金屬增材制造缺陷檢測技術

郭政亞，熊振華

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

增材制造是與減材制造相反、根據三維模型數據通過添加材料制造實體的過程，通常分層進行.按成型工藝不同，金屬增材制造可大致分為5類，包括層壓(SL)、材料噴射成型(MJ)、粘接劑噴射成型(BJ)、粉末床熔化(PBF)和直接能量沉積(DED)[1].其中PBF及DED是常用工藝類型.

PBF通過選擇性地熔化粉末床每一層特定范圍內的材料制造零件；DED則利用金屬粉末或金屬絲在工件表面熔融固化成型.兩種工藝均需逐層對零件進行制造，但可使用不同形式熱源如激光、電子束等.與材料噴射成型相比，PBF及DED受原材料熔點限制較小，可將高熔點金屬如不銹鋼、鈦合金等作為原材料；與粘接劑噴射成型相比，PBF及DED工藝制造的零件后處理過程相對簡單，不需要浸透等復雜工藝[2]；由于層壓工藝在層間較難形成冶金結合，因此與PBF及DED相比，零件在材料沉積方向上強度略顯不足.本文內容主要針對PBF及DED，后文中金屬增材制造均指這兩種工藝.

PBF及DED在制造過程中能量輸入集中，材料反應過程劇烈且熔池行為復雜，工件溫度場難以控制，不確定性較大.諸多因素共同作用使零件中不可避免地出現各種類型缺陷，嚴重危害零件性能，加大了后處理難度，增加制造時間及成本.金屬增材制造零件質量和一致性被認為是該技術的Achilles' Heel[3].針對這一問題,本文簡要梳理金屬增材制造中的常見缺陷及其成因，并對近期增材制造缺陷檢測領域具有代表性的研究工作進行綜述，旨在為發(fā)展更高效的檢測技術提供有益的參考，并期望揭示該技術未來可能的發(fā)展趨勢.

1 常見缺陷類型及成因

1.1 表面缺陷

表面缺陷包括零件表面粗糙度差、表面氧化、球化、表面裂紋等.金屬增材制造熔池中的液態(tài)金屬受溫度梯度、表面張力等因素影響運動復雜，凝固后所獲表面質量一般較差.較差的表面粗糙度也和分層堆積這一工藝原理相關.通常為獲得具有較優(yōu)表面質量的零件應選擇較小的層厚，同時需適當選擇零件側面與沉積方向的夾角[4].適當降低層厚也有利于提高零件精度.但層厚選擇過小會嚴重降低材料沉積效率，增加制造時間，因此該參數往往是零件質量與制造時間相互平衡的結果.此外，制造過程中可能會出現金屬材料的飛濺，進一步惡化零件表面粗糙度.

氧化是溫度較高的金屬材料與周圍氧元素發(fā)生化學反應形成的缺陷.為防止氧化發(fā)生，金屬增材制造過程中通常需施加保護氣體，隔絕氧氣.某些特殊工藝如電子束選區(qū)熔化則需在真空環(huán)境中進行.真空環(huán)境可減少氧化現象，但環(huán)境壓力過低會導致材料飛濺嚴重[5].金屬增材制造過程中，熔池中的液態(tài)金屬在表面張力作用下有收縮趨勢，因此零件表面可能會出現球化現象[6].圖1為PBF工藝下高溫鎳基合金在脈沖激光能量0.5 J、頻率40 Hz，掃描速度100 mm/min時獲得的材料沉積圖像，從圖中可明顯看出球化現象.當掃描速度過高時，熔池將被拉長，在一定條件下會發(fā)生不穩(wěn)定分裂，加劇球化缺陷產生[7-8].球化缺陷將惡化零件表面粗糙度，影響零件幾何精度的同時也將影響下一層材料的沉積，極易造成零件內部材料不連續(xù)，危害零件力學性能.

