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(1 北京航空材料研究院，北京 100095；2 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；3 材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

金屬增材制造技術(shù)發(fā)展動向及無損檢測研究進展

楊平華1,2,3，高祥熙1,2,3，梁菁1,2,3，史亦韋1,2,3，徐娜1,2,3

(1北京航空材料研究院，北京100095；2航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京100095；3材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京100095)

簡要論述金屬增材制造技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展動向、應(yīng)用情況，以及金屬增材制造制件的特點和檢測難點等；重點報道金屬增材制造制件無損檢測研究進展，主要包括金屬增材制造的主要工藝類型及缺陷特征、組織特征，缺陷對性能影響的分析，無損檢測方法研究現(xiàn)狀，以及無損檢測標準方面的最新進展等。在此基礎(chǔ)上，對金屬增材制造制件無損檢測未來應(yīng)關(guān)注的研究方向給出建議，即無損檢測新技術(shù)的應(yīng)用、在線檢測方法、數(shù)值模擬技術(shù)、應(yīng)力測試與特征技術(shù)和無損檢測方法標準的建立和完善。

增材制造；無損檢測；金屬制件；航空航天

增材制造技術(shù)是相對于傳統(tǒng)的機加工等“減材制造”技術(shù)而言的，該技術(shù)基于離散/堆積原理，以合金粉末或絲材為原材料，采用激光、電子束等高能束進行原位冶金熔化/快速凝固逐層堆積，直接從零件數(shù)字模型一步完成全致密、高性能金屬制件的近凈成形制造[1-3]，與鍛壓+機械加工、鍛造+焊接等傳統(tǒng)金屬制件制造技術(shù)相比，具有無需刀具和模具、材料利用率高、產(chǎn)品制造周期短、可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造等優(yōu)勢，尤其適合于飛機、飛船、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等航空航天國防裝備大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件的低成本、短周期、快速成形制造[4-6]。

本文將首先介紹金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展動向、應(yīng)用情況，以及金屬增材制造制件的特點及檢測難點等，隨后從金屬增材制造制件的組織與缺陷特征、缺陷對性能的影響規(guī)律、無損檢測方法研究、檢測方法標準等角度出發(fā)，介紹國內(nèi)外在金屬增材制造制件無損檢測方面的最新研究進展，并對該技術(shù)未來應(yīng)關(guān)注的研究方向給出建議。

1 國內(nèi)外發(fā)展及應(yīng)用情況

金屬材料增材制造技術(shù)是在航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵件研制需求的牽引下誕生的，該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，國內(nèi)外都非常重視。

2012年8月，美國政府為加強增材制造技術(shù)的研究，聯(lián)合了14所大學(xué)、40余家企業(yè)成立了美國國家增材制造創(chuàng)新研究院(NAMII)，把航空航天應(yīng)用需求作為增材制造的優(yōu)先研究目標。英國政府于2014年初宣布設(shè)立國家增材制造中心，并投入3000萬英鎊用于研發(fā)發(fā)動機和起落架零件的增材制造技術(shù)。德國建立了直接制造研究中心，主要研究和推動增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)輕量化方面的應(yīng)用。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省設(shè)立了新物造研究工作組，以改變?nèi)毡驹谠霾闹圃旒夹g(shù)方面落后于歐洲和美國的態(tài)勢。在各國政府的大力資助下，增材制造技術(shù)得到了快速發(fā)展。美國波音公司、洛克希德·馬丁公司、GE公司、英國羅·羅公司、意大利AVIO公司、加拿大國家研究院、澳大利亞國家科學(xué)研究中心等大型公司和國家研究機構(gòu)都在金屬增材制造技術(shù)及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用等方面進行了大量研究工作[7-10]。

