增材制造AlSi10Mg 超聲橫波和縱波孔隙率檢測(cè)對(duì)比分析

張晨昊，陳兵，劉恒，向鵬宇，茍國(guó)慶

(西南交通大學(xué),成都,610031)

0 序言

選區(qū)激光熔化(selective laser melting,SLM)作為一種增材制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用于高自由度、高復(fù)雜性、高定制化的航空航天[1-2]、醫(yī)療器械[3-4]、模具制造[5-6]等領(lǐng)域.增材制造過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生孔隙，而孔隙率和孔隙體積大小對(duì)于產(chǎn)品的拉伸、疲勞等力學(xué)性能起著決定性影響[7]，也是檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量最重要的指標(biāo).孔隙率會(huì)很大程度上影響試樣的聲學(xué)性質(zhì)，是超聲對(duì)于體積型缺陷敏感的根本原因.通過(guò)接收超聲波在待測(cè)試樣中傳播所產(chǎn)生的缺陷反射、衍射回波，并對(duì)聲學(xué)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)現(xiàn)缺陷的定位、定性和定量檢測(cè).目前，對(duì)于增材制造孔隙率檢測(cè)主要有4 種方法，分別為基于相對(duì)密度的阿基米德法、基于切割橫截面的2D 成像法、基于X 射線的計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)法和基于聲速、衰減系數(shù)等參量的超聲無(wú)損檢測(cè)方法.

超聲檢測(cè)以其易于便攜、穿透深度高、檢測(cè)無(wú)損傷、使用成本低等特點(diǎn)，成為表征材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)最常用的方法[8-9].Cerniglia 等人[10]提出激光超聲在線檢測(cè)技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，建立的數(shù)值模型可以有效地檢測(cè)激光熔化沉積鉻/鎳/鐵合金樣品中表面附近直徑小于0.1 mm 的微缺陷和深達(dá)0.8 mm 的較大缺陷，并通過(guò)無(wú)缺陷樣品對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證.Javadi 等人[11]通過(guò)相控陣超聲技術(shù)，對(duì)自動(dòng)焊接沉積過(guò)程中人為制造的缺陷進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，成功驗(yàn)證了缺陷的位置，且實(shí)現(xiàn)了高溫工作環(huán)境下沉積缺陷與無(wú)缺陷部位的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確區(qū)分.Honarvar 等人[12]回顧了超聲孔隙率檢測(cè)方法及其原理，結(jié)合各超聲參量和軟件分析，結(jié)果表明，可以得到與孔隙率相關(guān)的時(shí)域圖和2D，3D 圖像，對(duì)結(jié)合多種無(wú)損檢測(cè)方法產(chǎn)品的健康監(jiān)測(cè)進(jìn)行了展望.

