基于激光超聲的金屬增材制造在線檢測技術(shù)研究*

白 雪，馬 健，許萬衛(wèi)，王 賀

（齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）激光研究所，濟南 250104）

航空航天高端裝備的服役性能在很大程度上取決于構(gòu)件的性能，高性能構(gòu)件多服役于極端嚴苛環(huán)境中，具有超強承載、極端耐熱、超輕量化和高可靠性等特性，對構(gòu)件的材料、結(jié)構(gòu)、工藝和性能等提出了嚴峻挑戰(zhàn)。近年來，增材制造技術(shù)正成為工程、制造、材料、光學等學科的研究熱點，基于增材制造技術(shù)可實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的材料–結(jié)構(gòu)一體化凈成形，為航空航天高性能構(gòu)件的設(shè)計與制造提供了新的工藝技術(shù)途徑。增材制造已發(fā)展成為提升航空航天設(shè)計與制造能力的一項關(guān)鍵核心技術(shù)，其應(yīng)用范圍已從零部件級（飛機、衛(wèi)星、高超飛行器、載人飛船的零部件打?。┌l(fā)展至整機級（發(fā)動機、無人機、微/納衛(wèi)星整機打?。?。

與鍛造、鑄造等傳統(tǒng)等材制造工藝相比，金屬增材制造過程中金屬粉末材料會經(jīng)歷移動式點熱源瞬時加熱熔化后快速冷卻的過程，成形過程涉及復雜的傳熱及組織相變過程，且熔池與基板之間會出現(xiàn)較大的溫度梯度，層與層之間也存在相互影響，從而造成最終成形件的組織及缺陷特征與傳統(tǒng)減材制件有明顯區(qū)別。組織特征主要表現(xiàn)為組織的不均勻性、明顯的各向異性、晶界組織的微小化[1–2]；缺陷特征主要包括氣孔、未熔合和裂紋等，其形成機理復雜，多為典型尺寸10～500 μm小缺陷，且多為層間分布[3，4–7]。這些組織缺陷極大阻礙了金屬增材制造技術(shù)在航空航天等高精尖領(lǐng)域的深入應(yīng)用[3，8–9]。實際上，與傳統(tǒng)的鑄鍛造加工方式不同，影響增材制造成形質(zhì)量的因素繁多，且打印過程中易形成層內(nèi)或?qū)娱g缺陷，導致增材制件的修復成本較高或者無法修復。增材制造工藝逐層搭建的特性為打印過程中無損在線監(jiān)測提供了可能，因此對金屬增材制造過程進行無損在線監(jiān)測甚至是過程修復，是提高增材制造成形件質(zhì)量的重要途徑之一[10–11]。

本文針對亟待解決的金屬增材制造過程冶金質(zhì)量在線實時監(jiān)測與評價問題，首先簡要介紹了金屬增材制造超聲在線檢測技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進展；隨后以齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）激光研究所（簡稱“激光所”）無損檢測團隊自主研制的激光超聲在線檢測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，重點闡述了激光超聲多冶金特征同步在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計原理及組成，并采用該系統(tǒng)開展激光熔融沉積（LMD）工藝制備的TC4/B4C金屬基復合材料組織晶粒度表征和AlSi10Mg鋁合金表面缺陷成像研究工作。本文研究成果有利于實現(xiàn)金屬增材制造過程中組織及缺陷的在線原位檢測及工藝閉環(huán)調(diào)控，有利于提高航空航天領(lǐng)域增材制造關(guān)鍵構(gòu)件的可靠性，降低增材制造產(chǎn)品的報廢率。

1 金屬增材制造超聲在線檢測 技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進展

近年來，在金屬增材制造材料中超聲傳播機理研究方面，國內(nèi)外學者針對增材制造件組織及缺陷等冶金特征的超聲聲學響應(yīng)規(guī)律及兩者關(guān)聯(lián)性進行了探索。以色列Ben-Gurion大學Sol等[12]利用脈沖回波法對激光選區(qū)熔化（SLM）制造的AlSi10Mg樣品進行超聲檢測，結(jié)果表明超聲橫波在成形層內(nèi)的傳播速度比在層間的傳播速度略慢，證明了增材制造的AlSi10Mg合金組織的各向異性。愛荷華州立大學Hossain等[13]給出了增材制造不銹鋼材料在激光燒結(jié)冷卻過程中激光激勵超聲波的有限元模擬結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)激光光束空間輪廓和脈沖特性的變化會影響激光超聲聲場傳播規(guī)律，從而影響層間缺陷的在線檢測結(jié)果。中國航發(fā)北京航空材料研究院楊平華等[14]對激光增材制造TC18鈦合金制件組織特征的水浸超聲聲學響應(yīng)特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)激光和電子束增材制造鈦合金超聲波聲速、衰減以及檢測靈敏度在不同的成形方向上差距較大，其中超聲聲速差值可達160 m/s，靈敏度差值可達12 dB。西北工業(yè)大學阮雪茜等[15]發(fā)現(xiàn)由LMD工藝制成TC4鈦合金試件中超聲聲速小于鍛件，而衰減系數(shù)則與之相反。華中科技大學Ma等[16]發(fā)現(xiàn)激光超聲衰減系數(shù)與電弧增材制造鈦合金制件晶粒尺寸呈線性擬合關(guān)系，且超聲定量表征結(jié)果與電子背散射衍射（EBSD）結(jié)果高度一致。