1.2 內部缺陷

金屬增材制造零件典型內部缺陷按尺度不同可分為宏觀缺陷及微觀缺陷.本文將肉眼可見的缺陷視為宏觀缺陷，反之則視為微觀缺陷.常見宏觀缺陷包括裂紋、未熔合、夾雜及冷隔缺陷；其它缺陷大都為微觀缺陷，包括孔洞缺陷(通常指氣孔)以及和材料組織相聯系的定向生長、溶質偏析及合金元素缺失等[10-14].需要說明的是，裂紋、未熔合及夾雜缺陷尺寸分布范圍較大，有可能出現肉眼不可見的情形，某些情況下亦可成為微觀缺陷.

圖1 零件表面球化現象顯微圖[9]

1.2.1 宏觀缺陷

采用金屬增材制造技術獲得的材料通常不具備較優(yōu)的塑性和韌性，這一特點使得零件較易出現裂紋缺陷.內應力是制造過程中裂紋萌生的主要原因.金屬增材制造過程中材料溫度變化迅速，快速熔化和凝固過程使零件中出現較大的溫度梯度，同時變形受到周圍材料約束，因此零件中產生了較大的內應力.內應力達到一定值時即會造成裂紋萌生，使零件中出現微裂紋.部分微裂紋在后續(xù)制造過程中會進一步擴展，形成宏觀裂紋.裂紋擴展到一定程度甚至會造成零件整體開裂[15].合理設計零件幾何外形、選擇較優(yōu)的工藝參數及適當的預熱處理可在一定程度上減少內應力，這對減少零件中的裂紋缺陷具有重要意義.

未熔合缺陷指金屬增材制造過程中層間與道間金屬未完全熔化并結合而形成的缺陷.未熔合缺陷一般尺寸較大，形狀不規(guī)則.若原材料為金屬粉末，則缺陷中可能伴隨存在未熔化的粉末顆粒.圖2展示了低碳鋼在電弧沉積工藝中出現的未熔合缺陷.未熔合缺陷其直接影響零件的層間結合力，使零件更易發(fā)生破壞，同時這類缺陷的邊緣往往較為尖銳，易造成應力集中現象，尖端處常受后續(xù)制造過程中的熱循環(huán)影響而誘發(fā)裂紋[16]，降低零件疲勞壽命.未熔合缺陷難以通過熱等靜壓技術予以去除，因此制造中應盡量避免此類缺陷.未熔合缺陷的主要成因包括熱源功率過低、掃描速度過快、材料供給量過大、離焦量異常及掃描間距選擇過大等.

夾雜缺陷指零件中夾雜了與基體材料成分不同的其他金屬如W、Mo、Nb、Ta等；或指基體中包含與周圍組織有所區(qū)別的碳化物或氧化物組織.前者形態(tài)可為顆粒狀及塊狀，肉眼下可表現為比基體材料更亮的組織[14]；后者形態(tài)則一般為月牙形，常為包含未融粉末顆粒及氧化物的黑白相交的組織[18].兩種夾雜缺陷的顯微圖示例分別如圖3(a)、(b)所示.夾雜缺陷會使分布在其周圍的基體材料的成分及組織發(fā)生變化，在外加應力場作用下，微孔及裂紋更易在夾雜物與基體材料交界處形核，進而影響零件疲勞壽命.這類缺陷一般產生于受污染的金屬原材料.制造工藝參數如熱源能量密度、保護氣體流速等選擇不合理也會導致其發(fā)生[18].

圖2 未熔合缺陷顯微圖像[17]

圖3 夾雜缺陷顯微圖像

冷隔缺陷表現為金屬增材制造零件中不規(guī)則的缺肉形態(tài)，屬于材料的體缺陷類型.冷隔缺陷尺寸一般較大，大部分區(qū)域具有光滑表面，部分區(qū)域表面不平整[13].冷隔缺陷形成的根本原因為零件成型過程中補縮無法充分進行.若局部區(qū)域內存在小尺寸氧化物顆粒則熔池液體的流動匯合會受到進一步阻礙，增加冷隔缺陷出現的可能.增材制造過程中冷隔缺陷形成的直接原因可能為熱源功率不足或打印參數設置不合理，致使液態(tài)金屬流動性不足；或原材料受到污染使液態(tài)金屬難以匯合.冷隔缺陷同樣會引起應力集中現象，促使裂紋萌生，進而影響零件疲勞性能.