現(xiàn)有超聲實(shí)際檢測(cè)中，由于橫波與材料的作用機(jī)制不同，需要通過(guò)橫向振動(dòng)超聲探頭或借助特殊的轉(zhuǎn)換晶體才能夠產(chǎn)生.因此，激發(fā)橫波比激發(fā)縱波更困難.橫波較短的波長(zhǎng)導(dǎo)致遇到細(xì)小缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量反射和衍射，使信號(hào)弱化失真難以采集，所以幾乎沒(méi)有學(xué)者使用超聲橫波檢測(cè)增材制造金屬產(chǎn)品的孔隙率，也未與常用的縱波進(jìn)行檢測(cè)方面的對(duì)比.由于增材制造鋁合金材料相比鑄造擁有更好的性能[13]，因此，文中采用選區(qū)激光熔化技術(shù)，通過(guò)改變掃描速度、激光功率對(duì)體積能量密度進(jìn)行調(diào)整，得到不同孔隙率的AlSi10Mg 樣品.使用不同頻率的縱波和橫波超聲探頭獲得不同孔隙率試樣的聲速和衰減系數(shù).建立起體積能量密度、試樣孔隙率與各超聲參量之間的關(guān)系(試樣孔隙率由顯微超聲獲得).最后詳細(xì)分析對(duì)比橫、縱波超聲檢測(cè)在不同情況下的各自的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì).現(xiàn)有縱波檢測(cè)方法受制于增材制造試樣孔隙的復(fù)雜性和縱波波長(zhǎng)等物理特性.檢測(cè)精度仍然較低，需要以更優(yōu)化的算法或建立深度學(xué)習(xí)模型等方式處理數(shù)據(jù)，提高精度和線性程度.希望通過(guò)結(jié)合橫波與縱波在孔隙率檢測(cè)上各自的優(yōu)勢(shì)，降低后期數(shù)據(jù)處理難度，提高檢測(cè)效率.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用SLM 在不同工藝條件下制備不同孔隙率的AlSi10Mg 試樣，設(shè)備為易加三維的EP-M260 型金屬3D 打印機(jī).AlSi10Mg 粉末粒徑為15～53 μm.2006 年，Simchi[14]提出激光體積能量密度描述工藝參數(shù)對(duì)樣品成形質(zhì)量及性能影響的關(guān)系式，現(xiàn)已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛采用.QV代表SLM 過(guò)程中材料單位體積的平均輸入能量，即體積能量密度.

式中：P為激光功率；vs為掃描速度；h為掃描間距；ts為金屬粉末層厚.

體積能量密度作為增材制造最重要的加工參數(shù)，與試樣孔隙率生成機(jī)制密切相關(guān)[2-3].文中采用345，370，395 W 3 種不同激光功率，通過(guò)調(diào)整掃描速度，使得體積能量密度以10 J/mm3為梯度，從33 J/mm3到73 J/mm3依次增加.掃描間距h和金屬粉末層厚ts分別設(shè)定為0.12 μm 和30 μm.圖1為掃描策略，初始角度為15°層層遞加10°達(dá)到75°，之后從75°層層遞減10°達(dá)到15°，依次重復(fù).樣品尺寸為50 mm × 30 mm × 12 mm.在不同加工工藝下制造的16 組選區(qū)激光熔化樣品，如圖2 所示.樣品編號(hào)為1，2，3～16 組(第16 組樣品作為驗(yàn)證，工藝與第8 組樣品相同).改變的SLM 加工參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 增材制造工藝參數(shù)Table 1 Additive manufacturing process parameters

圖1 SLM 掃描策略(mm)Fig.1 SLM scanning strategy

圖2 不同體積能量密度下AlSi10Mg 樣品Fig.2 AlSi10Mg samples at different volume energy densities

1.2 孔隙率檢測(cè)

為了獲得SLM 樣品中的真實(shí)孔隙率，使用傳統(tǒng)的廣林達(dá)-GRD-CS3 型掃描聲學(xué)顯微鏡，在浸水模式下進(jìn)行超聲掃描.GRD-CS3 掃描聲學(xué)顯微鏡平面空間分辨率為50 μm，掃描探頭頻率為15 MHz，掃描速度為300 mm/s，掃描寬度為100 mm，掃描高度為60 mm.通過(guò)在超聲C 掃圖像中使用2D 圖像分析軟件NDTS 進(jìn)行二值化處理，可以將試樣孔隙率確定為內(nèi)部標(biāo)紅的多孔面積與試樣總面積的比值.為了增強(qiáng)超聲測(cè)量結(jié)果的可信度，采用硬質(zhì)合金密度儀進(jìn)行阿基米德排水法對(duì)各試樣致密度進(jìn)行檢測(cè).

式中：ρr為相對(duì)致密度；ρ0為理論致密度；ρ水為水的密度；W空為試樣在空氣中的重力；W水為試樣在水中的重力；W線為懸掛試樣細(xì)線的重力.