對于金屬增材制造件中典型孔隙、熔合不良等缺陷的超聲檢測及定量表征技術(shù)方面國內(nèi)外學者也進行了初步探索。法國GeM實驗室Chabot[17]等基于相控陣超聲回波幅值，實現(xiàn)了LMD鋁合金試件中人工缺陷尺寸和位置的定量表征，可檢測缺陷尺寸0.6～1 mm。印度理工學院無損評價研究中心Davis等[18]基于激光超聲技術(shù)，檢出了SLM鋁硅合金試件中半徑1 mm，深度2～20 mm的平底孔人工植入缺陷，但作者發(fā)現(xiàn)激光超聲不能清楚地識別孔隙率，需要繼續(xù)優(yōu)化分辨率和測試參數(shù)，并且試件表面粗糙度會影響信號的穿透性。北京航空航天大學李文濤等[19]采用環(huán)陣超聲換能器，結(jié)合全聚焦算法對LMD制造鈦合金試件反射回波進行C掃描成像，發(fā)現(xiàn)環(huán)陣換能器比傳統(tǒng)線陣超聲換能器缺陷成像精度更高。中南大學Song等[20]對SLM制成的316L不銹鋼試件進行水浸式C掃描檢測，采用極值統(tǒng)計方法計算結(jié)構(gòu)噪聲的試驗置信區(qū)間，并將其作為時變閾值對超聲C掃描圖像進行分割，與固定閾值的傳統(tǒng)C掃描成像相比，該方法可以有效地將缺陷回波和結(jié)構(gòu)噪聲區(qū)分開來，從而降低了漏檢率和誤檢率。武漢大學Zhang等[21–23]采用無監(jiān)督機器學習的智能去噪算法，實現(xiàn)了SLM零件粗糙表面上微缺陷的激光超聲成像，且基于高信噪比圖像實現(xiàn)了直徑50～100 μm表面孔洞缺陷的定量表征。南京航空航天大學Zeng等[24]基于變分模態(tài)分解和粒子群優(yōu)化算法對信號進行降噪，基于回波信號實現(xiàn)缺陷特征B掃描成像。

在金屬增材制造在線檢測技術(shù)研究方面，相較于傳統(tǒng)壓電超聲檢測技術(shù)，激光超聲檢測由于無需液態(tài)耦合劑，更適用于金屬增材制造高溫、高壓、粉塵等惡劣環(huán)境下材料快速自動化掃描、遠距離、非接觸式檢測；與渦流、紅外熱成像、視覺等無損檢測方法相比，激光超聲檢測技術(shù)具有較好的穿透性，對材料內(nèi)部缺陷及顯微組織特征檢測表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，因此在金屬增材制造在線檢測方面有較大應(yīng)用前景。國內(nèi)外學者針對激光超聲可視化在線檢測技術(shù)展開了一系列研究，并有團隊形成了打印檢測一體化裝備。意大利巴勒莫大學Cerniglia等[25]采用激光超聲表面波檢測出LMD試件表面和近表面不連續(xù)性缺陷。法國能源專家委員會Millon等[26]采用激光超聲技術(shù)對增材制造316L不銹鋼試件進行B掃描在線檢測，成功檢測出0.5 mm深，0.05 mm寬和0.1 mm深，0.05 mm寬的表面裂紋缺陷。英國諾丁漢大學Pieris等[27]基于空間分辨聲譜（SRAS）技術(shù)，利用激光超聲表面波聲速實現(xiàn)了SLM打印過程中材料彈性特征的可視化在線檢測。韓國先進科學技術(shù)研究所增材制造無損檢測中心Park等[28]利用飛秒激光超聲和激光拋光技術(shù)將在線檢測空間分辨率提升至微米級，實現(xiàn)激光熔覆材料楊氏模量和泊松比等機械性能的逐層在線評價。國內(nèi)武漢理工大學Jiang等[29]搭建了固定于機械手上的激光超聲試驗檢測系統(tǒng)，提出了用表面波透射法檢測表面裂紋和用橫波脈沖回波法檢測內(nèi)部孔洞的激光超聲檢測方法，試驗研究發(fā)現(xiàn)表面粗糙度對內(nèi)部通孔檢測的信噪比有顯著影響，表面波紋度對表面裂紋檢測的靈敏度有顯著影響。西安增材制造國家研究院有限公司基于激光超聲及紅外測溫儀研制了增材制造及檢測一體化設(shè)備，并采用小波分解及信號重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)材料缺陷特征成像。東南大學Dai等[11]基于激光多點激勵全場分析法的逐層超聲檢測、激光超聲跟隨掃描的微區(qū)檢測等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了基于共享振鏡協(xié)同掃描的粉末床打印檢測一體化裝備，以及基于同步跟蹤掃描的直接能量沉積打印檢測一體化裝備。

復雜工業(yè)制造環(huán)境及在線快速實時監(jiān)測的技術(shù)需求均對激光超聲在線檢測技術(shù)的工程化應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)，目前金屬增材制造激光超聲在線檢測一體化裝備主要存在以下問題：（1）檢測系統(tǒng)與打印系統(tǒng)一體化集成度低；（2）大多針對缺陷特征的在線檢測，未涉及組織的實時在線檢測；（3）材料粗糙表面導致超聲檢測信噪比低；（4）缺陷特征成像質(zhì)量差；（5）高溫、粉塵及振動等復雜工業(yè)環(huán)境對檢測系統(tǒng)干擾大。針對以上問題，本文基于激光超聲激勵模塊與振鏡掃描裝置協(xié)同控制，研制了金屬增材制造激光超聲多冶金特征同步在線檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)金屬增材制造組織晶粒度的超聲評價及制造過程表面缺陷特征成像。

2 激光超聲多冶金特征同步 在線檢測技術(shù)

