A-100鋼電子束熔絲成形件超聲相控陣檢測(cè)應(yīng)用初探

韓立恒 ，鞏水利 ， 鎖紅波 ，馬兆光 ，王衛(wèi)兵

（1.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024;2. 高能束流加工技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；3.北京動(dòng)力機(jī)械研究所，北京 100074）

電子束熔絲成形是近年來迅速發(fā)展起來的增材制造技術(shù)之一，其采用逐線、逐層堆積的方式可近凈成形零件，成形速度快、工藝方法靈活、材料利用率高，是解決難加工材料成形及大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)制造的關(guān)鍵技術(shù)手段之一，在航空、航天、汽車、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具備極大的應(yīng)用潛力及需求。增材制造技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，而如何對(duì)增材制件進(jìn)行可靠的無損檢測(cè)是推進(jìn)增材制造技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵之一[1-3]。2010年以來，國(guó)內(nèi)外日益重視增材制件無損檢測(cè)技術(shù)研究，但國(guó)外的相關(guān)成果多集中在增材制件成形過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、高頻超聲無損評(píng)估及小型件CT檢測(cè)研究等方面，而國(guó)內(nèi)關(guān)于增材制件無損檢測(cè)技術(shù)研究尚處于起步[4-14]。隨著增材制件工程化應(yīng)用的需求，國(guó)內(nèi)外更加提高了對(duì)最終制件無損檢測(cè)技術(shù)研究的重視[15]，但目前均為基底性研究。

A-100鋼是廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架等關(guān)鍵受力件制造領(lǐng)域的一種新型高Co-Ni二次硬化超高強(qiáng)度鋼[16-19]。但由于A-100鋼難加工且多應(yīng)用于大型復(fù)雜構(gòu)件的特點(diǎn)，A-100鋼電子束熔絲成形制造在航空領(lǐng)域已成為繼鈦合金材料之后被大力研究的增材制造項(xiàng)目之一。本文介紹了超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在A-100鋼電子束熔絲成形制件缺陷檢測(cè)中的初步應(yīng)用研究，以期為增材制造最終件的無損檢測(cè)方法技術(shù)的建立提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法、原理、系統(tǒng)及對(duì)象

1.1 試驗(yàn)方法分析

增材制件與傳統(tǒng)材料有根本上的不同，一方面制件內(nèi)部有源自融化過程的熱殘余應(yīng)力，另一方面，增材制造件較傳統(tǒng)制件內(nèi)部更加易于出現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)缺陷，且缺陷的尺寸和位置尚不確定[20]。電子束熔絲成形增材制造技術(shù)采用逐線、逐層堆積的特殊成形工藝，成形過程經(jīng)歷了復(fù)雜的熱循環(huán)，同樣，其內(nèi)部微觀組織及缺陷特征較傳統(tǒng)制造工藝復(fù)雜的多。研究表明，A-100 鋼電子束熔絲成形件內(nèi)部常見的缺陷主要為氣孔和微裂紋缺陷，內(nèi)部組織呈明顯的層帶組織及典型的樹枝晶，樹枝晶貫徹層帶生長(zhǎng)，大部分區(qū)域的生長(zhǎng)方向幾乎沿堆積高度垂直生長(zhǎng)，小部分區(qū)域出現(xiàn)多方向的枝晶生長(zhǎng)，且在電子束熔絲制件低倍金相檢驗(yàn)結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)較為明顯的沿晶裂紋[3，21]。這與傳統(tǒng)的鍛造等工藝制件明顯不同，如A-100鋼鍛件是擠壓成型且最終經(jīng)過模鍛工序鍛造而成，其內(nèi)部可能存在夾雜、裂紋、分層、折疊、白點(diǎn)等鍛造缺陷，缺陷的取向一般與鍛造方向垂直，與金屬流線平行，且內(nèi)部組織較細(xì)，內(nèi)部缺陷主要采用超聲波檢測(cè)方法，超聲的衰減小，可探測(cè)性好，超聲波檢測(cè)時(shí)應(yīng)盡可能使聲束方向與鍛造流線方向垂直，常用的超聲檢測(cè)技術(shù)有縱波直入射檢測(cè)、縱波斜入射檢測(cè)、橫波檢測(cè)，對(duì)于外形復(fù)雜件，為發(fā)現(xiàn)不同取向的缺陷，需同時(shí)采用縱波和橫波檢測(cè)[22-23]。

