作者：常濤，楊立明，王浩，王光宇，劉亮堂
工作單位：航天五院503所
金屬增材制造技術的出現徹底改變了傳統金屬部件的加工模式，這種新技術具有高效成型、節省材料和短加工周期等優點，能突破傳統制造工藝的局限，生產出空間結構復雜的構件，深受汽車工業、航空航天和醫療器械等領域的青睞。
然而，增材制造技術在成形過程中產生的氣孔、未熔合、裂紋等缺陷限制了增材制造技術在工業上的推廣與廣泛應用。因此，金屬增材制造產品的質量控制特別是在線監測具有重要意義。
1常見缺陷及其形成原因
選區激光熔化（SLM）作為當前主流的金屬增材制造技術，在航空航天、軍工領域等有著較為廣泛的應用。SLM構件內部缺陷主要有氣孔、未熔合和裂紋，根據相關文獻總結了各缺陷的特征和主要影響因素，如表1所示。
表1 內部缺陷的特征和主要影響因素
缺陷類型
影響因素
特征
氣孔
激光能量輸入
金屬粉末
制品內部隨機分布
形狀規則
未熔合
激光能量輸入
主要分布在層間
形狀扁平，平行熔覆層
裂紋
激光能量輸入
掃描策略
不規則
末端尖銳
1
氣孔
氣孔是SLM構件主要的缺陷類型，是對SLM構件力學性能影響最大的缺陷之一，如圖1所示。形成氣孔缺陷主要有三種情況：一是金屬粉末中攜帶的氣體；二是在增材制造過程中通過捕獲原始粉末材料中的惰性保護氣體形成；三是熔池中化學反應產生的氣體。氣孔缺陷呈球形或類球形，尺寸較小一般小于20 μm。
圖1 氣孔缺陷
2
未熔合
未熔合缺陷主要出現在層間或熔池線之間，尺寸大小在50~500 μm，典型的未熔合缺陷主要有兩種，一種是凝固過程中熔融不足導致的未熔合，如圖2(a)所示；另一種是未熔化金屬粉末導致的未熔合，如圖2(b)所示。
圖2 SLM鈦合金材料的未熔合缺陷
對于AlSi10Mg等易氧化的材料，在SLM成形過程中，通常在殘留氧的金屬固體表面產生一層氧化膜，會降低熔池金屬的潤濕性和流動性，導致層間熔合不良，從而形成未熔合孔缺陷，如圖3中的位置2，從元素百分比含量分析結果（表2）可知，未熔合孔缺陷（位置2）富含氧，說明該缺陷與氧化層的存在有關，氧化層能夠阻止層間熔合。
圖3 鋁合金中的未熔合孔缺陷
表2 缺陷位置元素含量分析（%）
3
裂紋
裂紋是金屬增材制造構件中典型的缺陷之一，如圖4所示，裂紋的存在極大地降低了構件的材料性能，甚至會引起宏觀的開裂、分層等現象，導致制備過程的失敗。
圖4 裂紋缺陷
在SLM工藝中，金屬粉末在局部激光高能量輸入下經歷快速熔化和快速固化。熔池冷卻速度達到108 K/s，在成形過程中產生高溫度梯度和高熱應力。高溫度梯度和高熱應力是導致制造件裂紋萌生和擴展的主要原因。
2
內部缺陷檢測技術
相較于傳統的制造方法，SLM技術制造的部件能夠達到很高的表面質量，實現無余量的控制加工，解決復雜金屬部件加工困難的問題，SLM是應用最廣泛的金屬增材制造技術之一。
然而，基于離散疊層原理的SLM過程中，試件中隨機出現的各類內部缺陷也是不容忽視的，因此對金屬增材制造過程進行無損在線監測甚至是過程修復，是提高增材制造成形件質量的重要途徑之一。
目前應用于金屬增材制造構件內部缺陷的離線無損檢測技術主要包括超聲檢測和射線檢測等，在線無損檢測技術主要包括激光超聲檢測和紅外熱成像檢測等。
1
離線無損檢測技術
超聲檢測
超聲檢測主要是利用制件及其缺陷的聲學性能差異，通過觀察超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗制件內部缺陷。超聲檢測信號通常以A掃描、B掃描及C掃描的方式呈現，如圖5所示。