國內(nèi)在金屬增材制造技術(shù)研究與應(yīng)用方面也取得了較大進展。2012年10月，成立了增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟以促進該技術(shù)的協(xié)同發(fā)展；2016年4月，成立了全國增材制造標準化技術(shù)委員會，致力于增材制造技術(shù)相關(guān)標準的研究和制定。一些高校和科研院所在增材制造技術(shù)研究領(lǐng)域取得了顯著成果。北京航空航天大學(xué)在大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的激光熔融沉積技術(shù)方面開展了深入的研究工作，制備出了大型鈦合金承力結(jié)構(gòu)件并已在多個型號中獲得應(yīng)用[4,11]；西北工業(yè)大學(xué)開展了激光熔融沉積技術(shù)的系統(tǒng)化研究工作，形成了包括材料、工藝、裝備和應(yīng)用技術(shù)在內(nèi)的完整的技術(shù)體系[8]；中航工業(yè)北京航空制造工程研究所在電子束熔絲沉積技術(shù)方面開展了深入研究[5]；清華大學(xué)是國內(nèi)較早開展增材制造技術(shù)研究的單位，主要工作集中于電子束選區(qū)熔化成形工藝研究及成形設(shè)備的研發(fā)[9]。

盡管國內(nèi)外在增材制造制件的成形及應(yīng)用研究方面取得了大量成果，但距離增材制造制件在航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域的大量應(yīng)用還存在較大差距。內(nèi)部質(zhì)量和內(nèi)應(yīng)力的控制，以及成形件尺寸精度的評價等問題是增材制造技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)，也是制約該技術(shù)走向廣泛應(yīng)用的瓶頸之一，亟需開展系統(tǒng)化的檢測與評價方法研究[1,12,13]。

2 金屬增材制造制件的特點及檢測難點

金屬增材制造采用逐點或逐層堆積材料的方法制造金屬制件，屬于離散、堆積成形的“增材”方法，其與傳統(tǒng)的去除成形(車、銑、刨、磨等)和受迫成形(鍛壓、鑄造粉末冶金等)等“減材”制造方法存在本質(zhì)上的不同[1,8]。由于增材制造成形工藝的特殊性，導(dǎo)致增材制造金屬制件具有不同于傳統(tǒng)金屬制件的特點，從而給制件質(zhì)量控制帶來難度。

從制件的結(jié)構(gòu)特征方面來講，金屬增材制造制件的特點及檢測難點主要表現(xiàn)在以下方面：(1)增材制造不再受限于模具尺寸、鍛壓及加工設(shè)備能力等，可一次性完成大型整體結(jié)構(gòu)件的快速成形，具有零件尺寸大、以框梁結(jié)構(gòu)為主等特點，這一方面要求具備大型檢測設(shè)備，另一方面框梁結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致無效掃查區(qū)域大，從而降低檢測效率，因此，適用于大型結(jié)構(gòu)件的檢測設(shè)備開發(fā)及檢測方法研究成為難點之一；(2)增材制造技術(shù)將每一層“薄片”疊加而形成三維實體零件，無需傳統(tǒng)的刀具或模具，即可實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以或無法加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，但零件的復(fù)雜性往往導(dǎo)致常規(guī)檢測手段面臨可達性差、檢測盲區(qū)大等問題，給無損檢測帶來很大挑戰(zhàn)；(3)增材制造技術(shù)的另一應(yīng)用趨勢是精細結(jié)構(gòu)的制造，這種結(jié)構(gòu)往往對于尺寸精度要求非常高，需要采用無損檢測手段進行外形尺寸及內(nèi)腔結(jié)構(gòu)等的精密測量，但目前尚未在這方面進行系統(tǒng)化的研究。

除結(jié)構(gòu)特征外，金屬增材制造制件的組織和缺陷特征也與傳統(tǒng)制件不同，主要表現(xiàn)為組織的不均勻性以及明顯的各向異性，加之主要缺陷類型及分布特征等均與傳統(tǒng)制件差異較大，因此，必須針對金屬增材制造制件的特殊性開展專門的檢測方法及驗收標準研究，不宜照搬傳統(tǒng)制件檢測方法，這也是金屬增制造制件質(zhì)量控制面臨的一大難點。