1.2.2 微觀缺陷

孔洞缺陷是最常見的微觀缺陷之一，其形態(tài)主要為球型或橢球型，尺寸一般<100 μm[11]，有時尺寸<40 μm的微小孔洞在整個零件內均有分布[20].圖4展示了通過電子束選區(qū)熔化工藝獲得的Ti-6Al-4V零件中出現的孔洞顯微圖像.孔洞缺陷的主要成因是金屬增材制造過程中材料冷卻速率較大，液態(tài)金屬中的各類氣體無法及時從熔池中溢出.這些氣體滯留在零件內被固體金屬包圍形成孔洞.氣體主要來源包括：1)原材料含有水分，金屬熔化時這些水分產生大量氣體并進入熔池；2)原材料本身中空并包裹少量氣體，這些氣體隨原材料被運輸到熔池中；或保護氣體進入熔池，進而形成孔洞；3)熱源功率過高或掃描速度過慢導致低熔點合金元素蒸發(fā)形成氣孔.此外當熱源功率過高時，在金屬蒸發(fā)形成的反沖力作用下熔池表面會形成較深的凹陷，增加孔洞出現的可能[21-22].零件中的部分孔洞缺陷可通過熱等靜壓處理予以消除，但隨后進行的某些熱處理又會使孔洞重新長大[23].孔洞缺陷對材料的拉伸性能有不良影響，但由于尺寸較小，且形狀相對規(guī)則，因此對零件疲勞強度影響相對較小[11,24].

圖4 孔洞缺陷顯微圖像[25]

金屬增材制造過程涉及材料的快速熔化及凝固，因此一般獲得非平衡態(tài)組織較高的冷卻速率可在一定程度上細化晶粒，提高屈服強度，但材料塑性及韌性低于鍛件，零件發(fā)生脆斷的可能性更大[26].由于零件不同部位的熱過程不同，材料微觀組織也有所差異[27].此外受工藝特點影響，增材制造零件層間及道間材料組織可能會呈現周期變化的現象[27]，力學性能也可能會呈現出各向異性[28].

合金材料零件在增材制造過程中，由于熔池溫度較高，金屬會產生一定程度蒸發(fā).但不同元素金屬熔點不同，導致蒸發(fā)掉的金屬成分與合金成分有所差異，進而導致整個零件的合金成分出現偏差，這類缺陷稱為合金元素缺失[29].合金元素含量變化將對材料微觀結構、力學性能及抗腐蝕性能等造成影響.此外，金屬增材制造零件中出現定向生長、溶質偏析等缺陷的可能性也相對較高，這些均可視為作材料組織形態(tài)方面的缺陷.

2 缺陷檢測技術

為保證增材制造零件質量，需對缺陷進行檢測并將其控制在容許范圍內.由于表面缺陷可通過適當的表面處理及切削加工予以去除，因此內部缺陷的檢測與評估顯得更加重要.金屬增材制造中常用的檢測方法如圖5所示，可分為制造時的在線檢測和制造后的無損檢測.制造過程中及時發(fā)現缺陷有助于調整制造過程并采取一定措施(如重熔)去除已有缺陷；或直接停止制造以減少材料及時間損失.故與事后檢測相比，高效的在線檢測對于提高增材制造的技術水平具有更大意義.對于在線檢測，公開發(fā)表的文獻中常用的方法可分為兩類，包括：1)監(jiān)測增材制造過程，利用過程特征量監(jiān)測缺陷可能產生的條件，進而間接反映缺陷和制造過程的穩(wěn)定性；2)將無損檢測技術應用到增材制造過程中，在制造過程中直接檢測已有缺陷.

