王文強 ， 危 荃 ， 宋鴻玉 ， 王 飛 ， 周鵬飛 ，金翠娥 ， 高顯亮 ， 熊鳳軍

（1. 上海航天精密機械研究所，上海 201600；2. 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室（南昌航空大學），南昌 330063；3. 北京飛機維修工程有限公司 成都分公司，成都 610299）

0 引言

激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）是一種基于粉末床逐層熔融、堆積與成形的新型制造方式，被認為是最有工程應(yīng)用前景的增材制造技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。近年來，國外研究機構(gòu)NASA 先后實現(xiàn)了RL-10、RS-25 等型號火箭發(fā)動機噴油嘴、燃燒室等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的增材制造一體化成形[1]，GE 公司宣稱下一代Leap 發(fā)動機噴油嘴將由增材制造直接成形。

區(qū)別于傳統(tǒng)的“減材”成形理念，激光選區(qū)熔化成形獨特的“增材”成形方式使得產(chǎn)品屬性難以預(yù)測。由于成形工藝參數(shù)不當，導致產(chǎn)品較易產(chǎn)生孔隙、熔合不良等內(nèi)部缺陷[2]。熔池的熱力學運動、惰性氣體殘留、材料的快速熔化凝固、微觀組織演化是內(nèi)部缺陷形成的主要原因[3]。缺陷的形成降低了產(chǎn)品的力學和物理性能，制約了激光選區(qū)熔化產(chǎn)品在高端制造行業(yè)中的應(yīng)用。因此，開展激光選區(qū)熔化產(chǎn)品微小缺陷檢測方法及缺陷尺寸評價技術(shù)研究是激光選區(qū)熔化成形件質(zhì)量控制的關(guān)鍵[4-6]。作為激光選區(qū)熔化產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，無損檢測技術(shù)具有高效、非破壞性等方面的優(yōu)勢[7]。目前，激光選區(qū)熔化產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量常用的無損檢測方法主要包括射線檢測、超聲檢測、工業(yè)CT 檢測等[8]。其中，射線檢測的應(yīng)用最廣泛，適用于氣孔、夾雜等體積性缺陷。但是對于裂紋、熔合不良等方向性較強的缺陷，射線檢測往往需要多次透照來避免漏檢，且對于微小缺陷的檢測精度不足。超聲檢測適用于檢測裂紋、分層等面積型缺陷，也可評價組織均勻性。工業(yè)CT 是SLM 制件內(nèi)部缺陷檢測及尺寸表征的有效工具，具備空間分辨率高、可分析性好、顯示結(jié)果直觀等優(yōu)點[9]。周炳如等[10]使用射線照相檢測出15 mm厚度TC4 增材制件中直徑0.4～0.5 mm 的孔洞缺陷，并采用工業(yè)CT 驗證了孔洞缺陷的尺寸。王敬釗等[11]針對TC4 激光選區(qū)熔化試樣開展了射線照相檢測及工業(yè)CT 檢測研究，射線照相檢測法檢測出10 mm 試樣中直徑0.5 mm 的人工缺陷，微焦點CT 能夠檢測出最小33 μm 的缺陷。國內(nèi)相關(guān)研究集中于采用射線照相和工業(yè)CT 評價孔洞類、面積型缺陷尺寸，針對SLM 成形件進行計算機照相檢測技術(shù)應(yīng)用的研究還鮮有報道，更缺乏缺陷尺寸與缺陷形貌影響規(guī)律的相關(guān)研究[12]。

本研究以SLM 成形人工缺陷試樣為研究對象，利用計算機射線照相檢測（Computed Radiography，CR）和計算機層析成像檢測（Computed Tomography，CT）方法，研究SLM 成形試樣射線檢測方法的缺陷檢出能力，檢測缺陷幾何尺寸、缺陷三維形貌等特征，對比兩種成像方法的尺寸計量結(jié)果差異，通過球度參數(shù)量化表征缺陷的形貌規(guī)則，分析缺陷設(shè)計尺寸與實際尺寸的影響規(guī)律。

1 試驗過程

1.1 試驗對象

試驗對象為SLM 成形人工缺陷試樣，材料為TC4。成形工藝參數(shù)：掃描速度為1000 mm/s，掃描間距為0.12 mm，鋪粉層厚0.04 mm，激光功率為325 W。

按照GB/T 228.1—2010 要求，將試樣加工為?6 mm、長度80 mm，其中拉伸段長度為60 mm。兩端加工M10 螺紋孔（圖1a）。4 個模擬氣孔試樣分別編號為1#～4#，分別對應(yīng)預(yù)制直徑為0.3、0.4、0.5、0.6 mm 的球形缺陷各8 個，缺陷均分布于試樣中心區(qū)域，相鄰缺陷中心直線距離為2 mm（圖1b）。4 個模擬熔合不良試樣分別編號為5#～8#，分別對應(yīng)預(yù)制高度為0.3 mm、直徑為0.4、0.8、1.2、1.6 mm 的圓柱形缺陷，缺陷圓形截面垂直于試樣長軸方向（圖1c）。