A-100鋼電子束熔絲成形制件以大厚度制件為預(yù)期應(yīng)用目標(biāo)，其最終制件超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用意義重大。超聲波檢測(cè)技術(shù)是利用聲波在通過材料時(shí)能量會(huì)有損失，在遇到異質(zhì)界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射等，由聲波的反射、散射和透射情況，了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化并進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種無損檢測(cè)技術(shù)[24]。超聲檢測(cè)技術(shù)以脈沖回波式超聲檢測(cè)儀的出現(xiàn)而被廣泛應(yīng)用，隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)檢測(cè)效率和可靠性的要求的不斷提高，超聲檢測(cè)經(jīng)歷了模擬、數(shù)字化和多通道信號(hào)處理的階段后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，以包括B掃描、C掃描、P掃描、F掃描、ALOK、TOFD、全息超聲、超聲顯微鏡及相控陣超聲成像檢測(cè)技術(shù)成為近幾十年來發(fā)展的新熱點(diǎn)[23，25]。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有聲束角度可控和可動(dòng)態(tài)聚焦兩大特性[26]，在A-100鋼電子束熔絲成形內(nèi)部缺陷分布特征未知以及預(yù)期應(yīng)用的大厚度制件目標(biāo)方面具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)性。

1.2 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)原理

超聲相控陣檢測(cè)的基本原理是通過控制陣列換能器中各陣元激勵(lì)（或接收）脈沖的時(shí)間延遲，改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達(dá)（或來自）物體內(nèi)部某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，從而完成相控波束合成，形成成像掃描線的技術(shù)。相對(duì)于常規(guī)探頭由于聲束擴(kuò)散且單向、移動(dòng)范圍有限和聲束角度有限，對(duì)裂紋走向和聲束方向夾角較小的裂紋或遠(yuǎn)離聲束軸線位置的裂紋漏檢率高的局限，相控陣陣列多晶探頭聲束聚焦且可偏轉(zhuǎn)，有更高的檢測(cè)可靠性和檢測(cè)效率，如圖1所示（F、β、Φ分別代表不同聚焦法則下聲束的焦距、角度及焦點(diǎn)尺寸參數(shù)）[26]。

圖1 相控陣超聲檢測(cè)原理及優(yōu)勢(shì)Fig.1 Ultrasonic phased array inspection principle and advantages

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)及對(duì)象

試驗(yàn)采用32/64相控陣水浸六軸自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)（圖2），以5MHz一維線陣列探頭進(jìn)行小厚度件掃查，10MHz等菲涅耳面環(huán)型陣列探頭進(jìn)行大厚度件掃查試驗(yàn)。試驗(yàn)以同規(guī)格及表面狀態(tài)A-100鋼鍛件及電子束熔絲成形制件為檢測(cè)對(duì)象，見表1。按 GB/T 23905-2009標(biāo)準(zhǔn)加工A-100鋼鍛件長(zhǎng)橫孔型對(duì)比試塊，含橫孔φ0.8mm×6 mm，埋深分別為 2mm、5mm、8mm、12mm，15mm，22mm，試塊總厚度25mm。試驗(yàn)參數(shù)均為在對(duì)比試塊獲得清晰顯示基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整。

圖2 相控陣檢測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Phased array ultrasonic testing equipment

表1 檢測(cè)對(duì)象規(guī)格及表面狀態(tài)

