增材制造（AM）技術(shù)。其中，粉末原料增材制造技術(shù)由于熔池較小、印刷精度較高而更受青睞，根據(jù)粉末輸送系統(tǒng)主要分為粉末床熔融（PBF）和定向能沉積（DED）兩類。

PBF技術(shù)，如選擇性激光熔化（SLM）和電子束熔化（EBM）利用送粉盒和刀片將原材料散布在成型區(qū)域，然后通過聚焦激光束選擇性地熔化金屬粉末。

DED技術(shù)包括激光熔融沉積（LMD）和激光工程師凈成形（LENS），通常利用同軸噴嘴同時(shí)將粉末和能量輸送到目標(biāo)區(qū)域以形成零件。由于沒有粉末床，因此不需要脫粉程序。與PBF相比，DED不需要預(yù)沉積粉末層，因此適用于零件的修復(fù)或涂層。此外，DED已被廣泛應(yīng)用于制造具有不同材料特性的功能性分級/組合零件。原位粉末混合能力和大運(yùn)動(dòng)范圍使其成為混合增材和減材制造的理想選擇。

DED工藝涉及材料熔化、相變、傳導(dǎo)/對流、粉末相互作用等多重物理場，這使得產(chǎn)品質(zhì)量對掃描策略、送粉速率、激光功率等工藝參數(shù)敏感。參數(shù)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致各種制造缺陷甚至產(chǎn)品故障。先前的研究表明，在DED過程中，由于各種因素可能會(huì)出現(xiàn)制造缺陷（例如開裂、孔隙率、冶金結(jié)合力弱，缺乏熔合和殘余應(yīng)力）。因此，需要開發(fā)原位檢測和監(jiān)控方法來檢查零件，以便實(shí)現(xiàn)反饋回路來控制制造參數(shù)，并在檢測到缺陷時(shí)采取必要的措施。

無損評估（NDE）技術(shù)廣泛用于材料表征、缺陷識(shí)別和加工監(jiān)測，而不會(huì)對零件造成任何損壞。近年來，各種無損檢測技術(shù)被用于DED工藝中的缺陷檢測，包括X射線成像、紅外熱成像、光發(fā)射測試、激光線掃描和超聲波檢測（UT）。其中，UT由于具有效率高、穿透深度高、對材料損壞敏感度高等優(yōu)點(diǎn)，非常有發(fā)展?jié)摿Α?br />
非接觸式激光超聲（LU）檢測方法由幾個(gè)研究小組開發(fā)并應(yīng)用于增材制造過程的檢測和監(jiān)測。例如，LU用于使用瑞利波（Rayleigh wave）檢測DED生產(chǎn)的316L鋼樣品中的缺陷�，F(xiàn)有文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)了使用超聲方法對DED過程進(jìn)行原位和在線監(jiān)測的重要性和可行性。

大多數(shù)關(guān)于增材制造超聲檢測的文獻(xiàn)都集中在體積塊樣品上。增材制造生產(chǎn)的另一類重要零件包括薄壁結(jié)構(gòu)，DED已經(jīng)證明了其優(yōu)于傳統(tǒng)銑削和加工技術(shù)的優(yōu)勢。DED生產(chǎn)的薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以在渦輪機(jī)外殼、直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)排氣等中找到。除了工程應(yīng)用外，增材制造界的研究人員在研究缺陷形成機(jī)制和開發(fā)新的DED技術(shù)時(shí)，經(jīng)常使用薄壁結(jié)構(gòu)作為測試樣品。與體結(jié)構(gòu)相比，薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)小缺陷、層開裂/分層和壁面屈曲。需要開發(fā)快速準(zhǔn)確的原位檢查和監(jiān)測方法來檢查薄壁結(jié)構(gòu)的DED制造，盡管到目前為止幾乎沒有針對此類結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究。

超聲波或蘭姆波特別適合檢測墻狀結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴ㄑ刂�結(jié)構(gòu)傳播，能量衰減很小，覆蓋100%的檢測區(qū)域。它可以快速篩選和檢查這些結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷。從歷史上看，導(dǎo)波技術(shù)已成功應(yīng)用于檢查或監(jiān)測傳統(tǒng)的石油/天然氣管道、飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)和復(fù)合板等。

基于此，香港科技大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種利用導(dǎo)波檢測DED薄壁結(jié)構(gòu)的新方法。該方法使用粘合在基板上的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電換能器來激發(fā)導(dǎo)波，導(dǎo)波作為波導(dǎo)沿著基板向薄壁傳播。然后，導(dǎo)波沿著打印的薄壁部分傳播，并由非接觸式激光測振儀測量。建立了一種波模型，用于快速預(yù)測Lamb波在襯底壁結(jié)構(gòu)中的產(chǎn)生和傳播，并通過數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了驗(yàn)證。然后，應(yīng)用原型檢測系統(tǒng)來評估DED制造的成品薄壁結(jié)構(gòu)的缺陷檢測性能。用于固定樣品的6軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)用于執(zhí)行掃描測量，它還模擬了真實(shí)DED過程中載物臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。新方法可以集成到打印環(huán)境中，以實(shí)現(xiàn)對DED過程的監(jiān)控。相關(guān)研究成果已于近日發(fā)表在物理與天體物理二區(qū)雜志Ultrasonics上。