圖5 超聲檢測中的A掃描、B掃描和C掃描
SHI等針對鈦合金增材制造件開展超聲檢測試驗研究，可檢測的氣孔大小為200~660 μm，可檢測的未熔合大小為1~3 mm。該方法主要用氣孔、未熔合等體缺陷，如圖6和圖7所示。
圖6 超聲檢測的氣孔缺陷
圖7 超聲檢測的未熔合缺陷
傳統的超聲檢測需通過耦合劑將能量輸入到工件中，受制件溫度等因素制約，因此多用于制造后的離線檢測；超聲波可識別的缺陷尺寸范圍與其波長相關，會存在不同程度的漏檢情況；超聲檢測易受到噪聲影響，影響缺陷精準識別和缺陷定性分類。
射線檢測
射線檢測主要利用X射線或γ射線來進行。通過觀察兩種射線在穿透被檢物各部分的強度衰減，檢測被檢物中的缺陷。主要通過灰度值的對比將缺陷表示出來。
射線檢測技術適用于復雜結構的檢測，適合對氣孔等缺陷進行檢測。檢測精度高，但其對檢測時間和檢測尺寸有一定限制；楊薇等利用工業CT對圓形試棒的橫截面進行檢測，檢測出0.1 mm的細小孔洞缺陷，如圖8所示。
圖8 試棒斷層CT檢測結果
2
在線無損檢測技術
激光超聲檢測
激光超聲檢測方法使用脈沖激光源在樣品表面產生超聲波，脈沖激光照射到樣品表面，入射點周圍的微小區域立即被高能脈沖激光加熱，熱彈性機制下，在試樣表面產生的應變場和應力場引起受熱區波動，在試樣內部產生超聲波，最后通過激光干涉儀接收在樣品表面的超聲振動。
與傳統的超聲檢測方法相比，脈沖激光產生的超聲波具有更寬的帶寬和更高的能量。此外，激光超聲檢測的非接觸特性使其適用于SLM工藝等復雜工況下的在線質量監測。
Yu將激光超聲檢測技術應用于帶有內部孔洞缺陷的金屬增材制造試樣的檢測，可檢測到直徑為0.8 mm的孔洞缺陷，如圖9和圖10所示。
圖9 增材制造試件
圖10 試件激光超聲檢測結果
Xu等探究了在表面粗糙度較高的情況下，激光超聲影像系統對金屬增材制造構件缺陷的檢測能力，結果表明，對于沒有處理過的粗糙的SLM構件，該系統可檢測到直徑為0.05 mm的孔洞，如圖11和圖12所示。
圖11 兩排直徑不同的微孔缺陷試件示意圖
圖12 孔隙缺陷的C掃描圖像結果
紅外熱成像檢測
紅外熱成像法是基于熱信號的檢測方法，原理是利用制件內部缺陷導致的熱傳導差異性，進而引起溫度分布的差異性，通過檢測制件表面溫度場的變化來檢測內部缺陷的分布。
Dinwiddie等采用紅外相機揭示了增材制造過程中的孔隙、未融合等缺陷；Garcia等利用熱成像法很好地監測了增材制造過程中裂紋缺陷，如圖13所示。
(a) 有裂紋輻射曲線
(b) 無裂紋輻射曲線
圖13 有無缺陷的輻射曲線
3
結束語
通過簡要介紹金屬增材制造內部缺陷的類型及成因，有針對性地綜述了當前應用于檢測內部缺陷的離線無損檢測方法和在線無損檢測方法。對該領域未來發展提出以下幾點建議：
1
影響增材制造成型質量的因素繁多，目前只能直接測得部分重要參數，仍有一部分起重要表征作用的參數無法直接獲得，它們對于理解增材制造過程中缺陷的產生，并設計在線檢測系統以實時反饋控制構件的成型過程具有重要意義。
2
金屬增材制造缺陷類型較多且具有隨機性，如何快速檢測并識別缺陷類型，適時調整工藝參數來提高增材制造的成型質量，也是需要繼續深入研究的重要課題。
作者：常濤，楊立明，王浩，王光宇，劉亮堂
工作單位：航天五院503所
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