3 金屬增材制造制件的無損檢測研究進展

增材制造制件組織與缺陷的特殊性以及結(jié)構(gòu)的大型化、復(fù)雜化和精細化，給傳統(tǒng)檢測手段帶來挑戰(zhàn)。國外在金屬增材制造制件的無損檢測研究方面開展得較為充分，美國NASA、GE公司，德國弗朗和費研究所，MTU公司，英國TWI等在金屬增材制造制件的無損檢測方法研究方面取得了大量成果[14-16]；相比較而言，國內(nèi)的無損檢測研究工作較為滯后，且缺乏系統(tǒng)性，先進無損檢測手段的應(yīng)用程度較低[17]。本部分將分別從金屬增材制造制件的組織和缺陷特征、缺陷對性能的影響、無損檢測方法、無損檢測標準等方面，對國內(nèi)外金屬增材制造制件無損檢測的研究進展進行介紹。

3.1金屬增材制造制件的組織和缺陷特征

3.1.1金屬增材制造制件的缺陷

根據(jù)填充材料方式和高能束種類的不同，常用的金屬增材制造技術(shù)可分為激光熔粉沉積(LMD)技術(shù)、電子束熔絲沉積(EBFF)技術(shù)、激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)以及電子束選區(qū)熔化(EBM)技術(shù)四種[13,18]。其中，LMD和EBFF技術(shù)主要用于框梁類大型金屬結(jié)構(gòu)件的成形，SLM和EBM技術(shù)具有成形件尺寸精度高、表面粗糙度好等特點，尤其適合于復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)以及異型空腔結(jié)構(gòu)的成形。

金屬增材制造制件在制造和使用過程中產(chǎn)生缺陷是不可避免的，美國空軍研究實驗室的Kobryn[19]，英國伯明翰大學(xué)的Wu[20]以及曼徹斯特大學(xué)的Dutta等[21]分別在TC4鈦合金及316L不銹鋼激光增材制造零件內(nèi)部觀察到了氣孔及熔合不良缺陷，圖1為典型缺陷的形貌。西北工業(yè)大學(xué)的張鳳英等[22]采用微觀分析方法，研究了鈦合金激光熔粉沉積過程中缺陷形成機理及影響因素，發(fā)現(xiàn)成形件內(nèi)部存在氣孔和熔合不良缺陷，氣孔是否形成主要取決于粉末材料的特性，熔合不良缺陷則主要由成形工藝參數(shù)控制不當(dāng)引起。西北有色金屬研究院的湯慧萍等[23]針對電子束選區(qū)熔化技術(shù)進行深入研究，發(fā)現(xiàn)成形件內(nèi)部存在氣孔、未熔合、變形、開裂等缺陷，主要與成形工藝不當(dāng)及粉末原料等有關(guān)。筆者所在團隊針對增材制造制件無損檢測過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷開展了大量解剖實驗，在典型缺陷的無損檢測顯示信號與缺陷特征之間建立了聯(lián)系。

圖1 金屬增材制造制件中的典型缺陷形貌[20] (a)未熔合；(b)氣孔Fig.1 Defect appearance in metal additive manufacture product[20] (a)lack of fusion;(b)gas pore

3.1.2金屬增材制造制件的組織特征

由于增材制造是材料逐層熔化沉積和快速凝固的過程，該工藝將材料制備與零件成形過程合二為一，因此其組織特征與常規(guī)鍛件及鑄件等存在很大差異。西北工業(yè)大學(xué)的陳靜、張霜銀等[24,25]研究了激光熔粉沉積TC4鈦合金的熔凝組織以及成形工藝對組織的影響規(guī)律，結(jié)果表明：激光熔粉沉積TC4鈦合金的宏觀組織表現(xiàn)為多層熔覆層組織、以及穿越熔覆層呈外延生長的柱狀晶，柱狀晶的尺寸主要受激光功率及掃描速率的影響。中航工業(yè)北京航空制造工程研究所的陳哲源、楊光等[26,27]探討了電子束熔絲沉積TC4、TC18鈦合金的組織形貌特征及形成機制，發(fā)現(xiàn)電子束熔絲沉積鈦合金縱截面的組織形貌特征表現(xiàn)為明顯的層帶及垂直向上生長的粗大柱狀晶。北京航空航天大學(xué)的Qian等[28]對激光增材制造TA2/TA15梯度結(jié)構(gòu)材料的顯微組織進行了觀察，發(fā)現(xiàn)TA2部分宏觀組織為近等軸晶組織，顯微組織為魏氏α片層組織，TA15部分宏觀組織是粗大的柱狀晶，顯微組織是細小的網(wǎng)籃組織，如圖2所示。作者所在團隊針對激光、電子束沉積成形鈦合金不同成形方向的宏觀組織及其與超聲顯示的關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)超聲底波C掃描結(jié)果與組織特征具有一定對應(yīng)性(見圖3)，在進行超聲波聲束入射方向選擇及靈敏度調(diào)整時應(yīng)考慮組織差異帶來的影響[29]。