1.3 超聲檢測(cè)

超聲無(wú)損檢測(cè)原理是通過(guò)一定方式激勵(lì)出某種類型的超聲波，超聲波與待測(cè)試樣相互作用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生折射、反射、透射等現(xiàn)象.超聲波聲學(xué)信息中包含多種物理量，由于不同介質(zhì)的不同組織結(jié)構(gòu)，不同超聲波在不同固體介質(zhì)中傳播時(shí)的相關(guān)物理量也不盡相同.通過(guò)提取不同試樣中超聲有效參量就可以對(duì)孔隙率進(jìn)行表征.超聲橫波、縱波都可以在固體介質(zhì)中傳播，若介質(zhì)尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，則可以視介質(zhì)為無(wú)限大.

在無(wú)限大介質(zhì)中，縱波的聲速為

在無(wú)限大介質(zhì)中，橫波的聲速為

對(duì)于特定的材料——介質(zhì)體系，其應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂速率越快，所需的拉伸速率就越高。單軸拉伸是慢應(yīng)變速率試驗(yàn)常用的加載方法，其過(guò)程是將試樣固定在拉伸機(jī)上，通過(guò)一定的器械使試樣的卡頭以一定的拉伸速率緩慢拉伸，使試樣緩慢地產(chǎn)生應(yīng)變量，直至試樣被拉斷。試驗(yàn)機(jī)應(yīng)具備以下條件：

式中：E為介質(zhì)的楊氏彈性模量；G為介質(zhì)的剪切彈性模量；ρ為介質(zhì)的密度；σ為介質(zhì)的泊松比.

超聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)，其聲能會(huì)隨著傳播距離的增加而產(chǎn)生衰減.產(chǎn)生衰減的原因有3 種，第1 種是由于超聲波與介質(zhì)界面相互作用時(shí)自身聲束的發(fā)散產(chǎn)生的擴(kuò)散衰減[15]；第2 種是由于受到位錯(cuò)阻尼、磁疇阻尼、熱彈阻尼等影響造成的吸收衰減[16]；第3 種是由于晶界、裂紋、第二相、孔隙、夾雜等造成的散射衰減.衰減系數(shù)一般來(lái)說(shuō)主要由吸收衰減αα與散射衰減αb共同組成，其中散射衰減占主導(dǎo)地位[17].

式中：f為超聲波頻率；d為晶粒直徑；λ為超聲波波長(zhǎng)；F為各項(xiàng)異性系數(shù)；c1，c2，c3，c4為常數(shù).

通?？梢岳妹}沖回波反射法來(lái)測(cè)定其衰減系數(shù)，通過(guò)讀取第m次回波與第n次回波，帶入公式，就可以獲得其衰減系數(shù).衰減系數(shù)計(jì)算公式為

式中：Am，An為第m次和第n次后壁回波的振幅；δ為反射損失，每一次反射的損失值取0.5～1 dB；x為待測(cè)試樣的厚度.

文中基于壓電超聲換能器的脈沖回波方法對(duì)聲速和衰減系數(shù)進(jìn)行測(cè)量.采用單脈沖正弦波信號(hào)，該信號(hào)能量高、頻域窄、諧波信號(hào)采集更好，非線性成分引入少.試驗(yàn)裝置包括Olympus 5072PR 型脈沖發(fā)生器/接收器，其使用頻率廣，且在優(yōu)化的寬帶激勵(lì)電壓下(特別是15～30 MHz)，具有產(chǎn)生時(shí)域恢復(fù)效果的優(yōu)點(diǎn)，一般配置為35 MHz(-3 dB)時(shí)檢測(cè)較為理想.SIGLENT SDS2074X Plus 型示波器通過(guò)USB 端口采集回波信號(hào)的數(shù)字信息(采樣間隔為5 ns，存儲(chǔ)長(zhǎng)度為100 000 pts)，并將其傳輸至計(jì)算機(jī)，用于后續(xù)的信號(hào)處理和特征提取工作.由于試樣較厚，縱波測(cè)試選用2.5Z14N 型2.5 MHz低頻壓電換能器和5Z14N 型5 MHz 低頻壓電換能器.橫波測(cè)試選用Doppler SN5P6 型5 MHz 壓電換能器.壓電換能器通過(guò)硅油與試樣耦合，并通過(guò)壓力裝置恒壓固定.圖3 為超聲裝置與檢測(cè)位置示意圖.