圖5 金屬增材制造缺陷檢測常用方法

2.1 事后無損檢測技術

金屬增材制造技術的特殊性對無損檢測技術提出了以下要求：低成本、檢測迅速、能適應復雜幾何結構及較差表面質量、可檢測多類缺陷[30].目前工業(yè)領域應用較多的無損檢測方法包括：視覺、液體滲透、超聲、電渦流、放射性成像、金屬磁記憶及永磁擾動檢測等.研究中也常采用阿基米德排水法對零件致密度進行測量，通過致密度定量表征缺陷[31].進行事后檢測優(yōu)勢在于檢測結果反映的是零件最終質量，這有利于確保零件在使用過程中的可靠性.事后檢測也可用于建立工藝條件與零件質量之間的相互聯系，如Cunningham等[23]采用基于同步加速器的X光顯微斷層掃描技術(μSXCT)研究了粉末及后處理工藝對孔洞缺陷的影響.但事后無損檢測不具備實時性，因此檢測結果無法指導制造過程的實時調整和缺陷的及時去除，進而對零件質量及成品率的提高作用有限.

2.2 在線檢測技術

2.2.1 特征量監(jiān)測

對增材制造過程進行實時監(jiān)測有助于及時發(fā)現過程中的不穩(wěn)定現象并適當調整相應參數.對制造過程的監(jiān)測可通過檢測過程特征量進行[32].這些特征量一般能夠集中反映材料行為及各類不穩(wěn)定現象，而不穩(wěn)定現象通常是缺陷產生的先決條件，因此對缺陷的產生有一定預測作用.這類方法一般具有較好的實時性，便于實現增材制造過程的閉環(huán)控制.目前最常用的特征量是與熔池相聯系的參數如熔池尺寸、溫度、光譜等.此外熔池附近等離子體的相關信息也常有涉及.過程監(jiān)測系統一般可分為兩類：同軸監(jiān)測系統及離軸監(jiān)測系統，通常同軸監(jiān)測所需的采樣頻率較高[33].

Berumen等[34]利用高速相機檢測熔池尺寸，利用光電二極管檢測熔池的平均輻射，建立了一套用于激光粉末床熔化工藝的同軸監(jiān)測系統，系統原理示意圖如圖6所示.研究結果表明，采用此系統可有效監(jiān)測制造過程中熔池出現的偏差信息，測量結果可作為反饋量對制造過程進行控制.Clijsters等[35]利用類似系統對熔池參數進行了檢測.其通過試驗確定了熔池參數置信度為95%的置信區(qū)間，并將參數落在置信區(qū)間外的區(qū)域作為過熱現象存在的區(qū)域對制造質量進行判斷.研究結果證明孔洞缺陷在零件邊緣處具有較高的出現頻率，這與Choo等[36]的研究結果一致.造成這一現象可能的原因是邊緣處激光經歷了減速再加速的過程，致使該處材料受到激光照射的時間過長，進而導致缺陷的產生.Craeghs等[37]采用該方法研究了掃描路徑周圍環(huán)境、懸臂結構及銳角結構對熔池尺寸及制造過程的影響.結果證明在邊緣、懸臂結構及銳角處熔池尺寸有所增大并對零件質量造成一定危害.

圖6 熔池同軸監(jiān)測系統[34]

楊柳杉[38]利用CCD傳感器建立了用于監(jiān)測激光熔覆熔池的視覺檢測系統.其從圖像中提取熔池各類參數，如幾何形狀、灰度分布等，進而根據熔池狀態(tài)對制造狀態(tài)進行判斷.陳殿炳[39]則借助CMOS傳感器構建了基于視覺的熔池檢測系統.其主要研究了不同粉末材料下熔池特征、零件質量與工藝參數變化之間的關系和規(guī)律.Stockman等[40]通過雙色高溫計對熔池進行監(jiān)測，通過算法從輸出信號中提取出熔池的特征信息，包括熔池位置偏移量、熔池外接矩形長寬比、最高溫度、加熱及冷卻速率等，通過異常數據對可能的缺陷進行識別.xCT驗證結果表明該方法可檢測出部分直徑超過40 μm的孔洞缺陷，但仍存在漏檢情況.Tan等[41]建立了熔池表面溫度理論模型并利用紅外測溫儀對實際熔池溫度進行了測量.結果表明理論模型與實際測量結果能較好吻合，熔池溫度可用于實時反饋控制，提高零件質量.