圖2 TA2/TA15梯度結(jié)構(gòu)材料縱截面宏觀組織[28]Fig.2 Longitudinal section macrostructure of TA2/TA15 graded structural material[28]

3.2增材制造制件缺陷對力學(xué)性能的影響

目前針對金屬增材制造制件力學(xué)性能的研究，主要集中于不同牌號材料成形件的拉伸、高溫持久、疲勞等性能，以及增材制造制件力學(xué)性能與鍛件的對比等[30-33]。西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位在增材制造鈦合金以及高強鋼的力學(xué)性能方面開展了大量實驗，研究結(jié)果表明，增材制造制件的力學(xué)性能達到或接近鍛件水平，部分性能甚至優(yōu)于鍛件[34-36]。美國德克薩斯大學(xué)的Murra等[37,38]對比了電子束熔絲成形及激光選區(qū)熔化TC4鈦合金與傳統(tǒng)鍛件和鑄件的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)增材制造TC4鈦合金制件的性能與鍛件相當(dāng)。

上述研究工作均未考慮制件內(nèi)部可能存在的缺陷對力學(xué)性能的影響。由于缺少缺陷對于增材制造制件的力學(xué)性能，尤其是疲勞性能的影響數(shù)據(jù)，導(dǎo)致目前的無損檢測驗收標準不完善，往往參照鍛件或鑄件進行產(chǎn)品驗收，給產(chǎn)品的安全使用帶來隱患。2014年，NASA在研究報告中提出，希望建立基于無損評價的增材制造產(chǎn)品驗收及許用性能數(shù)據(jù)庫，以推動增材制造制件的工程化應(yīng)用[39]。因此，明確增材制造制件中缺陷對力學(xué)性能的影響規(guī)律，是保證增材制造制件使用安全性的重要前提，也是增材制造制件走向工程化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

目前，已經(jīng)公開報道的關(guān)于增材制造制件中缺陷對力學(xué)性能影響的研究并不多見。作者所在團隊在這方面做了一些探索性研究，采用超聲檢測和力學(xué)性能實驗相結(jié)合的方式研究了激光熔粉沉積鈦合金內(nèi)部缺陷與疲勞壽命的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)缺陷類型、尺寸、距邊緣的距離等均會對疲勞壽命產(chǎn)生影響，未熔合缺陷帶來的疲勞壽命降低最為明顯，隨著氣孔尺寸的增大以及距表面距離的減小，疲勞壽命呈下降趨勢，如表1所示；研究結(jié)果也證明，超聲檢測可有效檢出增材制造鈦合金制件內(nèi)部的缺陷[40]。上述研究結(jié)果具有一定的工程應(yīng)用參考價值，但由于數(shù)據(jù)量有限，仍缺乏系統(tǒng)性和完整性，還需進行大量的試驗和分析。

圖3 TC18激光熔粉沉積鈦合金的低倍照片及超聲底波C掃描圖[29] (a)沉積方向低倍照片；(b)垂直于沉積方向低倍照片；(c)沉積方向底波C掃描圖；(d)垂直于沉積方向底波C掃描圖Fig.3 Macro-images and C-scan images of back-wall echo for TC18 laser additive manufacture[29](a)macro-image of deposition direction;(b)macro-image perpendicular to deposition direction;(c)C-scan image of deposition direction;(d)C-scan image perpendicular to deposition direction

3.3金屬增材制造制件無損檢測方法研究

3.3.1離線檢測技術(shù)