圖3 超聲裝置與檢測(cè)位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the ultrasonic device and detection position

換能器發(fā)射的超聲信號(hào)在厚度為x的材料中傳播，采集第6 次回波信號(hào)，此時(shí)行進(jìn)距離為12x.回波信號(hào)中橫波、縱波聲時(shí)計(jì)算聲速為

式中：V為聲速；t為橫、縱波聲時(shí).

超聲波衰減系數(shù)忽略反射損失δ，其計(jì)算公式為

實(shí)際進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，由于超聲波信號(hào)固有的頻散、多模態(tài)的特點(diǎn)，不免會(huì)引入噪聲對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生影響.同時(shí)由于采集到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和示波器的顯示精度有限，還存在外界信號(hào)對(duì)測(cè)量干擾等問(wèn)題，采集到的超聲信號(hào)不免會(huì)引入一定程度的噪聲.為了盡量減小誤差，首先，采用小波降噪輸出高信噪比的降噪信號(hào)，有效降低回波信號(hào)的雜波；其次在每個(gè)試樣的5 個(gè)不同位置收集10 組信號(hào)取平均值，如圖3 中的右側(cè)所示.其中聲速采用互相關(guān)算法計(jì)算，利用回波信號(hào)的整體信息，具有較強(qiáng)的抗噪能力，可以穩(wěn)定準(zhǔn)確地計(jì)算出聲速.衰減系數(shù)采用最值法讀取計(jì)算.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 孔隙率

在3 種不同激光功率345，370，395 W 下，試樣的孔隙率變化規(guī)律幾乎一致，如圖4 所示，可以說(shuō)明體積能量密度是孔隙率大小的決定性因素.當(dāng)體積能量密度為53 J/mm3時(shí)，孔隙率極低，均在0.3%以下.當(dāng)體積能量密度偏離53 J/mm3，即體積能量密度為43 J/mm3和63 J/mm3時(shí)，孔隙率開(kāi)始逐漸增加.相較43 J/mm3的能量輸入，體積能量密度為63 J/mm3時(shí)，孔隙率的增加幅度明顯更大.當(dāng)體積能量密度太大(73 J/mm3)或太小(33 J/mm3)時(shí)，孔隙率迅速增加，且體積能量密度過(guò)大帶來(lái)的孔隙率增大趨勢(shì)更為顯著.在體積能量密度為73 J/mm3時(shí)孔隙率最大達(dá)到15.45%.體積能量密度為33 J/mm3時(shí)，最大單個(gè)孔隙面積達(dá)到0.16%.3 種激光功率與孔隙率關(guān)系如圖5 所示.

圖4 不同體積能量密度試樣顯微超聲圖像Fig.4 Microscopic ultrasound images of specimens with different volume energy densities

圖5 3 種激光功率下體積能量密度與孔隙率關(guān)系Fig.5 Energy density versus porosity at three laser powers.(a) 345 W; (b) 370 W; (c) 395 W

3 種激光功率下，最大孔隙率均在體積能量密度為73 J/mm3時(shí)出現(xiàn)，主要原因是掃描速度的降低使得熔池中輸入能量過(guò)高，造成粉末燒蝕重融，干擾鋪粉質(zhì)量，導(dǎo)致氣體溶解度增加，形成眾多過(guò)燒孔隙[18].單個(gè)最大孔隙均在體積能量密度為33 J/mm3時(shí)出現(xiàn)，主要原因是激光掃描速度的急劇增加導(dǎo)致輸入熔池的能量減少，一方面，只有位于掃描路徑中心的粉末得到充分熔化，周圍未熔粉末在熔池邊緣搭接處形成未熔合孔隙；另一方面，熔深的降低導(dǎo)致層間結(jié)合緊密度降低，同樣造成大體積未熔合孔隙出現(xiàn)[19].