該研究采用的寬40 mm、高20 mm、厚1.34 mm的單壁樣品是由自主研發(fā)的DED系統(tǒng)制造，如圖1a所示。該系統(tǒng)由500 W多模連續(xù)激光電源、同軸噴嘴、粉末輸送系統(tǒng)、光學(xué)傳輸和聚焦系統(tǒng)、6軸平行運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和自主研發(fā)的控制器等組成。

采用不銹鋼316L粉末作為原料，球形形貌，尺寸范圍為20~50 μm。316L粉末的標(biāo)稱成分列于表1中。整個(gè)印刷系統(tǒng)在氧含量 在制造過程中，在薄壁中選定的沉積位置預(yù)設(shè)了不一致的功率輸出，從而產(chǎn)生了人為缺陷，如圖1b所示。測量的裂紋長度約為1.5 mm，距離基材約15 mm。在超聲試驗(yàn)中，將經(jīng)過DED處理后印制的薄壁樣品與基板一起用于評估所開發(fā)的檢測方法。

提出的用于快速檢測印刷的金屬薄壁結(jié)構(gòu)導(dǎo)波檢測系統(tǒng)如圖3所示。PZT永久粘合在基板表面，與制造區(qū)域保持一定距離。超聲波被PZT激發(fā)，波通過基板被引導(dǎo)到薄壁上。利用導(dǎo)波的遠(yuǎn)程傳播特性，這種配置可以避免干擾DED機(jī)器的運(yùn)行，減少高激光光斑對超聲波傳感器性能的影響。

所選PZT的尺寸為：長30 mm、寬5 mm、高0.5 mm，如圖4a所示。PZT與薄壁之間的距離為16 mm。一個(gè)中心頻率為1000 kHz的Hann窗口音突發(fā)信號(hào)由波形發(fā)生器生成。之所以選擇這個(gè)頻率值，是因?yàn)榭梢詼y量薄壁上的強(qiáng)A0模式Lamb波。激勵(lì)信號(hào)由功率放大器放大，使用激光測振儀通過沿墻面上的水平線掃描來測量面外振動(dòng)，如圖4b所示。

在圖12a中繪制了11至15個(gè)檢測點(diǎn)的小波系數(shù)，因?yàn)樗鼈兾挥谌毕菸恢玫恼�下方，并且比其他檢測點(diǎn)攜帶更多與損傷相關(guān)的信息。值得注意的是，在大約32.6 μs處，從感應(yīng)點(diǎn)11到14觀察到明顯的響應(yīng)，這可以歸因于來自缺陷的直接反射信號(hào)。此外，在37.4 μs左右，可以辨別出一個(gè)突出的響應(yīng)，代表上壁邊界反射的波。在13號(hào)探測點(diǎn)也觀察到一個(gè)明顯的山谷區(qū)域。這是因?yàn)槿毕莸年幱靶��?yīng)和來自墻壁頂部的反射波在很大程度上被阻擋了。由于激光測振儀的測量是沿著這條線進(jìn)行的，因此圖12b顯示了缺陷空間位置的損傷相關(guān)圖。

圖13a總結(jié)了所有傳感點(diǎn)的結(jié)果，并直觀地將其描述為B掃描圖像，從而能夠檢測和定位缺陷。入射波和缺陷的直接反射波之間的時(shí)間延遲確定為0.98 μs。根據(jù)開發(fā)的理論模型，A的波速0計(jì)算出墻內(nèi)1000 kHz的模式為3223 m/s。因此，缺陷和掃描線之間的距離估計(jì)約為1.6 mm。通過與6軸運(yùn)動(dòng)載物臺(tái)同步，從載物臺(tái)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)中獲取墻上每個(gè)激光測量點(diǎn)的空間位置的實(shí)時(shí)信息。鑒于掃描線位于基板上方13 mm的高度，因此可以在壁內(nèi)約14.6 mm的高度和約1.5 mm的長度處識(shí)別缺陷。此外，入射波與壁體上邊界反射波之間的時(shí)間延遲為5.74 μs。預(yù)制墻層的高度估計(jì)約為22.3 mm。這些測量結(jié)果與實(shí)際記錄的數(shù)據(jù)密切相關(guān)。

這項(xiàng)工作提出了一種新的基于導(dǎo)波的檢測系統(tǒng)，用于檢測和定位DED-AM產(chǎn)生的薄壁結(jié)構(gòu)的小缺陷。

PZT執(zhí)行器永久粘合在遠(yuǎn)離建筑區(qū)域的基板上，對制造過程的影響最小。超聲波通過基板被引導(dǎo)到薄壁上，再被轉(zhuǎn)換為沿壁傳播的蘭姆波。非接觸式激光測振儀用于測量薄壁上的引導(dǎo)波信號(hào)。

建立了一種波模型來預(yù)測導(dǎo)波在襯底和薄壁中的產(chǎn)生和傳播，并通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性。然后，將該系統(tǒng)用于檢測DED生產(chǎn)的薄壁樣品中因粉末輸送不一致而導(dǎo)致的缺陷。選擇頻率是為了提高測量靈敏度。通過分析掃描的導(dǎo)波信號(hào)，從掃描圖像中成功檢測和定位缺陷；缺陷的橫向尺寸也被準(zhǔn)確識(shí)別。

目前，該研究工作已顯示出應(yīng)用潛力，通過導(dǎo)波檢測新方法，將PZT作為執(zhí)行器，非接觸式激光測振儀作為接收器，可用于未來DED過程的在線檢測和監(jiān)測。該系統(tǒng)還可以并入DED建筑環(huán)境，并且不會(huì)干擾建筑過程。