目前大多數(shù)檢測工序均安排在產(chǎn)品成形后進行，即采用制造與檢測過程相對獨立的離線檢測方式。大量使用的無損檢測方法包括傳統(tǒng)的超聲、X射線、渦流等。沃爾沃航空公司的Nilsson等[41]采用超聲渦流一體化自動檢測設(shè)備和X射線檢測方法，對增材制造TC4鈦合金上的人工缺陷進行檢測，并比較了超聲、渦流、X射線檢測方法對缺陷的檢測效果。英國TWI的Rudlin等[42]在激光熔粉沉積鎳基合金試樣上制作人工缺陷，對渦流方法的檢測能力進行實驗表明，渦流檢測對于φ0.2mm表面缺陷，以及1mm深度處φ0.6mm缺陷的檢出率可達90%。中航工業(yè)北京航空制造工程研究所的韓立恒等[43]初步研究了超聲相控陣檢測技術(shù)在A-100鋼電子束熔絲成形制件中的應(yīng)用，結(jié)果表明：超聲相控陣檢測技術(shù)在A-100鋼電子束熔絲成形件內(nèi)部微裂紋檢測和大厚度制件檢測中有較好的效果，超聲波入射方向和角度對于微裂紋的識別至關(guān)重要，成形件微觀組織則對入射方向和角度的選擇有較大影響。

表1 激光熔粉沉積TC11鈦合金材料缺陷對疲勞性能的影響[40]Table 1 Influence of defects on mechanical properties in LAM titanium alloy[40]

*A few specimen has internal gas pore smaller than 100μm or edge gas pore smaller than 85μm.

隨著增材制造制件向復(fù)雜化、精細化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的檢測技術(shù)已經(jīng)不能滿足制件的檢測要求，CT檢測技術(shù)在復(fù)雜制件檢測方面的優(yōu)勢逐漸凸顯。NASA使用CT檢測技術(shù)對幾乎所有的增材制造制件進行缺陷檢測，傳統(tǒng)的超聲、X射線、渦流、滲透等技術(shù)僅作為輔助手段，同時，NASA還使用CT技術(shù)進行成形零件尺寸精度的測量[14]。Zilkowski等[44]，Zanini等[45]則采用CT檢測技術(shù)對激光選區(qū)熔化制造的316L不銹鋼零件以及Ti6Al4V試樣中的孔隙率、孔隙尺寸及取向等進行檢測。Anton等[46]采用μCT檢測技術(shù)成功檢出了孔隙率僅為0.005%的激光增材制造鈦合金復(fù)雜構(gòu)件中采用常規(guī)方法難以檢出的微孔隙，并對比了熱等靜壓前后孔隙率的變化情況。

除CT檢測技術(shù)外，激光超聲檢測技術(shù)也開始應(yīng)用于增材制造制件的無損檢測。加拿大國家研究委員會采用激光超聲結(jié)合SAFT(合成孔徑聚焦)的方式，成功地檢測出了718合金及TC4鈦合金中的氣孔、未熔合、結(jié)合不良等缺陷，所檢出的氣孔缺陷尺寸約為0.4mm，圖4，5分別為試樣的激光超聲及μCT檢測結(jié)果，二者具有良好的對應(yīng)性，證實了采用激光超聲進行增材制造制件檢測的可行性[47]。由于激光超聲具有非接觸、可檢測復(fù)雜形狀制件以及對檢測環(huán)境要求不高等優(yōu)勢，特別適合于進行制造過程中的在線實時檢測，TWI公司等正在開展增材制造制件的激光超聲在線檢測技術(shù)研究，并取得了顯著成果[48]。

圖4 激光超聲檢測的C掃描及B掃描圖像[47]Fig.4 C scan and B scan of laser ultrasonic[47]

圖5 圖4中缺陷的μCT成像[47]Fig.5 μCT image of defects in fig.4[47]

3.3.2 在線檢測技術(shù)