采用硬質(zhì)合金密度儀進(jìn)行排水法測(cè)試，儀器如圖6 所示.每個(gè)試樣重復(fù)測(cè)試5 次取平均值(AlSi10Mg 的理論密度為2.68 g/cm3，水的理論密度為1 g/cm3)，測(cè)試結(jié)果如表2 所示.相較超聲掃描所測(cè)孔隙率，采用排水法時(shí)每次測(cè)試誤差較大，但總體趨勢(shì)一致，所以采用超聲掃描更為準(zhǔn)確，也證明了超聲掃描檢測(cè)孔隙率是可靠的.

表2 排水法與超聲掃描孔隙率數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of porosity data from drainage method and from ultrasonic scan

圖6 硬質(zhì)合金密度儀Fig.6 Cemented carbide density meter

2.2 聲速與衰減系數(shù)

表3 為各試樣檢測(cè)得到的聲速與衰減系數(shù).需要注意的是，由于每個(gè)樣品聲速在5 個(gè)位置共10 次獨(dú)立測(cè)量計(jì)算中得出的誤差絕大部分小于0.2%，小于測(cè)量的標(biāo)記尺寸；衰減系數(shù)絕對(duì)值較小導(dǎo)致同個(gè)試樣5 個(gè)位置相比誤差較大，但平均值變化較為規(guī)律，故圖表中未繪制與標(biāo)記誤差.3 種不同激光功率試樣檢測(cè)得到的聲速和衰減系數(shù)擬合優(yōu)度如表4 所示.

表3 2.5 MHz 縱波和5 MHz 縱波、橫波的聲速與衰減系數(shù)Table 3 Sound velocity and attenuation coefficients of 2.5 MHz longitudinal wave and 5 MHz longitudinal wave,transverse wave

表4 2.5 MHz 縱波和5 MHz 縱波、橫波各組擬合優(yōu)度Table 4 Goodness of fit for each group of 2.5 MHz longitudinal wave and 5 MHz longitudinal wave, transverse wave

2.2.1 聲速

3 種不同激光功率試樣均采用2.5 MHz 縱波、5 MHz 縱波和5 MHz 橫波探頭進(jìn)行檢測(cè).檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聲速最大值均在體積能量密度為53 J/mm3時(shí)，即孔隙率最小時(shí)出現(xiàn)；聲速最小值均在體積能量密度為73 J/mm3時(shí)，即孔隙率最大時(shí)出現(xiàn).縱波、橫波聲速都與對(duì)應(yīng)孔隙率成明顯反比關(guān)系，隨著孔隙率的增加聲速不斷降低，這是孔隙率增大導(dǎo)致試樣有效彈性模量減小所造成的.圖7 為5 MHz縱波聲速與孔隙率關(guān)系(由于2.5 MHz 縱波、5 MHz 縱波、橫波3 組試樣變化規(guī)律一致，故文中只提供一組結(jié)果).如表3 所示，激光功率345 W時(shí)，孔隙率從體積能量密度為53 J/mm3時(shí)的0.12%增加至73 J/mm3時(shí)的15.45%，聲速的降幅達(dá)到最大.2.5 MHz 縱波聲速平均值由6 396 m/s 降低至6 236 m/s，最大速度差為160 m/s；5 MHz 縱波聲速平均值由6 358 m/s 降低至6 259 m/s，最大速度差101 m/s；橫波聲速平均值由3 311 m/s 降低至3 184 m/s，最大速度差為127 m/s.

