韓立恒 ，鞏水利 ， 鎖紅波 ，馬兆光 ，王衛(wèi)兵

（1.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024;2. 高能束流加工技術(shù)國防科技重點實驗室，北京 100024；3.北京動力機械研究所，北京 100074）

電子束熔絲成形是近年來迅速發(fā)展起來的增材制造技術(shù)之一，其采用逐線、逐層堆積的方式可近凈成形零件，成形速度快、工藝方法靈活、材料利用率高，是解決難加工材料成形及大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)制造的關(guān)鍵技術(shù)手段之一，在航空、航天、汽車、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具備極大的應(yīng)用潛力及需求。增材制造技術(shù)是當前國內(nèi)外研究的熱點，而如何對增材制件進行可靠的無損檢測是推進增材制造技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵之一[1-3]。2010年以來，國內(nèi)外日益重視增材制件無損檢測技術(shù)研究，但國外的相關(guān)成果多集中在增材制件成形過程實時動態(tài)監(jiān)測、高頻超聲無損評估及小型件CT檢測研究等方面，而國內(nèi)關(guān)于增材制件無損檢測技術(shù)研究尚處于起步[4-14]。隨著增材制件工程化應(yīng)用的需求，國內(nèi)外更加提高了對最終制件無損檢測技術(shù)研究的重視[15]，但目前均為基底性研究。

A-100鋼是廣泛應(yīng)用于飛機起落架等關(guān)鍵受力件制造領(lǐng)域的一種新型高Co-Ni二次硬化超高強度鋼[16-19]。但由于A-100鋼難加工且多應(yīng)用于大型復(fù)雜構(gòu)件的特點，A-100鋼電子束熔絲成形制造在航空領(lǐng)域已成為繼鈦合金材料之后被大力研究的增材制造項目之一。本文介紹了超聲相控陣檢測技術(shù)在A-100鋼電子束熔絲成形制件缺陷檢測中的初步應(yīng)用研究，以期為增材制造最終件的無損檢測方法技術(shù)的建立提供試驗依據(jù)。

1 試驗方法、原理、系統(tǒng)及對象

1.1 試驗方法分析

增材制件與傳統(tǒng)材料有根本上的不同，一方面制件內(nèi)部有源自融化過程的熱殘余應(yīng)力，另一方面，增材制造件較傳統(tǒng)制件內(nèi)部更加易于出現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)缺陷，且缺陷的尺寸和位置尚不確定[20]。電子束熔絲成形增材制造技術(shù)采用逐線、逐層堆積的特殊成形工藝，成形過程經(jīng)歷了復(fù)雜的熱循環(huán)，同樣，其內(nèi)部微觀組織及缺陷特征較傳統(tǒng)制造工藝復(fù)雜的多。研究表明，A-100 鋼電子束熔絲成形件內(nèi)部常見的缺陷主要為氣孔和微裂紋缺陷，內(nèi)部組織呈明顯的層帶組織及典型的樹枝晶，樹枝晶貫徹層帶生長，大部分區(qū)域的生長方向幾乎沿堆積高度垂直生長，小部分區(qū)域出現(xiàn)多方向的枝晶生長，且在電子束熔絲制件低倍金相檢驗結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)較為明顯的沿晶裂紋[3，21]。這與傳統(tǒng)的鍛造等工藝制件明顯不同，如A-100鋼鍛件是擠壓成型且最終經(jīng)過模鍛工序鍛造而成，其內(nèi)部可能存在夾雜、裂紋、分層、折疊、白點等鍛造缺陷，缺陷的取向一般與鍛造方向垂直，與金屬流線平行，且內(nèi)部組織較細，內(nèi)部缺陷主要采用超聲波檢測方法，超聲的衰減小，可探測性好，超聲波檢測時應(yīng)盡可能使聲束方向與鍛造流線方向垂直，常用的超聲檢測技術(shù)有縱波直入射檢測、縱波斜入射檢測、橫波檢測，對于外形復(fù)雜件，為發(fā)現(xiàn)不同取向的缺陷，需同時采用縱波和橫波檢測[22-23]。