激光一次激勵可以同時激發(fā)超聲表面波和體波，沿工件表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌梢詳y帶表面/近表面組織、缺陷及應(yīng)力特征信息；向工件內(nèi)部傳播的體波在缺陷邊界或晶界處會發(fā)生反射、衍射及散射等復雜物理現(xiàn)象，導致超聲聲速、衰減及背散射系數(shù)等特征參量發(fā)生變化，從而可以利用超聲特征參量的變化實現(xiàn)內(nèi)部組織及缺陷特征的無損檢測及評價。同時組織、缺陷及應(yīng)力等不同冶金特征所使用的超聲檢測原理及方法有所區(qū)別，例如，不同組織晶粒間彈性模量及密度的差異會引起晶界處超聲散射，導致超聲體波能量衰減、中心頻率向下偏移以及引起背散射結(jié)構(gòu)噪音等，從而可以利用衰減法、中心頻率偏移法或背散射噪音法實現(xiàn)組織晶粒尺寸評價。而表面殘余應(yīng)力主要引起超聲表面波聲速變化，從而可以利用表面波聲速變化實現(xiàn)表面殘余應(yīng)力檢測。值得注意的是，不同超聲檢測方法需集成不同的激發(fā)光源或檢測方式，而不同冶金特征的同步并行檢測易導致檢測光路復雜化、檢測技術(shù)互相干擾、檢測時間顯著增加等突出問題，嚴重降低增材制造的整體效率及檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文充分利用激光可同時激發(fā)多種模式超聲波的優(yōu)勢，根據(jù)不同冶金特征的檢測需求，基于振鏡掃描與激光超聲激勵模塊的協(xié)同控制，實現(xiàn)激勵激光光斑可無限接近檢測激光光斑直至二者同心，簡化激發(fā)光路，排除檢測技術(shù)間橫向干擾，易于實現(xiàn)表面波及體波信號的同步檢測，從而實現(xiàn)打印當前層和內(nèi)部特征的同步檢測和評價，且檢測效率高，易于缺陷定位。同時將超聲激勵探頭和激光超聲檢測探頭共同集成到六軸機械手上，采用振鏡式激勵脈沖激光束掃描及連續(xù)探測激光固定的方式，可實現(xiàn)激光超聲激勵探頭、激光超聲檢測探頭、增材制造加工頭三者的協(xié)同運動控制，及增材制造件表面快速遍歷掃描檢測。同時該系統(tǒng)采用雙波混合干涉技術(shù)實現(xiàn)高頻超聲的激光探測，其特點在于參考光與由樣品表面散射的信號光經(jīng)光折變晶體（PRC）衍射后實現(xiàn)波前匹配，可消除由于粗糙表面引起的參考光、信號光失配。此外，由于PRC對高頻聲擾動不敏感，但可對低頻擾動補償，使得雙波混合干涉儀特別適用于高頻超聲探測，且不需要任何附加的主動穩(wěn)定裝置以克服環(huán)境噪聲。系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 激光超聲多冶金特征同步在線檢測系統(tǒng)光路設(shè)計原理圖Fig.1 Schematic for optical path of laser ultrasonic system for multi-metallurgical feature synchronous online detection

該系統(tǒng)主要包含超聲波激勵、超聲波檢測、信號采集、掃描運動控制及上位機顯示等功能模塊（ 圖2）。整個系統(tǒng)以工控機內(nèi)部時鐘為時間基準，首先掃描振鏡控制軟件，根據(jù)預設(shè)掃描點的坐標信息控制掃描振鏡到達偏轉(zhuǎn)角度，并發(fā)出脈沖觸發(fā)信號輸送至脈沖激光器的燈泵驅(qū)動單元，燈泵經(jīng)500 μs延遲后響應(yīng)工作并同步輸出觸發(fā)信號，該信號經(jīng)延遲模塊（延遲時間為100～300 μs）后再次輸入至脈沖激光器的調(diào)Q開關(guān)，從而觸發(fā)脈沖激光器輸出激光。延遲模塊可以調(diào)節(jié)延遲時間，從而控制脈沖激光出射能量。其中，脈沖固體激光器波長為1064 nm，最大脈沖能量50 mJ；傳能光纖接頭的數(shù)值孔徑0.22 mm，芯徑1 mm；場鏡距離工件約280 mm，掃描幅面200 mm×200 mm，掃描精度為0.1 mm，掃描頻率0～1 kHz之間可調(diào)，掃描模式包括矩陣柵格掃描、隨機或者指定點掃描。超聲探測光源采用基于自主研發(fā)的分布式反饋激光種子源和主振蕩功率放大技術(shù)的瓦級1550 nm連續(xù)單頻光纖激光器，輸出功率約為2 W，線寬<10 kHz。采集卡含有2個同步模擬輸入通道，采樣率高達200 MHz，可實現(xiàn)14位高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。系統(tǒng)采取區(qū)域檢測的方式，即將待檢測區(qū)域劃分成若干個檢測子區(qū)域，對于每個檢測子區(qū)域固定一個接收點，使用掃描振鏡控制脈沖激光在檢測子區(qū)域中快速掃描檢測，可降低增材制造材料粗糙表面對激光超聲探測信號穩(wěn)定性的影響，同時可以提高檢測效率。系統(tǒng)采用電動保護機構(gòu)保護激光超聲激勵和檢測探頭，水循環(huán)冷卻系統(tǒng)給激光超聲激勵探頭冷卻降溫，從而屏蔽了增材制造成形過程中高溫、粉塵等復雜環(huán)境對超聲檢測系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性的干擾。

圖2 金屬增材制造激光超聲多冶金特征同步在線檢測系統(tǒng)Fig.2 Laser ultrasonic system for multi-metallurgical feature synchronous online detection