采用傳統(tǒng)的離線檢測手段進行成形后鑄件、鍛件的檢測具有良好的效果。然而，對于增材制造制件，其成形原理與傳統(tǒng)制造方式不同，原材料、成形工藝參數(shù)、成形后的加工等都可能導(dǎo)致大量廢品的產(chǎn)生從而帶來浪費，這使得許多企業(yè)和研究機構(gòu)開始尋找增材制造制件生產(chǎn)過程中的在線無損檢測方法[12,14,16]，通過實時監(jiān)控成形過程中制件的組織變化、缺陷產(chǎn)生等異常，隨時做出工藝調(diào)整以減少廢品的產(chǎn)生，并有助于實現(xiàn)制造過程的閉環(huán)控制。

MTU公司[49-51]采用熒光滲透檢測表面缺陷和X射線檢測內(nèi)部孔洞類缺陷相結(jié)合的方式進行激光選區(qū)熔化復(fù)雜制件的檢測，為了解決X射線無法可靠檢出內(nèi)部未熔合缺陷的問題，采用了一種新的在線檢測手段——光學(xué)斷層成像技術(shù)(OT)，在EOS M280型成形設(shè)備上安裝了高分辨率光學(xué)攝像頭，進行成形過程中質(zhì)量的監(jiān)控，該方法可檢出最小尺寸為0.2mm的孔型人工缺陷，橫向分辨力0.1mm，并可清晰顯示未熔合缺陷的尺寸和位置(圖6)。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Krauss等[52]在EOS M270型激光選區(qū)熔化成形設(shè)備上安裝了紅外攝像機，以監(jiān)控成形過程中沉積層的溫度分布及瞬態(tài)演變，從而監(jiān)測制件內(nèi)部可能產(chǎn)生的氣孔及其他異常，該方法可檢出的最小缺陷尺寸為100μm。弗朗和費研究所和MTU公司合作，在EOS的打印機基板下固定超聲波探頭，對成形過程中厚度、聲速以及超聲信號頻譜等的變化進行在線監(jiān)控，并分析了激光功率對成形件質(zhì)量及超聲信號的影響，通過與CT檢測結(jié)果的對比表明，該方法對于50%激光功率下成形件內(nèi)低至3%的氣孔率仍可有效檢測(圖7)[53-55]。

圖6 典型缺陷的光學(xué)斷層成像檢測結(jié)果[49] (a)試樣人工傷成像；(b)制件未熔合成像Fig.6 OT images of typical defects[49] (a)manual defect;(b)lack of fusion in product

圖7 超聲在線檢測B掃描圖像與CT結(jié)果的對比[53]Fig.7 B scan of ultrasonic online inspection and CT image[53]

總體來看，目前國外對于金屬增材制造制件在線檢測方法的研究仍處于探索階段，檢測對象多局限于形狀簡單的人工試樣，國內(nèi)在這一方面尚未開展系統(tǒng)的工作。因此，目前的技術(shù)水平距離實現(xiàn)增材制造復(fù)雜形狀制件的在線檢測還有一定差距，仍有大量工作需要開展。

3.4無損檢測標準建立

隨著增材制造技術(shù)的日臻成熟，近年來與之相關(guān)的標準化工作也日趨活躍。2009年，美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)成立了專門的增材制造技術(shù)委員會ASTMF42，約215個成員單位參與相關(guān)的工作，并且已經(jīng)頒布實施了10項標準；2011年，國際標準化組織(ISO)也成立了增材制造技術(shù)委員會，目前已發(fā)布相關(guān)標準5項[56,57]；這兩個組織所作的工作對于增材制造技術(shù)的標準化工作起到了極大的推動作用。國內(nèi)近年來也開始重視增材制造相關(guān)標準制定工作，于2016年4月21日成立了全國增材制造標準化技術(shù)委員會，專門負責(zé)增材制造技術(shù)標準的制定工作。