A-100鋼電子束熔絲成形制件以大厚度制件為預(yù)期應(yīng)用目標，其最終制件超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用意義重大。超聲波檢測技術(shù)是利用聲波在通過材料時能量會有損失，在遇到異質(zhì)界面時會發(fā)生反射等，由聲波的反射、散射和透射情況，了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化并進行評價的一種無損檢測技術(shù)[24]。超聲檢測技術(shù)以脈沖回波式超聲檢測儀的出現(xiàn)而被廣泛應(yīng)用，隨著工業(yè)生產(chǎn)對檢測效率和可靠性的要求的不斷提高，超聲檢測經(jīng)歷了模擬、數(shù)字化和多通道信號處理的階段后，隨著計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，以包括B掃描、C掃描、P掃描、F掃描、ALOK、TOFD、全息超聲、超聲顯微鏡及相控陣超聲成像檢測技術(shù)成為近幾十年來發(fā)展的新熱點[23，25]。超聲相控陣檢測技術(shù)具有聲束角度可控和可動態(tài)聚焦兩大特性[26]，在A-100鋼電子束熔絲成形內(nèi)部缺陷分布特征未知以及預(yù)期應(yīng)用的大厚度制件目標方面具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢和先進性。

1.2 超聲相控陣檢測技術(shù)原理

超聲相控陣檢測的基本原理是通過控制陣列換能器中各陣元激勵（或接收）脈沖的時間延遲，改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達（或來自）物體內(nèi)部某點時的相位關(guān)系，實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化，從而完成相控波束合成，形成成像掃描線的技術(shù)。相對于常規(guī)探頭由于聲束擴散且單向、移動范圍有限和聲束角度有限，對裂紋走向和聲束方向夾角較小的裂紋或遠離聲束軸線位置的裂紋漏檢率高的局限，相控陣陣列多晶探頭聲束聚焦且可偏轉(zhuǎn)，有更高的檢測可靠性和檢測效率，如圖1所示（F、β、Φ分別代表不同聚焦法則下聲束的焦距、角度及焦點尺寸參數(shù)）[26]。

圖1 相控陣超聲檢測原理及優(yōu)勢Fig.1 Ultrasonic phased array inspection principle and advantages

1.3 試驗系統(tǒng)及對象

試驗采用32/64相控陣水浸六軸自動檢測系統(tǒng)（圖2），以5MHz一維線陣列探頭進行小厚度件掃查，10MHz等菲涅耳面環(huán)型陣列探頭進行大厚度件掃查試驗。試驗以同規(guī)格及表面狀態(tài)A-100鋼鍛件及電子束熔絲成形制件為檢測對象，見表1。按 GB/T 23905-2009標準加工A-100鋼鍛件長橫孔型對比試塊，含橫孔φ0.8mm×6 mm，埋深分別為 2mm、5mm、8mm、12mm，15mm，22mm，試塊總厚度25mm。試驗參數(shù)均為在對比試塊獲得清晰顯示基礎(chǔ)上適當調(diào)整。

圖2 相控陣檢測系統(tǒng)Fig.2 Phased array ultrasonic testing equipment

表1 檢測對象規(guī)格及表面狀態(tài)

2 試驗及分析

當超聲波垂直于缺陷表面時，可以獲得最高的缺陷回波。但A-100 鋼電子束熔絲成形件內(nèi)部微裂紋缺陷的分布特征尚不明確，且內(nèi)部明顯層帶組織不均性及典型的樹枝晶也可能對超聲波檢測產(chǎn)生衰減、散射等不良影響。層帶組織及樹枝晶結(jié)構(gòu)與成形路徑密切相關(guān)。本文以圖3（b）所示常用的多道多層成形路徑（S為走絲路徑，Z為層帶增向）制件為試驗對象，分別初步展開了多角度扇形掃查和動態(tài)深度聚焦掃查試驗。

圖3 電子束熔絲成形增材制造原理和檢測試樣成形路徑Fig.3 Manufacturing principle and additive path of EBWD A-100 steel specimen

2.1 X射線檢測

內(nèi)部質(zhì)量的初步直觀無損評估，有利于為超聲檢測工藝研究提供參考和對比。按GJB1187A-2005標準B及照相技術(shù)對檢測對象進行X射線檢測，檢測結(jié)果如圖4所示。