3 增材制造組織及缺陷特征 的激光超聲信號識別及表征

3.1 增材制造鈦合金跨尺度組織 評價理論及方法

金屬晶粒尺寸的超聲無損評價主要基于晶界處超聲散射機理，激光所無損檢測團隊針對多晶體金屬材料冶金特征與超聲信號的相互作用機理進行了研究，基于Stanke–Kino統(tǒng)一散射衰減理論模型框架，提出在弱散射非均勻介質(zhì)中位移場可以近似等于等效均勻介質(zhì)中的位移場，即引入伯恩近似，推導并提出了多晶體材料中超聲散射衰減系數(shù)顯式理論模型[30]。該模型將超聲散射衰減系數(shù)α表示為格林張量和空間相關(guān)函數(shù)的顯式積分形式，且將縱、橫波衰減系數(shù)αL、αT表示為同類波型散射和不同波型模態(tài)轉(zhuǎn)換引起的衰減系數(shù)之和，即

其中，

式中，上標L、T分別為縱波及橫波相關(guān)物理量，βγ=LT，LT為模態(tài)轉(zhuǎn)換導致的晶界散射，而βγ=LL，TT為與同類波型在晶界處反射和透射導致的波能量衰減。本文公式使用了愛因斯坦求和約定。Im代表復數(shù)的虛部。<·>表示平均，對于非均勻介質(zhì)，可以通過考慮其彈性張量C（x）與等效均勻介質(zhì)彈性張量C0的偏差來量化其非均勻性程度，即δC（x） =C（x）–C0；<δCijklδCmnij>為彈性張量自相關(guān)函數(shù)；上下標 “0”為等效均勻參考介質(zhì)；G（r）為格林張量；k0β為等效均勻介質(zhì)的傳播常數(shù)；r=x–x'為空間任意兩點x與x'之間的方向矢量；W（r）為兩點空間相關(guān)函數(shù)，描述任意兩點x與x'落在同一個晶粒內(nèi)的概率。

事實上，晶粒取向、形貌及尺寸均會對超聲衰減產(chǎn)生影響，其中晶體取向?qū)λp的影響通過項<δCijkl δCmnij>來計算；而晶粒尺寸和形貌的影響是通過兩點空間相關(guān)函數(shù)W（r）來計算。值得注意的是，只要計算出彈性張量自相關(guān)函數(shù)<δCijkl δCmnij>，上述公式適用于任何對稱類型的多晶體材料。不過由于使用了伯恩近似，該公式不適用于幾何散射區(qū)域，即晶粒尺寸遠大于波長的情況。該理論的建立有助于更好地理解多晶材料中的晶粒散射機制以及晶粒尺寸、形貌及取向?qū)Τ暡ㄋp的影響，為復雜增材制造材料冶金特征的超聲無損檢測及實時在線定量評估提供了理論基礎(chǔ)。

實際上，對于特定非均勻介質(zhì)，將彈性張量自相關(guān)函數(shù)、空間相關(guān)函數(shù)以及格林函數(shù)代入式（1）和（2）可以得出，晶粒散射引起的超聲衰減與頻率的n次冪和平均晶粒尺寸的（n–1）次冪成正比，即

式中，b為與多晶體材料彈性性能與密度相關(guān)的線性比例系數(shù)；為材料的平均晶粒尺寸；指數(shù)n的取值由材料的散射機制決定，通常在0～4之間。

在超聲無損評價晶粒尺寸時，超聲衰減法對幾何衍射、反射和超聲回波振幅測量準確性等問題較為敏感，從而影響晶粒尺寸的無損評價精度?；诖耍す馑鶡o損檢測團隊提出了基于激光超聲中心頻率偏移的多晶體材料晶粒尺寸無損評價方法[31]。實際上，工業(yè)無損檢測中，超聲檢測信號的幅值或者功率譜一般符合高斯分布，且信號頻譜在多晶體介質(zhì)傳播過程中會一直保持為高斯形狀，但由于高頻超聲波能量在傳播過程中比低頻分量衰減得更快，從而導致中心頻率和頻率帶寬的減小。在入射信號給定并且已知衰減和頻率相關(guān)性，即已知指數(shù)值n的情況下，可以通過反演回波頻譜中心頻率偏移和帶寬變化來估計衰減系數(shù)，進一步可以根據(jù)衰減系數(shù)和平均晶粒尺寸之間的關(guān)系實現(xiàn)材料平均晶粒尺寸的定量評估。

其中，

式中，fi、fr分別為入射波及反射/透射回波信號頻譜的中心頻率；σi為入射波頻譜帶寬；z為波傳播距離。由于激光超聲激勵過程會產(chǎn)生噪聲，因此入射波的中心頻率可能不易測得。此外，激光超聲激勵系統(tǒng)的不穩(wěn)定性也可能導致超聲信號頻譜的中心頻率發(fā)生偏移。因此對于激光超聲檢測試驗研究，可以基于連續(xù)兩次底面回波信號中心頻率之比來評估平均晶粒尺寸，這有利于減小由于激光產(chǎn)生系統(tǒng)的不穩(wěn)定性而帶來的試驗誤差。設(shè)連續(xù)兩次底面回波的中心頻率為fr1和fr2，方差為和，分別對應(yīng)的傳播距離為z1、z2（z2>z1），當衰減與頻率呈平方相關(guān)（n= 2）時，反射回波的中心頻率之比與晶粒尺寸呈線性關(guān)系，即

因此，平均晶粒尺寸可以由連續(xù)兩次回波頻譜中心頻率之比定量表征，即

式中，c0為中心頻率偏移與晶粒尺寸間線性函數(shù)的截距常數(shù)，根據(jù)式（7）可得其理論值為1，但試驗中需要對該常數(shù)進行預試驗標定，且其準確性會影響晶粒尺寸評價精度。