金屬增材制造過程中，熔池上方會形成等離子體，使得熔池上方氣體壓力發(fā)生改變，進而對附近聲信號造成影響.同時等離子體會影響材料對激光的吸收，通常等離子體密度劇烈波動與熔池中金屬液體濺射及過熱引起的缺陷聯系密切.利用熔池附近等離子體的相關信息可對缺陷進行預測.基于這一原理，Ye等[42]采用麥克風對熔池附近聲信號進行采集，并利用深度信念網絡判斷缺陷是否出現.該方法只用于判斷與球化及過熱相聯系的缺陷.Chen等[43]則通過檢測等離子體的光譜對制造質量進行監(jiān)測.其研究了光譜強度與過程參數之間的關系，并利用特定波長光的相對強度判斷制造質量.

對過程特征量進行監(jiān)測可在一定程度上預測零件缺陷，且便于實現實時反饋及閉環(huán)控制，穩(wěn)定制造過程.但受熱應力等因素影響，缺陷極有可能在材料冷卻過程中產生[44].目前金屬增材制造基本過程，尤其是材料組織演化過程及缺陷生成機制尚未被完全揭露，過程特征量與缺陷間并不存在確定的一一映射，因此僅利用過程監(jiān)測即對零件缺陷做出判斷難以令人完全信服.須利用能直接反映缺陷信息的檢測技術在過程中對工件上的已有缺陷進行檢測，與特征量監(jiān)測相互補充，盡可能提高缺陷的在線檢測精度.

2.2.2 在線無損檢測

金屬增材制造材料逐層疊加的特點給實施在線無損檢測提供了可能.采用合適的檢測方法在過程中對工件質量進行評估有助于盡早發(fā)現缺陷，避免不必要的損失.目前在線無損檢測的主要思路是將無損檢測應用到打印過程中，對每一層或每幾層材料沉積完成后的工件進行檢測，通過逐層打印、分層檢測的方式保證零件質量.與通過特征量間接反映缺陷不同，在線無損檢測技術一般需進行相應的輸入，利用輸入與缺陷間的相互作用直接反映缺陷信息.常用的在線無損檢測技術包括在線的超聲檢測、電渦流檢測、基于溫度場的檢測及視覺檢測等.

超聲波在被測零件中的傳播會受缺陷影響，因而可反映零件中的缺陷信息，該方法主要用于檢測裂紋、未熔合等體缺陷.傳統的超聲檢測需通過耦合劑將能量輸入到工件中，受零件溫度等因素制約，該技術在增材制造缺陷實時檢測方面的應用受到一定限制.Lopez等[17]采用超聲方法從基板外側對零件中的缺陷進行了檢測，檢測結果與X光及液體滲透檢測能夠較好的吻合.Rieder等[45]利用超聲傳感器從基板外側對增材制造的動態(tài)過程進行了監(jiān)測，但未能通過響應信號推斷出零件中的缺陷信息.

除傳統的超聲檢測方法外，多位學者對激光超聲檢測方法進行了研究.當激光照射到零件表面時，部分能量以熱能的形式傳遞到零件上.熱彈效應或熱蝕效應使零件局部區(qū)域產生應力場及應變場，進而在零件表面及內部產生應力波[46].由于熱蝕效應會對零件表面造成一定的損傷，因此檢測大多在熱彈效應范圍內實現.Millon等[47]對裂紋缺陷的激光超聲檢測方法進行了研究.其利用脈沖激光(脈沖時間7ns)在零件中產生超聲波，利用探測激光(干涉儀)檢測工件表面波，通過B掃描(B-scans)的方式檢測零件表面缺陷.通過DED工藝獲得的316L不銹鋼帶缺陷試件激光超聲檢測結果如圖7所示，從圖中可明顯看出缺陷位置.研究結果證明，通過激光超聲檢測手段可檢測出深度分別為0.5 mm及0.1 mm、寬度為0.05 mm的缺陷.