圖7 不同激光功率下5 MHz 縱波聲速與孔隙率的關(guān)系Fig.7 5 MHz longitudinal sound velocity versus porosity at different laser power.(a) 345 W; (b) 370 W; (c)395 W

超聲波速度已被證明與低于5 MHz 的傳播頻率無(wú)關(guān)[8]，文中試驗(yàn)2.5 MHz 縱波聲速平均值與5 MHz 縱波聲速平均值差值均小于1%，與文獻(xiàn)[8]結(jié)論相符.從表3 中兩種縱波在3 種激光功率下的擬合優(yōu)度可以發(fā)現(xiàn)，2.5 MHz 縱波在單組試樣中的表現(xiàn)略優(yōu)于5 MHz 縱波.若忽略激光功率差異，整體計(jì)算1～15 組擬合程度，如圖8 所示，5 MHz縱波聲速線性程度反而優(yōu)于5 MHz 橫波.從縱波與橫波聲速對(duì)比發(fā)現(xiàn)，橫波聲速約為縱波一半，且縱波與橫波相比聲速絕對(duì)值變化幅度更大，整體來(lái)看縱波聲速與孔隙率之間有著更為線性的擬合關(guān)系.

圖8 1～15 組聲速與孔隙率線性關(guān)系Fig.8 From group 1 to group 15 linear relationship between sound velocity and porosity

2.2.2 衰減系數(shù)

由圖9 可知，與聲速相反，3 種不同激光功率試樣超聲衰減系數(shù)與孔隙率均成正比關(guān)系，隨著孔隙率增加衰減系數(shù)同樣增大.通過(guò)式(9)計(jì)算衰減系數(shù)(忽略反射損失δ)，激光功率為345 W 時(shí)，5 MHz縱波衰減系數(shù)由第3 組試樣的0.033 增加至第5 組試樣的0.078，差值為0.045，其對(duì)應(yīng)孔隙率由0.12%增長(zhǎng)至15.45%，此時(shí)橫波衰減系數(shù)從0.16增長(zhǎng)至0.29，差值為0.13，橫波遠(yuǎn)大于縱波的衰減系數(shù)變化值.還可以發(fā)現(xiàn)激光功率為370，395 W時(shí)，5 MHz 橫波衰減系數(shù)約為5 MHz 縱波衰減系數(shù)2 倍；當(dāng)激光功率降低至345 W 時(shí)，橫波衰減系數(shù)最高可達(dá)到縱波衰減系數(shù)5 倍.這種現(xiàn)象可能是由于較低的激光功率造成孔隙形貌和大小發(fā)生較大改變而導(dǎo)致[9].

圖9 不同激光功率下，5 MHz 橫波衰減系數(shù)與孔隙率關(guān)系Fig.9 5 MHz transverse wave attenuation coefficient versus porosity at different laser power.(a) 345 W; (b) 370 W; (c) 395 W

1～15 組試樣5 MHz 縱波衰減系數(shù)與2.5 MHz縱波相比略微增大，整體線性程度也略有提高.如圖10 所示，橫波衰減系數(shù)線性程度明顯優(yōu)于縱波.

圖10 1～15 組衰減系數(shù)與孔隙率線性關(guān)系Fig.10 Linear relationship between attenuation coefficient and porosity from group1 to group15

2.3 橫波和縱波的對(duì)比分析

2.3.1 2.5 MHz 縱波與5 MHz 縱波

從所有測(cè)量結(jié)果中，5 MHz 縱波與2.5 MHz 縱波相比聲速幾乎不變，衰減系數(shù)略微升高，分組擬合優(yōu)度略低，整體線性程度更高.分析發(fā)現(xiàn)，5 MHz縱波頻率更高、波長(zhǎng)更短，根據(jù)式(5)和式(6)可知，5 MHz 縱波衰減系數(shù)更大，與試驗(yàn)結(jié)果相符.由于5 MHz 縱波波長(zhǎng)為2.5 MHz 縱波一半，自然對(duì)孔隙分辨率更高，同時(shí)驗(yàn)證了5 MHz 縱波整體線性程度優(yōu)于2.5 MHz 縱波，更適用于孔隙率檢測(cè).