鈦及鈦合金具有低密度、高強度、耐高溫及耐腐蝕等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。研究表明，激光增材制造Ti6Al4V合金微觀組織由貫穿多個熔覆層且呈外延生長的粗大柱狀晶組成，柱狀晶的生長方向沿著沉積方向。由于激光增材制造成形過程中熔覆層間溫度梯度的影響，遠離基材區(qū)域的晶粒尺寸大于靠近基材區(qū)域的晶粒尺寸，寬度可達100～500 μm，長度可達1～2 mm[32]。近年來，基于增材制造工藝參數(shù)及凝固條件的主動控制可以得到全柱狀粗晶、全等軸粗晶和柱狀粗晶–等軸粗晶混合的凝固組織晶粒形態(tài)[33]。這些粗晶內(nèi)部微觀組織一般由具有優(yōu)先晶粒取向的細針狀α相晶粒（簡稱“細晶”，其尺寸一般小于10 μm）組成，因此又稱為粗大微織構(gòu)團簇（簡稱“粗晶團簇”）[34]。本文將上述細小α相晶粒和具有擇優(yōu)晶體取向的粗晶團簇組成的復雜雙相組織簡稱為雙相跨尺度組織。

鈦基復合材料具有比鈦合金更高的比強度和比模量，優(yōu)異的高溫性能和蠕變性能被認為是能夠改善鈦材性能和擴展鈦材應(yīng)用的新一代材料。TiB和TiC的密度、泊松比都與鈦合金差不多，但彈性模量是其4～5倍，比較適合用于鈦基復合材料的增強體[35]。向TC4粉末中分別加入質(zhì)量分數(shù)分別為1%、3%和5%的納米級B4C粉末，利用激光熔融沉積工藝制備了3種TC4/B4C鈦合金復材試樣。每種試樣各制備2個試件，一個試件用于標定截距常數(shù)c0，另外一個試件用于晶粒尺寸評價。由于B4C粉末的加入，晶界析出TiB和TiC增強相，這些增強相刺激了狹長α相晶粒和柱狀粗晶團簇向等軸晶過渡，因此得到了細晶和粗晶團簇均為近似等軸形狀的增材試件。EBSD和金相顯微組織觀察結(jié)果如圖3所示，結(jié)果顯示3種試樣中α相細晶尺寸差異較小，分別為1.8 μm、2.1 μm、2.2 μm；根據(jù)國標GB/T 6394—2017，對金相組織觀察結(jié)果采用截點法計算得到粗晶團簇尺寸分別為11 μm、15 μm、50 μm。

圖3 LMD制造TC4/B4C金屬基復合材料顯微組織EBSD（上圖）及金相觀察（下圖）結(jié)果Fig.3 EBSD (Top) and metallographic observations (Bottom) for microstructures of laser melting deposited TC4/B4C composites

組織觀察結(jié)果顯示試驗制備的增材樣品宏觀上可視為無織構(gòu)各向均勻介質(zhì)，因此該種介質(zhì)中超聲波的散射總衰減可以看成α相細晶引起的超聲散射衰減α細晶和由粗晶團簇引起的超聲散射衰減α粗晶進行線性加和，且兩者對總衰減的相對貢獻由材料晶粒取向分布寬度σ決定[36]。

式中，ααTi為宏觀各向同性且均勻無織構(gòu)的α相純鈦合金中超聲衰減值；系數(shù)M（σ）為材料晶粒取向分布對超聲衰減的影響，可以用彈性張量相關(guān)函數(shù)除以其漸近值來計算，即M（σ）= （δC3333δC3333）/limσ→∞<δC3333δC3333>。當σ→0時，粗晶團簇中的α相細晶具有相同的晶粒取向，因此粗晶團簇可以看作單個α相晶粒，此時α相細晶引起的超聲衰減消失，即M（σ）= 0；而當σ→∞時，粗晶團簇中的α相細晶具有任意隨機的晶粒取向分布，此時可以認為材料內(nèi)部不存在粗晶團簇，因此材料的超聲散射衰減完全是由細小α相晶造成，即M（σ）=1。系數(shù)M（σ）與晶粒取向分布寬度σ的關(guān)系曲線如圖4所示。隨著晶粒取向函數(shù)分布寬度的增加，M（σ）單調(diào)增加；當σ≤0.02時，M（σ）遠小于0.001，這意味著，在晶粒取向函數(shù)分布較窄的金屬增材制造材料中，α細晶所導致的衰減與粗晶團簇所導致的衰減相比可以忽略不計。在[0.02,1)范圍內(nèi)，M（σ）迅速增加，說明α細晶對總衰減的貢獻越來越顯著，與粗晶團簇的貢獻相當。而當σ≥2時，M（σ）趨向于1，表明α細晶對總衰減起主要作用，粗晶團簇的貢獻可以忽略不計。

圖4 M （σ） 與晶粒取向分布函數(shù)寬度σ的關(guān)系曲線Fig.4 M(σ) as a function of grain misorientation distribution width σ

利用歸一化的類高斯函數(shù)ecos(θ)/(2σ)/ e1/(2σ)對EBSD得到的晶粒取向差角θ的分布直方圖進行擬合，擬合得到織構(gòu) 參 數(shù)σ= 7.5×10–4，M（σ）= 2.31×10–6。表明所研究的復合材料具有極窄的晶體取向分布寬度，即粗晶團簇具有很強的各向異性，因此粗晶團簇對散射誘導的總衰減做主要貢獻，而細小α相晶粒的貢獻則可忽略不計。由于頻譜中心頻率偏移也是由晶界散射衰減引起，因此粗晶團簇對頻譜中心頻率偏移做主要貢獻，可以根據(jù)激光超聲試驗獲取的回波信號頻譜中心頻率偏移，在已知線性比例系數(shù)b的情況下，根據(jù)式（8）反演計算粗晶團簇的平均晶粒尺寸。