Everton等[48]嘗試在不對零件表面進行處理的條件下利用激光超聲對不規(guī)則缺陷進行檢測，試驗發(fā)現干擾噪聲較大，難以準確判斷缺陷.Cerniglia等[49]利用激光超聲方法檢測零件中的亞表面缺陷，并建立了熱彈性有限元模型.研究表明測量結果與有限元仿真能較好吻合，該方法可檢測微小亞表面缺陷.激光超聲方法在缺陷實時檢測方面潛力較大，但上述研究均尚處于原理驗證階段，未能真正實現在線檢測，且大都需要對工件表面進行處理，以消除表面粗糙度的影響.與上述熱彈效應范圍內進行的檢測不同，Levesque等[50]在熱蝕效應范圍內從基板外側進行激光超聲檢測試驗，通過合成孔徑聚焦技術對檢測信號進行處理，并利用X光檢測技術進行驗證.結果證明該方法可檢測出零件中的部分孔洞及未熔合等缺陷.

圖7 不同深度缺陷激光超聲B掃描結果[47]

電渦流檢測是基于電磁感應原理實施的檢測方法.電渦流檢測技術可在惡劣環(huán)境下使用，滿足了增材制造對在線檢測提出的部分要求，適用于檢測裂紋，未熔合等缺陷.Du等[51]研究了增減材復合加工零件缺陷的電渦流檢測技術.其基本思路是在每層材料沉積完成后對平面進行銑削加工，去除表面粗糙度的干擾后采用電渦流方法對這一層進行檢測.為驗證這一原理，其基于ANSYS建立了相應有限元模型，研究了激勵頻率、溫度、提離高度等因素對檢測結果的影響.通過試驗對缺陷進行了檢測，并利用X光檢測技術對測量結果進行了驗證.采用直接激光沉積工藝獲得的Ti-6Al-4V帶未熔合缺陷試樣檢測結果如圖8所示，由圖8可知通過該方法可有效對零件中的缺陷進行檢測.Wang等[52]在此基礎上研究了電渦流檢測的邊緣效應.其在工件邊緣鉆孔模擬邊緣亞表面缺陷，并利用電渦流傳感器以不同掃描路徑對試樣進行掃描.分析檢測結果發(fā)現，選擇合適掃描路徑可在一定程度上克服邊緣效應的影響.這一研究有利于擴展電渦流方法在復雜結構零件質量檢測方面的應用.

Todorov等[53]采用陣列電渦流傳感器在每層材料沉積完成后對工件進行檢測，并實現了成像功能.檢測圖像在探頭掃描方向上的分辨率為0.1 mm，在線圈陣列方向上的分辨率受線圈尺寸及排布方式影響，為0.826 mm.其檢測了不同方向上的未熔合缺陷，并通過X光檢測對結果進行了驗證.研究表明，該技術可成功檢測不同方向上的未熔合缺陷.

圖8 電渦流檢測試驗結果[51]

雖然電渦流檢測技術可在高溫等惡劣環(huán)境下使用，但由于溫度對材料電磁性能影響較大，而增材制造零件往往具有復雜溫度場，因此要通過電渦流準確檢測零件缺陷仍相對困難.此外，與激光超聲檢測類似，電渦流檢測對零件表面質量有一定要求.這些特點給該技術的在線使用帶來了挑戰(zhàn).設計合理探頭形式，發(fā)展相應信號處理方法以克服溫度及表面粗糙度對檢測結果的干擾是目前亟需進行的工作.