圖1 激光選區(qū)熔化缺陷試樣Fig.1 Defects specimen of selective laser melting

1.2 CR 成像試驗

CR 試驗設(shè)備包括射線機（焦點尺寸為2.5 mm/5.5 mm）、掃描儀、高分辨率IP 板。系統(tǒng)基本空間分辨率試驗參照GB/T 35394—2017 執(zhí)行。采集參數(shù)：管電壓為90 kV、管電流為9 mA、焦距為1200 mm。通過工藝試驗確定試樣在2.5 mm 焦點時曝光/掃描參數(shù)，如表1 所示。

表1 CR 曝光及掃描參數(shù)Table 1 Parameter of CR testing and scaning

1.3 CT 成像試驗

CT 成像試驗設(shè)備包括射線機（最小焦點尺寸4 μm）、平板探測器（像素尺寸139 μm×139 μm），透照布置如圖2 所示。通過工藝試驗確定掃描參數(shù)，如表2 所示。對預(yù)制氣孔缺陷的拉伸試樣進行CT 掃描，整體掃描時間約1.5 h。

表2 CT 曝光及掃描參數(shù)Table 2 Parameter of CT testing and scaning

圖2 CT 掃描透照布置Fig.2 Layout of CT scanning

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 CR 檢測圖像質(zhì)量及檢出能力分析

空間分辨率表征檢測圖像中能夠識別最小細節(jié)的能力。系統(tǒng)基本空間分辨率測試圖像如圖3所示，按照瑞利判據(jù)規(guī)定的20%調(diào)制深度進行判定，可識別到雙絲像質(zhì)計的D11 號金屬絲，調(diào)制度30.7%（＞20%），得到系統(tǒng)基本空間分辨率為7.140 Lp/mm（70 μm）。信噪比表征圖像中噪聲的程度，直接關(guān)系到圖像的對比度。歸一化信噪比是利用系統(tǒng)基本空間分辨率對信噪比進行歸一化處理，根據(jù)圖3 的空間分辨率測試圖像，選取圖像中9 個灰度均勻區(qū)域（50 像素×50 像素）進行歸一化信噪比測試，以9 個區(qū)域歸一化信噪比的均值作為系統(tǒng)歸一化信噪比值，測試得到系統(tǒng)圖像歸一化信噪比為373.0。

圖3 系統(tǒng)基本空間分辨率成像結(jié)果Fig.3 Imaging result of system basic spital resolution

按照表1 成像參數(shù)對試樣進行CR 成像，結(jié)果如圖4 所示。圖像拉伸段灰度為 34 000～35 000，CR 圖像均可識別第15 號絲徑，像質(zhì)計靈敏度0.125 mm，滿足GJB 1187A—2019 中A 級要求。

圖4a～圖4c 中2#～4#拉伸樣均可識別預(yù)制的8 個模擬氣孔缺陷，缺陷位置及分布與設(shè)計模型基本吻合，由此說明CR 能檢測出?0.4 mm 的氣孔缺陷；但二維成像結(jié)果表明，缺陷形貌特征均呈橢球形或類球形，推測產(chǎn)生原因可能為：

1）成形過程中，瞬態(tài)熱影響下熔池邊界輪廓尺寸控制精度不足；

2）SLM 屬于堆積鋪粉型增材制造技術(shù)，沿z軸方向打印時不可避免地存在殘余粉末，經(jīng)冷卻凝固后，最終殘留在預(yù)制缺陷內(nèi)部[13]。

圖4d～圖4f 中6#～8#拉伸樣均可識別預(yù)制的模擬熔合不良缺陷，缺陷位置及分布與設(shè)計模型基本吻合，可說明CR 能檢測出?0.8 mm×0.3 mm熔合不良缺陷。

圖4 激光選區(qū)熔化試樣CR 成像結(jié)果Fig.4 CR imaging results of selective laser melting parts

由于SLM 成形是由線搭接成面、面搭接成體的過程，粉末材料的熔化及冷卻收縮速度快，熔池內(nèi)惰性氣體在凝固前未及時溢出，殘留在堆積層內(nèi)部，最終形成氣孔缺陷，該類缺陷通常呈球形或橢球形。激光能量不足是導致SLM 成形件中形成熔合不良缺陷的重要原因，激光能量不足時，熔池寬度較小，導致掃描路徑之間的重疊不足而形成未熔粉末顆粒，這些粉末在下一層熔融時難以完全熔化，最終形成熔合不良缺陷，該類缺陷通常呈長條形，生長方向與沉積方向垂直[14]。

2.2 CT 檢測能力及缺陷尺寸定量分析

將CT 掃描得到的1440 幅投影圖像進行三維重建。重建算法為FDK 算法，水平探測器偏移0.5 mm、旋轉(zhuǎn)軸傾斜-0.06 mm，重建分辨率為14.47 μm。圖5 是不同試樣不同位置（z軸）的切片圖像。通過不同切片圖像對比分析發(fā)現(xiàn)，CT 成像能夠檢測出0.3 mm 的預(yù)制缺陷，在試件內(nèi)部可直觀顯示氣孔缺陷在z向切片位置的輪廓形狀不規(guī)則，與預(yù)制的標準球體存在差異。為進一步定量、定位分析此類缺陷，對內(nèi)部氣孔缺陷進行三維分割，分析空隙的形貌、分布特征及密集程度。