由Han等[37]的研究可知α相晶粒為面心立方對稱晶體，其彈性模量理論值為C11= 154.24 MPa，C12= 86.76 MPa，C13= 63.62 MPa，C33= 174.45 MPa，C44= 44.30 MPa，C66= 33.74 MPa。根據(jù)類高斯擬合獲得的σ值，參考Xu等[36]的研究可以計算得到所研究材料的粗晶團簇彈性模量與α相細晶幾乎相同，分別為C11=154.23 MPa，C12=86.69 MPa，C13=63.69 MPa，C33=174.43 MPa，C44=44.32 MPa，C66=33.77 MPa。根據(jù)上述彈性模量值計算彈性模量自相關(guān)函數(shù)[38]，因粗晶團簇可近似看作等軸晶，兩點空間相關(guān)函數(shù)W（r）= e–2r/D[30]，隨后將彈性模量自相關(guān)函數(shù)和兩點空間相關(guān)函數(shù)分別帶入式（1）和（2），在給定平均晶粒尺寸和頻率的情況下，可以計算得到TC4/B4C增材制造樣品內(nèi)粗晶團簇引起的超聲衰減系數(shù)理論值。

例如，在[10，50] μm范圍內(nèi)等間隔取10組晶粒尺寸（D=5 μm、10 μm、15 μm、20 μm、25 μm、30 μm、35 μm、40 μm、45 μm、50 μm），分別計算[11，29] MHz有效頻率范圍內(nèi)各晶粒尺寸對應(yīng)10組頻率f0下粗晶團簇的超聲衰減系數(shù)α。對給定頻率f0，可以獲得超聲衰減系數(shù)與晶粒尺寸的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系（圖5），對該函數(shù)關(guān)系進行線性擬合發(fā)現(xiàn)，擬合可決系數(shù)R2均大于0.945，表明在[11，29] MHz有效頻率范圍內(nèi)，超聲衰減系數(shù)近似與晶粒尺寸成線性相關(guān)，與頻率呈平方相關(guān)（n= 2），從而可以根據(jù)式（3）計算材料線性比例系數(shù)b。利用10組數(shù)據(jù)得到線性比例系數(shù)b的計算結(jié)果如表1所示，其平均值為b=1.74e–10 S2/m2。

圖5 給定頻率f0 = 19 MHz處超聲衰減理論計算值與晶粒尺寸關(guān)系曲線Fig.5 Theoretical ultrasonic wave attenuation as a function of grain size at the given frequency f0 =19 MHz

表1 線性比例系數(shù)b及線性擬合可決系數(shù)R2 Table 1 Linear proportionality coefficient b and linear fitting determination coefficient R2

采用第2節(jié)所述激光超聲檢測系統(tǒng)對待測試件進行檢測，利用雙波混合干涉儀獲取含有連續(xù)兩次回波脈沖縱波信號的32次平均后的原始波形圖（圖6（a）），其測得的電壓值反映所測點的振動位移情況。信號分析過程分為5步：（1）對原始波形圖求有限差分（圖6（b）灰線），對應(yīng)所測點的振動速度；（2）采用軟閾值小波降噪方法，以“sym7”作為小波基函數(shù)，分解層數(shù)為3，對差分后的波形圖進行小波降噪處理，隨后以降噪后第1次脈沖回波信號最大值為基準對試樣多點測量波形進行歸一化處理（圖6（b）紅線）；（3）以矩形窗截取一次及二次脈沖回波信號（圖6（c）），進行傅立葉變換獲取回波信號頻譜幅值；（4）在7～30 MHz的置信頻率范圍內(nèi)，利用高斯函數(shù)模型對各脈沖回波的幅值頻譜進行擬合，獲取一次及二次脈沖回波信號中心頻率fr1及fr2（圖6（d））；（5）計算連續(xù)兩次回波脈沖信號中心頻率偏移比值fr1/fr2，如表2所示。

圖6 激光超聲縱波波形及其分析Fig.6 Laser ultrasonic waveform for longitudinal wave and its processing

表2 LMD制備TC4/B4C復合材料中激光超聲縱波信號頻譜中心頻率偏移及晶粒尺寸的激光超聲評價結(jié)果Table 2 Spectral centroid frequency shift of laser ultrasonic longitudinal wave and grain size characterization by laser-ultrasonics in laser melting deposited TC4/B4C composites

根據(jù)式（8）計算3種試樣晶粒尺寸，其中一次回波信號帶寬σr1=8.86 MHz，截距常數(shù)c0= 1.034，得到晶粒尺寸的激光超聲測量值及與金相組織觀測值相比的測量相對誤差（表2）。由測量數(shù)據(jù)可知，晶粒尺寸最大的樣品，其組織晶粒度的超聲評價精度最大，約為–0.4%，證實了基于中心頻率偏移的激光超聲晶粒尺寸評價方法的有效性。不過隨著增材制造材料晶粒尺寸逐漸變小，超聲評價精度逐漸降低，最大測量誤差為–10.9%，對應(yīng)樣品晶粒尺寸為11 μm。

3.2 缺陷可視化在線檢測理論及方法

考慮到增材制造材料表面粗糙會對激光超聲探測信號的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，本文采用探測激光固定，振鏡式激勵激光束遍歷掃查的方式進行缺陷檢測。圖7（a）為振鏡式脈沖激勵激光束二維掃查示意圖。掃描步進的設(shè)置會同時影響檢測分辨率和檢測效率，掃描步進越小，檢測分辨率越高，但檢測時長變長，檢測效率變低，反之亦然；本研究根據(jù)氣孔和橫向裂紋缺陷的尺寸，取1/5最小缺陷尺寸為掃描步進。具體地，所檢測氣孔缺陷直徑為0.5 mm，深度為3 mm，掃描步進為0.1 mm，掃描幅面為3 mm×3 mm，幅面中心為氣孔缺陷圓心；水平裂紋寬度為0.5 mm，長度為10 mm，深度為3 mm，長度方向掃描步進為0.5 mm，寬度方向掃描步進為0.1 mm，掃描幅面為16 mm（沿裂紋長度方向）×4 mm（沿裂紋寬度方向）。如圖7（b）所示，雙波混合干涉儀探測到的激光超聲信號存儲于三維數(shù)組（x，y，t）中，其中x、y分別為激勵激光束的掃查方向，t為波傳播時間。提取不同激勵點在同一時刻t0探測到的激光超聲信號振幅，便可以得到時刻t0激光超聲表面波信號在待測試驗樣品表面的傳播情況。