2 試驗(yàn)及分析

當(dāng)超聲波垂直于缺陷表面時(shí)，可以獲得最高的缺陷回波。但A-100 鋼電子束熔絲成形件內(nèi)部微裂紋缺陷的分布特征尚不明確，且內(nèi)部明顯層帶組織不均性及典型的樹枝晶也可能對(duì)超聲波檢測(cè)產(chǎn)生衰減、散射等不良影響。層帶組織及樹枝晶結(jié)構(gòu)與成形路徑密切相關(guān)。本文以圖3（b）所示常用的多道多層成形路徑（S為走絲路徑，Z為層帶增向）制件為試驗(yàn)對(duì)象，分別初步展開了多角度扇形掃查和動(dòng)態(tài)深度聚焦掃查試驗(yàn)。

圖3 電子束熔絲成形增材制造原理和檢測(cè)試樣成形路徑Fig.3 Manufacturing principle and additive path of EBWD A-100 steel specimen

2.1 X射線檢測(cè)

內(nèi)部質(zhì)量的初步直觀無損評(píng)估，有利于為超聲檢測(cè)工藝研究提供參考和對(duì)比。按GJB1187A-2005標(biāo)準(zhǔn)B及照相技術(shù)對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行X射線檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

由X射線檢測(cè)結(jié)果：底片上像質(zhì)計(jì)影像可清晰識(shí)別15#絲（絲徑d=0.125mm），高于GJB1187A-2005標(biāo)準(zhǔn)B級(jí)要求的14#絲（絲徑d=0.16mm），即射線檢測(cè)結(jié)果具備良好的檢測(cè)靈敏度；電子束熔絲成形制件與鍛件未發(fā)現(xiàn)明顯的密度差異，電子束熔絲成形件內(nèi)發(fā)現(xiàn)一處約0.3mm的氣孔缺陷，未見其他缺陷，鍛件內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.2 超聲相控陣一維線陣列探頭多角度扇形掃查

圖4 A-100鋼檢測(cè)對(duì)象X射線檢測(cè)結(jié)果（鍛件及電子束熔絲成形件）Fig.4 X-ray inspection results of A-100 steel specimens（forging and EBWD）

扇形掃查（即S掃查）是相控陣設(shè)備特有的功能，是使用固定孔徑，在序列變換的不同角度下，以電子方式偏轉(zhuǎn)聲束。該掃查主要有兩種形式，一是使用零度界面楔塊，以電子方式在不同角度上偏轉(zhuǎn)縱波，生成一個(gè)扇形圖像，以顯示分層缺陷和稍微偏斜的缺陷，二是使用塑料楔塊增加入射聲束的角度，以生成橫波，常用的折射角度范圍在30°～70°之間，這與常規(guī)角度聲束檢測(cè)相似，不同的是聲束以一系列不同的角度掃射。

當(dāng)從垂直于走絲方向的檢測(cè)面（即圖3（b）中的ABCD面）分別以超聲入射方向垂直投影平行于和垂直于逐層增長(zhǎng)的高度方向（Z向）進(jìn)行掃查試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沿Z方向檢測(cè)時(shí)，以0°～10°時(shí)可獲得較清晰的缺陷信號(hào)，如圖5（d）所示缺陷D1和D2，-5°～-30°時(shí)缺陷信號(hào)逐步變?nèi)?，直至無法識(shí)別，且同一缺陷信號(hào)在不同角度時(shí)清晰度不同，如缺陷D2在0°時(shí)最清晰，其他角度信號(hào)逐步減弱；當(dāng)聲束角度在10°之外時(shí)，制件內(nèi)部的條帶狀略有顯現(xiàn)，參見圖5（a）～（h）；沿垂直于Z向的方向檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)信號(hào)雜亂，無法識(shí)別缺陷信號(hào)，這可能與樹枝晶晶界的散射有一定關(guān)系，還需要更進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。對(duì)同一平面進(jìn)行環(huán)陣列動(dòng)態(tài)深度聚焦掃查后，僅發(fā)現(xiàn)缺陷D2。