由X射線檢測結(jié)果：底片上像質(zhì)計影像可清晰識別15#絲（絲徑d=0.125mm），高于GJB1187A-2005標準B級要求的14#絲（絲徑d=0.16mm），即射線檢測結(jié)果具備良好的檢測靈敏度；電子束熔絲成形制件與鍛件未發(fā)現(xiàn)明顯的密度差異，電子束熔絲成形件內(nèi)發(fā)現(xiàn)一處約0.3mm的氣孔缺陷，未見其他缺陷，鍛件內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.2 超聲相控陣一維線陣列探頭多角度扇形掃查

圖4 A-100鋼檢測對象X射線檢測結(jié)果（鍛件及電子束熔絲成形件）Fig.4 X-ray inspection results of A-100 steel specimens（forging and EBWD）

扇形掃查（即S掃查）是相控陣設(shè)備特有的功能，是使用固定孔徑，在序列變換的不同角度下，以電子方式偏轉(zhuǎn)聲束。該掃查主要有兩種形式，一是使用零度界面楔塊，以電子方式在不同角度上偏轉(zhuǎn)縱波，生成一個扇形圖像，以顯示分層缺陷和稍微偏斜的缺陷，二是使用塑料楔塊增加入射聲束的角度，以生成橫波，常用的折射角度范圍在30°～70°之間，這與常規(guī)角度聲束檢測相似，不同的是聲束以一系列不同的角度掃射。

當從垂直于走絲方向的檢測面（即圖3（b）中的ABCD面）分別以超聲入射方向垂直投影平行于和垂直于逐層增長的高度方向（Z向）進行掃查試驗，發(fā)現(xiàn)沿Z方向檢測時，以0°～10°時可獲得較清晰的缺陷信號，如圖5（d）所示缺陷D1和D2，-5°～-30°時缺陷信號逐步變?nèi)酰敝翢o法識別，且同一缺陷信號在不同角度時清晰度不同，如缺陷D2在0°時最清晰，其他角度信號逐步減弱；當聲束角度在10°之外時，制件內(nèi)部的條帶狀略有顯現(xiàn)，參見圖5（a）～（h）；沿垂直于Z向的方向檢測時，檢測信號雜亂，無法識別缺陷信號，這可能與樹枝晶晶界的散射有一定關(guān)系，還需要更進一步的試驗研究。對同一平面進行環(huán)陣列動態(tài)深度聚焦掃查后，僅發(fā)現(xiàn)缺陷D2。

2.3 環(huán)形陣列動態(tài)深度聚焦掃查

動態(tài)深度聚焦掃查使用單個脈沖聚焦脈沖發(fā)射聲波，接收回波時對不同深度重新聚焦，實現(xiàn)沿聲束軸線對不同聚焦深度進行掃查。動態(tài)深度聚焦可明顯提高檢測范圍和信噪比[25]。從檢測對象的大厚度面（即圖3（b）中的ABFE面）進行動態(tài)深度聚焦掃查，未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷信號，但從對比試塊的檢測結(jié)果可以看出，參見圖6（a）～（f），環(huán)陣列動態(tài)深度聚焦掃查在大厚度制件的高靈敏度快速檢測中有明顯的優(yōu)勢。從檢測對象的掃查結(jié)果可見，參見圖7，掃查清晰發(fā)現(xiàn)了用于邊界保護的對比試塊中的橫孔缺陷。

2.4 典型缺陷特征分析

超聲成像檢測技術(shù)的結(jié)果雖然呈現(xiàn)一定的直觀性，但對于缺陷進行精確的定性、定量仍需要進行深入的研究。試驗進一步對圖5（d）中的兩處明顯缺陷信號進行金相解剖檢測，觀測面分別取垂直逐層生長方向（圖8（a））和平行逐層生長方向（圖8（b）），圖中帶三角形標記的邊為檢測面?zhèn)取＝鹣鄼z測發(fā)現(xiàn)兩處缺陷均為微裂紋缺陷，且裂紋與平行于逐層生長方向的端面呈現(xiàn)小傾角或近似平行的斷續(xù)拐彎狀分布，這也與相控陣檢測在0～10°小角度掃查時獲得清晰顯示相對應(yīng)。

圖5 制件一維線陣列扇形掃查檢測結(jié)果Fig.5 A-100 steel inspection results of 1-D linear array probe sector scan

圖6 對比試塊環(huán)陣列探頭動態(tài)深度聚焦檢測結(jié)果Fig.6 Reference block inspection results of DDF Fresnel annular array probe

圖7 制件環(huán)陣列動態(tài)深度表面聚焦C顯示（ABFE面）Fig.7 A-100 steel DDF inspection results by Fresnel annular array probe （ABFE face）