2.3.2 5 MHz 縱波與5 MHz 橫波

通過(guò)觀察圖8 可以發(fā)現(xiàn)，5 MHz 縱波聲速絕對(duì)值變化量、整體線性程度都明顯優(yōu)于5 MHz 橫波，這意味著若采用聲速對(duì)孔隙率進(jìn)行表征，縱波比橫波能更敏感識(shí)別孔隙且預(yù)測(cè)效果更好.據(jù)公式(3)，(4)可知，縱波聲速變化可視為試樣彈性模量變化，橫波聲速變化可視為試樣剪切模量變化.雖然已有學(xué)者[20]通過(guò)多孔材料模型研究孔隙率與楊氏模量間的相關(guān)關(guān)系，但由于增材制造產(chǎn)品孔隙形貌復(fù)雜，包含小型球形氣孔、過(guò)燒凹坑和大體積未熔合缺陷等諸多孔隙，且分布隨機(jī).因此，與理想化模型差距較大.已有研究證明增材制造產(chǎn)品孔隙率對(duì)圖1 中z軸方向力學(xué)性能影響大于y軸方向[21]，其楊氏模量變化率也高于剪切模量，一定程度上解釋了縱波聲速在進(jìn)行孔隙率檢測(cè)時(shí)優(yōu)于橫波.此外，有學(xué)者通過(guò)有限元分析和等軸拉伸壓縮試驗(yàn)對(duì)比研究簡(jiǎn)單剪切及純剪切情況下，橫波、縱波聲速變化情況[19]，發(fā)現(xiàn)橫波聲速只取決于微觀結(jié)構(gòu)紋理演變，而縱波聲速對(duì)點(diǎn)缺陷變化十分敏感，可能也是該現(xiàn)象發(fā)生的原因之一.

與聲速相反，5 MHz 橫波衰減系數(shù)絕對(duì)值變化量、整體線性程度都明顯優(yōu)于5MHz 縱波.同頻率橫波波長(zhǎng)是縱波的一半導(dǎo)致橫波衰減系數(shù)絕對(duì)值變化更大，對(duì)孔隙率變化更為敏感，線性程度也更好.由于縱波振動(dòng)方向平行于傳播方向，而橫波振動(dòng)方向垂直于傳播方向，橫向運(yùn)動(dòng)對(duì)極化方向敏感[22]，橫波在評(píng)估增材制造產(chǎn)品各向異性方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)[23].因此，另一種可能的解釋是由于橫波對(duì)于增材制造特殊層狀結(jié)構(gòu)的剪切和相互作用，所以縱波線性程度更好.

3 結(jié)論

(1) 在3 種不同激光功率下，通過(guò)調(diào)節(jié)體積能量密度制備15 組不同孔隙率的AlSi10Mg 試樣.體積能量密度以相等梯度增大時(shí)，顯著地造成孔隙率上升.體積能量密度為53 J/mm3時(shí)，試樣的孔隙率均小于0.3%；在體積能量密度為73 J/mm3時(shí)，出現(xiàn)最大孔隙率；在體積能量密度為33 J/mm3時(shí)，出現(xiàn)最大單個(gè)孔隙面積.

(2) 使用聲速表征孔隙率時(shí)，縱波相較橫波對(duì)孔隙率變化更敏感，線性程度更好.橫、縱波聲速均與孔隙率成反比關(guān)系，聲速隨著孔隙率的增加而減??；使用衰減系數(shù)表征孔隙率時(shí)，橫波較縱波更敏感，線性程度更好.橫、縱波衰減系數(shù)均與孔隙率成正比關(guān)系，衰減系數(shù)隨著孔隙率的增加而增加

(3) 5 MHz 縱波在使用聲速和衰減系數(shù)對(duì)孔隙率進(jìn)行表征時(shí)效果均優(yōu)于2.5 MHz 縱波.