圖7 在線掃描方案設(shè)計Fig.7 Online scanning scheme design

以含有孔洞缺陷的LMD工藝制備的AlSi10Mg鋁合金樣品為例，t= 17.375 μs、17.90 μs、18.125 μs和18.5 μs的傳播圖像如圖8所示。其中的顏色標度條表示的是各檢測點電壓信號幅值，V。在t= 17.375 μs時，點源脈沖激光激勵出的表面波在樣品表面平穩(wěn)傳播（對應(yīng)圖9中激勵點A）。t= 17.90 μs，表面波到達缺陷，其缺陷內(nèi)及其周圍質(zhì)點振動位移大幅度減小，導致其波形在缺陷處被截斷。實際上，當激勵脈沖激光束落在缺陷中，或與缺陷部分重疊時，脈沖激光能量不能夠完全轉(zhuǎn)換為超聲波，從而導致表面波幅值的降低（對應(yīng)圖9中激勵點B）。t= 18.125 μs及18.5 μs，掃描激勵點已經(jīng)越過缺陷，此時可以觀察到完整波形，表面波幅值比激勵點落在缺陷處時增大。但由于此時缺陷處于掃描激勵點和檢測點中間，表面波傳播至缺陷處會發(fā)生反射，只有一部分能量透射至檢測點，因而與沒有缺陷時相比，表面波幅值略微降低（對應(yīng)圖9中激勵點C）。

圖8 LMD AlSi10Mg鋁合金中不同時刻激光超聲表面波傳播情況Fig.8 Laser ultrasonic surface wave propagation in laser melting deposited AlSi10Mg aluminum alloy at different time

圖9 不同激勵點相對位置示意圖及其對應(yīng)表面波形圖Fig.9 Diagram for the position of different excitation points and the corresponding surface wave pulse signals

金屬增材制造成形腔內(nèi)部往往充滿各種極端干擾源，包括強電磁輻射、高溫、粉塵、振動、強光散射等，同時金屬增材制造過程中打印當前層表面往往粗糙度較大，諸多因素的共同作用導致在線實時采集到的激光超聲信號信噪比較低，大大影響超聲成像精度，進而導致缺陷位置和尺寸等信息表征精度降低。因此，為實現(xiàn)金屬增材制造過程中的表面缺陷的激光超聲成像檢測，準確判斷掃描區(qū)域內(nèi)表面缺陷的位置、形狀與大小，采取單點多次激勵求平均和平均后信號降噪相結(jié)合的方法來優(yōu)化缺陷在線檢測成像效果。

單點多次激勵求平均，即對單個測量點進行多次脈沖激光激勵超聲表面波形，對表面波進行實時采集后求平均。實際上隨著平均次數(shù)N的增高，信號信噪比（SNR）也會隨之增高。如圖10所示，黑色實心圓為N（N為整數(shù)，且1≤N≤100）與SNR的散點關(guān)系圖，其中SNR為單點N次激勵求平均后表面透射脈沖信號與噪音的功率之比，單位為dB。

式中，P為功率，為時域聲壓振幅平方累加求平均，下標“pulse”和“noise”分別表示脈沖信號和噪音。采用冪律函數(shù)SNR=aN m對散點關(guān)系圖進行最小二乘擬合，如圖10所示。擬合結(jié)果顯示線性比例系數(shù)a= 5.196， 冪指數(shù)m= 0.2792，擬合可決系數(shù)R2= 0.977，表明信噪比SNR與平均次數(shù)N近似成冪律函數(shù)關(guān)系。然而當增大平均次數(shù)時檢測掃描時間會顯著增加，因此為了在不影響檢測效率的情況下，采取對10次平均后的波形進一步降噪的方法提高信號信噪比。單點單次激勵實時采集超聲表面波形及10次激勵求平均后超聲表面波形如圖11（a）所示。

圖10 平均次數(shù)N與信噪比SNR的散點關(guān)系圖及冪律函數(shù)擬合曲線Fig.10 Scatter diagram and power law function fitting curve of the signal-to-noise ratio SNR as a function of the average time N

圖11 激光超聲表面波形及其降噪處理Fig.11 Laser ultrasonic waveforms of surface wave and its denoising processing

針對激光超聲在線實時檢測信號信噪比較低的問題，本文采用改進小波閾值降噪和變分模態(tài)分解相結(jié)合的兩步信號降噪方法，具體地：（1）利用小波分解將初始信號分解為一系列的小波系數(shù)，利用改進的小波閾值函數(shù)對小波系數(shù)進行處理后，結(jié)合小波逆變換得到一次降噪信號（圖11（b）和（c））；（2）將一次降噪信號利用變分模態(tài)分解算法分解為多階本征模態(tài)分量（IMF），利用各IMF的能量密度與其自身平均周期之積的數(shù)值是否突變，確定噪聲主導模態(tài)分量和有效信號主導分量的分界點。將噪聲主導模態(tài)分量舍棄，利用剩余有效信號主導分量重構(gòu)出二次降噪信號（圖11（c））。

