TA15鈦合金激光熔化沉積工藝參數對超聲檢測精度

激光熔化沉積（Laser Melting Deposition，LMD）是一種增材制造工藝，金屬粉末經激 光熔化后逐層疊加并冷卻成形，由于制造過程不需要模具，因此有利于簡化結構、提高 可靠性及降低重量。使用該工藝制造的各類鈦合金增材制品已在某些型號飛機上進行小 批量應用并逐漸向規模化發展。但由于增材制造工藝“逐點化”的制造方式，其組織特 征、內部缺陷的類型和分布都與傳統鍛、鑄件有所區別，現有的無損檢測方法在增材結構 上已不再適用。目前，各無損檢測技術在增材結構件上的應用成為新的熱點，超聲檢測 因其檢測速度快、適用性廣、對人體和環境無害等優勢得到了廣泛的關注。

由于激光熔化沉積是一個噴射金屬粉末使其熔化、冷卻、沉積的過程，制造過程中的熱 積累是影響成形質量的關鍵因素之一。激光功率越高，熔池溫度越高；相反地，掃描速度越快，送粉速度越快，熔池溫度梯度越大。 在制造過程中金屬粉末按規劃好的路徑一道道噴射在基材上。為保證成形質量，不同“道” 金屬之間需一定程度重疊 ，用“搭接率”或掃描間距來表征這種狀態。不同增 材制造設備之間并沒有同一的最優搭接率。為驗證熔池溫度的影響并簡化試驗流程，選定激 光功率和掃描間距為樣塊加工時的自變量，掃描速度和送粉速度為不變量。掃描時，將基材底板固定，由機器人帶動激光和同軸送粉頭在三維空間運動，掃描路徑 由程序編寫輸入工控機內。開始加工前，將工作臺密封抽真空后注入氬氣形成無氧環境，加 工中檢測氧含量，以保證樣塊成型質量。

常規超聲檢測及在此基礎上發展起來的相控陣超聲檢測其工作原理是通過對比檢測試 件潛在缺陷反射波波幅與對比試塊預制缺陷波幅，判斷該潛在缺陷是否為需檢出缺陷；通過 計算表面回波與潛在缺陷回波時間差，確定該潛在缺陷深度位置，因此檢測試件應與對比試 塊有大致相同的聲波衰減幅度（取決于制造工藝）及超聲聲速 ，需對超聲檢測的靈敏度 和聲速進行標定。超聲波在待測物體中的聲速由介質的性質（密度和彈性模量）決定，不同 波形的超聲波傳播速度也不相同，其中縱波的聲速 cl 為 ：金屬增材制品的生產工藝變化時，內部的組織特征和材料密度就可能發生變化，導致 力學性能發生改變，進而影響超聲波在其內部傳播時的聲速，影響對缺陷特征深度的測 定。超聲靈敏度則表征被測試件介質超聲聲波的衰減程度，超聲檢測通過測量缺陷反射波 的強度判斷缺陷大小，因此靈敏度影響對缺陷大小的測定。

增材制造工藝的特殊性，在材料成型過程中受沉積方向冷卻速率和熱交換梯度的影響， 材料在沉積方向易形成柱狀晶粒結構，這種組織特征使金屬增材材料表現出力學性能各項異 性 ，因此將成型方向作為試驗樣塊的長（X，掃描方向）寬（Y，搭接方向）高（Z，沉 積方向）。 為了驗證激光功率和搭接率的影響，共制備 6 組試驗樣塊，對各試塊機械加工使其各方 向長度相同。

采用數據采集儀器內部濾波器，保留探頭發射中心頻率(2.5MHz-8MHz)波段聲波；選擇 反射波的波峰作為數據采集點。當工藝參數偏離理想值時，超聲檢測中會產生很多噪音信號 干擾，采用平滑濾波消除干擾，這樣雖然會損失邊緣信息但對波峰的影響較小，不影響采樣。

超聲波在介質材料中傳播會發生衰減，其中主要是吸收和散射 。介質對超聲波吸收 程度主要受超聲波的頻率影響。超聲波頻率越高，介質對超聲波吸收程度越強，超聲波穿 透能力就越弱。超聲波散射則主要受介質材料本身的組織特征和性能影響，材料本身各向 異性、結構不均勻、晶粒粗大或排列不規則等都會造成超聲波在介質中發生反射、折射和 波形轉換，這都造成超聲波能量的衰減。 為研究激光熔化沉積工藝對超聲檢測中靈敏度的影響，將超聲增益設置為 20db，記錄 各樣塊在 X 方向的一次底面反射波強度相對于上表面回波強度百分比。經對比可發現，激 光功率對超聲檢測中靈敏度影響較大，激光功率和材料超聲靈敏度之間存在一定的線性關 系。因靈敏度對潛在缺陷的判定影響較大，在超聲檢測對比試塊材料應選擇與待檢產品具 有相同激光功率的材料。