2.3 環(huán)形陣列動(dòng)態(tài)深度聚焦掃查

動(dòng)態(tài)深度聚焦掃查使用單個(gè)脈沖聚焦脈沖發(fā)射聲波，接收回波時(shí)對(duì)不同深度重新聚焦，實(shí)現(xiàn)沿聲束軸線對(duì)不同聚焦深度進(jìn)行掃查。動(dòng)態(tài)深度聚焦可明顯提高檢測(cè)范圍和信噪比[25]。從檢測(cè)對(duì)象的大厚度面（即圖3（b）中的ABFE面）進(jìn)行動(dòng)態(tài)深度聚焦掃查，未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷信號(hào)，但從對(duì)比試塊的檢測(cè)結(jié)果可以看出，參見圖6（a）～（f），環(huán)陣列動(dòng)態(tài)深度聚焦掃查在大厚度制件的高靈敏度快速檢測(cè)中有明顯的優(yōu)勢(shì)。從檢測(cè)對(duì)象的掃查結(jié)果可見，參見圖7，掃查清晰發(fā)現(xiàn)了用于邊界保護(hù)的對(duì)比試塊中的橫孔缺陷。

2.4 典型缺陷特征分析

超聲成像檢測(cè)技術(shù)的結(jié)果雖然呈現(xiàn)一定的直觀性，但對(duì)于缺陷進(jìn)行精確的定性、定量仍需要進(jìn)行深入的研究。試驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)圖5（d）中的兩處明顯缺陷信號(hào)進(jìn)行金相解剖檢測(cè)，觀測(cè)面分別取垂直逐層生長(zhǎng)方向（圖8（a））和平行逐層生長(zhǎng)方向（圖8（b）），圖中帶三角形標(biāo)記的邊為檢測(cè)面?zhèn)?。金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)兩處缺陷均為微裂紋缺陷，且裂紋與平行于逐層生長(zhǎng)方向的端面呈現(xiàn)小傾角或近似平行的斷續(xù)拐彎狀分布，這也與相控陣檢測(cè)在0～10°小角度掃查時(shí)獲得清晰顯示相對(duì)應(yīng)。

圖5 制件一維線陣列扇形掃查檢測(cè)結(jié)果Fig.5 A-100 steel inspection results of 1-D linear array probe sector scan

圖6 對(duì)比試塊環(huán)陣列探頭動(dòng)態(tài)深度聚焦檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Reference block inspection results of DDF Fresnel annular array probe

圖7 制件環(huán)陣列動(dòng)態(tài)深度表面聚焦C顯示（ABFE面）Fig.7 A-100 steel DDF inspection results by Fresnel annular array probe （ABFE face）

圖8 A-100鋼電子束熔絲成形檢測(cè)樣件裂紋缺陷金相圖片F(xiàn)ig.8 Micro-image of Cracks in EBWD A-100 steel specimen

3 結(jié)論

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在A-100鋼電子束熔絲成形件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)具有較好的識(shí)別能力和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但與成形路徑等因素直接相關(guān)的微觀組織對(duì)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用有較大影響，不同成形路徑制件超聲檢測(cè)工藝技術(shù)的建立還需要深入的、有針對(duì)性的試驗(yàn)研究。本研究初步得出如下結(jié)論：

（1）超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)A-100鋼電子束熔絲成形件內(nèi)部微裂紋缺陷有較好的應(yīng)用效果，能夠識(shí)別X射線檢測(cè)無法識(shí)別的微裂紋缺陷，且其動(dòng)態(tài)深度聚焦掃查功能在大厚度制件的檢測(cè)上有明顯的效果。

（2）超聲波入射方向和角度對(duì)A-100鋼電子束熔絲成形制件內(nèi)部的微小裂紋缺陷的識(shí)別很關(guān)鍵。成形路徑相關(guān)的微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波入射方向和角度的選擇有較大的影響。

（3）超聲相控陣檢測(cè)雖然較射線檢測(cè)對(duì)A-100鋼快速成形制件內(nèi)部的微裂紋缺陷有較好的識(shí)別能力，但內(nèi)部組織的不均勻性，使得檢測(cè)信號(hào)較為復(fù)雜，對(duì)A-100鋼電子束熔絲成形制件內(nèi)部微小裂紋缺陷的無損檢測(cè)技術(shù)還需要更加深入的研究。

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