由上文分析可知，當激勵點落在缺陷內(nèi)或與缺陷部分重疊時，脈沖激光能量不能完全轉(zhuǎn)換為超聲波，從而導致表面波能量大幅降低，因而可以利用信號降噪處理后表面波能量變化實現(xiàn)水平裂紋和孔洞類缺陷在線檢測成像。其原理是根據(jù)掃描幅面中心獲得檢測點的坐標參數(shù)，而激勵點的坐標信息則有掃描軟件給出，由此求得表面波到達探測點的時刻t1。根據(jù)所檢測材料激光激發(fā)的超聲表面波周期T，確定表面波信號的截止時刻t2=t0+T。對[t1，t2]時間段內(nèi)每個采樣點的電壓信號幅值平方后求和，并以無缺陷且與探測點距離最近點的探測信號為參考進行歸一化處理得到比值I，即

式中，Vti為檢測點采樣時刻ti處電壓信號幅值；為參考點采樣時刻ti處電壓信號幅值。比值I與聲強級（檢測點聲強J與基準參考聲強J0的比值，即10lg（J/J0））成正比，dB。將二維坐標系下各掃描點的I值繪制成彩圖便可直觀地觀察到缺陷位置及大小。

圖12為樣品表面孔洞和水平裂紋缺陷的超聲成像圖, 其中的顏色標度條含義與圖8中相同。對于孔洞缺陷，可以在圖12中明顯觀察到在x= – 0.4 ～ 0.3 mm和y= – 0.2 ～ 0.5 mm的位置出現(xiàn)了一個直徑大約為0.7 mm的圓形凹陷區(qū)域，這與試驗樣品中的孔洞缺陷的位置、形狀和大小大致相同，同理對于橫向裂紋缺陷的超聲成像圖，在x= –5 ～ 4.5 mm和y= – 0.3～0.2 mm的位置出現(xiàn)了一長條形的凹陷區(qū)域，成像結(jié)果同樣與水平裂紋缺陷的位置、大小和形狀大致吻合。 因此激光超聲在線檢測可以實現(xiàn)對激光熔融沉積制造鋁合金樣品表面孔洞和水平裂紋缺陷的可視化成像。

圖12 LMD AlSi10Mg鋁合金樣品表面缺陷的激光超聲掃描成像圖Fig.12 Laser ultrasonic scanning images of surface defects of laser melting deposited AlSi10Mg aluminum alloy

4 結(jié)論

針對金屬增材制造過程冶金質(zhì)量在線實時監(jiān)測與評價問題，激光超聲技術(shù)提供了一種非接觸、遠距離、適用于高溫高壓等復雜成形環(huán)境的金屬增材制造過程質(zhì)量在線檢測新方法。本文介紹了金屬增材制造激光超聲在線檢測裝備研發(fā)及集成、組織晶粒度評價及缺陷可視化成像等方面的研究工作。

（1）通過模塊化、集成化設(shè)計，將光斑整形擴束與掃描振鏡融合形成激光超聲激勵探頭，并將其與激光超聲檢測探頭通過光纖傳輸共同集成到六軸機械手上，實現(xiàn)了激勵光斑在檢測平面內(nèi)任意軌跡的三維快速掃描，以及激勵探頭、檢測探頭、增材制造加工頭三者的協(xié)同運動控制，可實現(xiàn)組織晶粒度、缺陷及應(yīng)力等多冶金特征的同步實時檢測及信息反饋；且系統(tǒng)抗干擾性高，對增材制造粗糙表面的可適用性高。

（2）LMD制備的TC4/B4C復合材料組織由細小等軸α晶及具有擇優(yōu)晶體取向的粗大晶粒團簇組成。理論研究表明，其粗晶團簇各向異性明顯，晶粒取向分布寬度σ遠遠小于0.01，因此粗晶團簇對材料超聲散射衰減及中心頻率偏移起決定性作用，而細晶的貢獻可以忽略不計。激光超聲試驗結(jié)果表明，縱波信號頻譜中心頻率偏移與晶粒尺寸近似成線性相關(guān)，基于縱波頻譜中心頻率偏移可以實現(xiàn)11～50 μm范圍內(nèi)晶粒尺寸的定量評價，且樣品晶粒尺寸越小，超聲評價誤差越大。與金相組織觀察結(jié)果相比，超聲評價結(jié)果的最大相對誤差為–10.9%。

（3）對LMD制備的AlSi10Mg鋁合金表面缺陷進行檢測，對掃描檢測幅面內(nèi)各測量點進行多次激勵求平均，并結(jié)合改進小波閾值和變分模態(tài)分解兩步降噪處理提高在線實時檢測信號信噪比，基于表面波信號能量變化實現(xiàn)了直徑為0.5 mm的孔洞和寬度為0.5 mm的水平裂紋可視化成像。

目前，金屬增材制造的激光超聲檢測技術(shù)研究已經(jīng)取得一定進展，但仍有一系列的問題亟待解決：（1）打印成形腔內(nèi)高溫、粉塵、振動等復雜制造環(huán)境及材料粗糙表面等導致激光超聲信噪比低，內(nèi)部微缺陷反射信號難以識別和提取，從而導致微缺陷特征表征精度低；（2）激光超聲在線檢測信號數(shù)據(jù)處理量大、信號提取及分析算法復雜等導致遍歷掃描高精度成像效率低；（3）將激光超聲技術(shù)與紅外熱成像、機器視覺等其他非接觸式在線檢測技術(shù)相結(jié)合，基于多源信息融合及深度學習實現(xiàn)金屬增材制造過程熔池尺寸特征、溫度場分布特征以及組織、應(yīng)力及缺陷等冶金特征的質(zhì)量在線檢測及工藝閉環(huán)調(diào)控。