圖5 不同試樣不同位置切片圖像中模擬氣孔形貌Fig.5 Simulated pore morphology in slice images of different positions of different specimens

將重建后的切片圖像導入VG Studio MAX 軟件進行三維重構(gòu)。圖6 是不同試樣的內(nèi)部模擬氣孔缺陷三維可視化結(jié)果，通過三維重構(gòu)結(jié)果可直觀地顯示內(nèi)部氣孔缺陷的空間分布、幾何特征、三維尺寸等特征參數(shù)。4 個拉伸件內(nèi)部均可見8 個模擬氣孔，其中：803 試樣的氣孔缺陷最大直徑為0.46 mm，最小直徑為0.24 mm（圖6a）；804 試樣的氣孔缺陷最大直徑為0.45 mm，最小直徑為0.38 mm（圖6b）；805 試樣的氣孔缺陷最大直徑為0.65 mm，最小直徑為0.44 mm（圖6c）；806 試樣的氣孔缺陷最大直徑為0.63 mm，最小直徑為0.54 mm（圖6d）。三維分割結(jié)果表明，相同試樣內(nèi)預(yù)制的相同尺寸缺陷實際打印尺寸存在差異，缺陷的間距及空間分布與設(shè)計模型基本一致。

圖6 內(nèi)部氣孔三維可視化結(jié)果Fig.6 Three-dimensional visualization results of internal pores

通過測量CR、CT 成像結(jié)果中的缺陷尺寸，對比兩種成像方法缺陷定量評價結(jié)果的差異。單個缺陷尺寸計算均選取最大直徑，試樣內(nèi)部多處模擬氣孔缺陷的測量結(jié)果取平均值，結(jié)果見表3。結(jié)果表明，預(yù)制缺陷尺寸與實際打印缺陷尺寸存在偏差，設(shè)計/實物缺陷尺寸存在差異，可能是在3D 打印成形過程中由于溫度變化劇烈或者是熔池凝固速度較快等因素造成，設(shè)計/實際尺寸偏差≤10%。另外，CT 檢測缺陷平均直徑略大于CR 檢測缺陷平均直徑，原因可能是：

表3 不同成像方法缺陷試樣尺寸計量差異Table 3 Size measurement difference of defect specimens with CR and CT imaging methods mm

1）實際打印模擬氣孔缺陷邊緣輪廓不規(guī)則，而CR 檢測屬于二維投影成像方法，受限于視角限制，透照隨機性導致射線束穿透較大直徑區(qū)域與其他區(qū)域影像重疊。

2）缺陷實際尺寸較小，射線穿透缺陷區(qū)域與無缺陷區(qū)域衰減程度接近，導致CR 圖像中缺陷與母材對比度不足，缺陷邊緣輪廓不清晰，故測量的缺陷尺寸存在誤差[15-16]。

球度是常見的表征球形缺陷三維形貌的特征參數(shù)，即表示該缺陷接近球體的程度。其計算方式為與球形體積相同的球體表面積與球形缺陷表面積之間的比率，取值范圍為0～1，見式（1）。球度越大，說明球形缺陷呈球體的趨勢越大。

式中：Q為球度；Ssphere為體積相同球體的表面積；Spore為球形缺陷的表面積。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，試樣中氣孔缺陷球度范圍為0.49～0.63，平均球度為0.55。圖7 是缺陷平均球度與平均尺寸的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著預(yù)制缺陷尺寸的增大，缺陷球度呈遞減規(guī)律，即預(yù)制缺陷的直徑越大，則缺陷的三維形貌越不規(guī)整；當缺陷設(shè)計尺寸為0.30 mm 時，實際打印的缺陷平均球度為0.57；當缺陷設(shè)計尺寸為0.60 mm 時，實際打印的缺陷平均球度為0.52。

圖7 缺陷球度與缺陷設(shè)計尺寸的變化關(guān)系Fig.7 Variation rule of defects average sphericity and defect average size

3 結(jié)論

1）6 mm 激光選區(qū)熔化拉伸試樣的CR 檢測靈敏度為0.125 mm（15 號絲徑），能夠檢出?0.4 mm的模擬氣孔缺陷和?0.8 mm×1.2 mm 熔合不良缺陷，而CT 成像方法能夠檢出尺寸為0.24 mm 的模擬氣孔缺陷。

2）SLM 成形件中設(shè)計與實際氣孔缺陷尺寸存在差異，氣孔缺陷尺寸偏差≤10%， CT 成像的缺陷平均直徑大于CR 成像。

3）設(shè)計缺陷尺寸越大，實際打印缺陷的形貌越不規(guī)整，球度也越小。

4）相比于CR 檢測技術(shù)，CT 檢測技術(shù)更適用于激光選區(qū)熔化產(chǎn)品內(nèi)部缺陷的定量分析及尺寸評價。