缺陷會影響零件中的熱傳導，進而對零件中的溫度場造成影響.利用一定方式將熱量輸入零件后通過各類傳感器對檢測零件溫度場即可獲得缺陷信息.熱量可直接來源于增材制造過程中的熱源，也可在材料沉積完成后通過激光及電渦流等方式輸入.這類方法可檢測的缺陷類型與電渦流方法大致相同.Montinaro等[54]利用熱成像儀對缺陷進行檢測.其利用移動激光作為熱源加熱工件，利用紅外測溫儀對溫度進行測量，以感興趣區(qū)域(ROI)內的平均溫度及溫度標準差作為指標，實現缺陷檢測.為驗證方法有效性，其建立了有限元模型并進行了試驗.Inconel600單道熔覆帶缺陷試樣激光熱成像法ROI內平均溫度隨位置變化的仿真及實測結果如圖9所示.圖中結果表明利用該方法可對測缺陷進行有效檢測；仿真與試驗結果的差異可通過試樣熱初始條件不同解釋.

圖9 激光熱成像法仿真及試驗結果[54]

Fig.9 Simulation and test results of laser thermography method[54]

基于缺陷處零件表面溫度異常升高這一現象，Xie等[55]采用雙色高溫計檢測零件溫度場，研究了缺陷大小與溫度場之間的定量關系.試驗結果顯示該方法可檢測寬度37.2 μm的裂紋缺陷及直徑88.6 μm的孔洞缺陷.Schwerdtfeger等[56]則在電子束選區(qū)熔化工藝中對每一層進行紅外攝影，利用輻射強度判斷缺陷的位置，并通過研磨獲得零件實際截面驗證檢測結果，試驗證明紅外圖像與零件中的實際缺陷有較好的對應關系，缺陷處輻射強度更高.Bartlett等[16]利用長波紅外相機對制造中的每一層進行拍攝，將溫度與層間平均溫度相差超過1%的區(qū)域視作缺陷區(qū)，在制造過程中對缺陷進行實時檢測.試驗表明該方法能夠檢測出零件中82%的未熔合缺陷，且可檢測所有尺寸超過500 μm的未熔合缺陷，但微小孔洞缺陷檢出率僅為33%.針對DED工藝，Barua等[57]用單反取代紅外相機，通過標定照片中的RGB值來表征零件表面溫度，利用視覺系統對檢測零件缺陷.

除上述研究外，許多學者對其它在線無損檢測原理進行了探索.Abdelrahman等[58]在5種不同光照條件下對PBF工藝中的每一層進行拍照并借助圖像處理技術選出圖片中的ROI.通過計算其中的相關參數并對比相鄰兩層的圖片判斷可能存在的缺陷并采用CT驗證檢測結果.試驗證明該方法可在一定程度上判斷缺陷的存在，但精度較差，且僅可判斷貫穿多層的宏觀體缺陷.Yao等[59]利用多重分形理論對缺陷圖像進行了研究，探究了不同缺陷圖像的特征.Grasso等[60]則利用CMOS傳感器對制造過程進行拍攝并采用統計學方法對所獲圖像進行處理以檢測過熱引起的缺陷.

3 結 論

金屬增材制造過程中產生的各類缺陷嚴重影響零件性能及可靠性，阻礙增材制造在關鍵領域的應用.研究缺陷及其檢測技術對于提高金屬增材制造技術水平具有重要意義，具體結論如下：

1)金屬增材制造過程特殊，缺陷難以避免，且種類繁多、尺寸及分布復雜，這給檢測帶來了挑戰(zhàn).為準確檢測缺陷，需進一步研究材料組織演化過程及缺陷生成機制，加深對缺陷的認識.

2)監(jiān)測過程特征量對缺陷的產生有一定預測作用，且實時性較好，便于實現閉環(huán)控制.但由于缺陷與過程特征量間不存在確定的一一映射，因此僅采用此方法無法保證零件最終質量，需和在線無損檢測及事后無損檢測技術相互補充.

3)現有在線無損檢測技術在可檢缺陷類型、檢測精度與效率、實時性及魯棒性等方面均未達到實際使用要求.預計該技術將從離線的原理驗證向實際的在線應用、從單一檢測原理向多原理多傳感器集成過渡.人工智能的發(fā)展也為檢測技術的智能化提供了契機.

4)未來研究中可以將缺陷檢測、缺陷在線去除和制造參數的實時調整相結合，實現金屬增材制造零件質量的提升.