在增材制造制件無損檢測相關(guān)標準方面，已經(jīng)公開發(fā)布的與無損檢測相關(guān)的標準只有AMS4999A《退火Ti-6Al-4V鈦合金直接沉積產(chǎn)品》，該標準對于TC4鈦合金增材制造制件的無損檢測驗收要求做出了較為明確的規(guī)定，但對于無損檢測實施方法并未做詳細說明，而是直接引用了AMS2631《鈦和鈦合金棒材和坯料超聲波檢測》、ASTME1742《射線檢查》等通用的金屬制件檢測方法。2013年，在美國商務(wù)部國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的資助下，美國白沙測試研究室將ASTME07(無損評價)和ASTMF42(增材制造)聯(lián)系起來，第一份標準草案ASTMWK47031《航空用增材制造金屬制件無損檢測指南》于2014年6月獲得通過[39]。同時，ASTM還制訂了增材制造產(chǎn)品無損檢測系列標準研究計劃。

國內(nèi)目前正在積極開展增材制造制件無損檢測方法標準的制定工作，但尚未形成完整的標準體系。筆者所在團隊在積累了大量實驗數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，編制了鈦合金增材制造制件無損檢測相關(guān)方法標準(企業(yè)標準)以指導(dǎo)制件的檢測，取得了良好的效果。

4 金屬增材制造制件無損檢測的未來研究方向

無損檢測是促進增材制造制件在航空航天等領(lǐng)域大量應(yīng)用的關(guān)鍵之一，國內(nèi)外研究者在檢測方法研究方面做了大量卓有成效的工作。未來還應(yīng)跟隨增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢開展新的研究工作，筆者就未來應(yīng)重點關(guān)注的研究方向給出如下建議：

(1)無損檢測新技術(shù)的應(yīng)用研究。隨著增材制造制件向大型化、精細化、復(fù)雜化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的無損檢測手段已難以滿足要求，需開展激光超聲、高分辨率工業(yè)CT等無損檢測新技術(shù)的應(yīng)用研究。

(2)在線檢測方法研究。增材制造制件的在線檢測是未來重點發(fā)展方向之一，目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了增材制造制件在線檢測技術(shù)探索性研究，但距離實際應(yīng)用仍有一定差距，還需在熱成像、光學(xué)成像、激光超聲等在線檢測手段方面進行深入研究。

(3)數(shù)值模擬技術(shù)。增材制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件的無損檢測，可能存在檢測靈敏度及檢測盲區(qū)無法驗證的問題，采用數(shù)值模擬技術(shù)進行超聲、射線等檢測技術(shù)的模擬，可預(yù)先判斷缺陷可檢性與聲束覆蓋范圍等，為制定檢測工藝提供依據(jù)。

(4)應(yīng)力測試與表征技術(shù)。內(nèi)應(yīng)力及變形一直是困擾大型制件增材制造成形技術(shù)的一大問題，如能采用無損檢測手段進行內(nèi)應(yīng)力的有效測試與表征，將為改進成形工藝、保證制件質(zhì)量提供重要支持。

(5)無損檢測方法標準的建立和完善。目前尚未形成金屬增材制造制件無損檢測標準體系，這將嚴重制約增材制造制件的廣泛應(yīng)用，因此無損檢測方法標準的建立和完善也將是未來重點發(fā)展方向之一。

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(本文責(zé)編：高 磊)

DevelopmentTreadandNDTProgressofMetalAdditiveManufactureTechnique

YANGPing-hua1,2,3，GAOXiang-xi1,2,3，LIANGJing1,2,3，SHIYi-wei1,2,3，XUNa1,2,3

(1BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China；2BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China；3AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China)

The application and new development trend of metal additive manufacture technique were introduced， as well as the characteristic and NDT difficulty of metal additive manufacture products. The research progress of NDT was analyzed in emphasis, including the classification of metal additive manufacture technique, the characteristics of defect and microstructure, the influence of defects on mechanical properties, the latest development of NDT methods and standards. Based on that, the key issues that will be focused were summarized at last, that is the application of new NDT methods, on-line monitoring technology, numerical simulation, measurement and characterization of stress, as well as the establishment and development of NDT standards.

additive manufacture；NDT；metal product；aerospace

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001226

TG115.28

： A

： 1001-4381(2017)09-0013-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(51505449)

2016-10-14；

：2017-06-15

楊平華(1985—)，女，工程師，碩士，主要從事材料無損檢測與評價技術(shù)研究工作，聯(lián)系地址：北京市81信箱6分箱(100095)，E-mail:yangpinghua@126.com