圖8 A-100鋼電子束熔絲成形檢測樣件裂紋缺陷金相圖片F(xiàn)ig.8 Micro-image of Cracks in EBWD A-100 steel specimen

3 結(jié)論

超聲相控陣檢測技術(shù)在A-100鋼電子束熔絲成形件內(nèi)部缺陷的檢測具有較好的識別能力和應(yīng)用優(yōu)勢，但與成形路徑等因素直接相關(guān)的微觀組織對檢測技術(shù)的應(yīng)用有較大影響，不同成形路徑制件超聲檢測工藝技術(shù)的建立還需要深入的、有針對性的試驗研究。本研究初步得出如下結(jié)論：

（1）超聲相控陣檢測技術(shù)對A-100鋼電子束熔絲成形件內(nèi)部微裂紋缺陷有較好的應(yīng)用效果，能夠識別X射線檢測無法識別的微裂紋缺陷，且其動態(tài)深度聚焦掃查功能在大厚度制件的檢測上有明顯的效果。

（2）超聲波入射方向和角度對A-100鋼電子束熔絲成形制件內(nèi)部的微小裂紋缺陷的識別很關(guān)鍵。成形路徑相關(guān)的微觀組織結(jié)構(gòu)對超聲波入射方向和角度的選擇有較大的影響。

（3）超聲相控陣檢測雖然較射線檢測對A-100鋼快速成形制件內(nèi)部的微裂紋缺陷有較好的識別能力，但內(nèi)部組織的不均勻性，使得檢測信號較為復(fù)雜，對A-100鋼電子束熔絲成形制件內(nèi)部微小裂紋缺陷的無損檢測技術(shù)還需要更加深入的研究。

[1] 北京航空制造工程研究所，航空制造技術(shù)[M]. 北京： 航空工業(yè)出版社, 2013.Beijing aeronautical manufacturing tachonology research institute,Aviation manufacturing technology[M]. Beijing： Aviation Industry Press,2013.

[2] 李滌塵, 田小永, 王永信,等.增材制造技術(shù)的發(fā)展[J].電加工與模具 ,2012(S1)：20-22.LI Dichen, TIAN Xiaoyong, WANG Yongxin, et al. Developments of additive manufacturing technology[J]. Electro machining & mould,2012(S1)：20-22.

[3] 楊帆.均勻化熱處理及熱等靜壓對電子束成形Aermet100鋼性能的影響[D].北京：中國航空研究院碩士學(xué)位論文, 2013.YANG Fan. Effect of homogenization treatment and HIP on mechanical properties of AerMet100 by electron beam additive manufacturing [D]. Beijing： Chinese Aeronautical Establishment, 2013.

[4] HARRIS R A,GATTO M. Non-destructive analysis (NDA) of external and internal structures in 3DP [J]. Rapid Prototyping Journal,2011,17(2)：128-137.

[5] RUDLIN J,CERNIGLIA D,SCAFIDI M,et al.Inspection of laser powder deposited layers [EB/OL]. 2014[2014-10-30]. http：//www.ndt.net/events/ECNDT2014/app/content/Paper/55_Rudlin.pdf.

[6] CERNIGLIA D, SCAFIDI M, PANTANO A, et al. Laser ultrasonic technique for laser powder deposition inspection [EB/OL]. 2013[2014-10-30].http：//www.ndt.net/article/ndcm2013/content/papers/13_ Cerniglia. pdf.

[7] HERMAN P R. Defect detection in laser powder deposition components by laser thermography and laser ultrasonic inspections[J]. SPIE LASE International Society for Optics and Photonics, 2013,8611：1-10.

[8] Intrapid Project Flyer. http：//www.intrapid.eu/publications/.eu,2013.

[9] COLBERT F P. Detection of defects in laser powder deposition(LPD) components by pulsed laser transient thermography. [J]. Thermosense Thermal Infrared Applications, 2013,8705：1-11.

[10] LEONARD F,TAMMAS-WILLIAMS SAM,PRANGNELL PHILIPS B, et al. Assessment by X-ray CT of the effects of geometry and build direction on defects in titanium ALM parts [EB/OL]. 2012[2014-10-30].http：//www.ndt.net/article/ctc2012/papers/91.pdf.

[11] GREET K, GRZEGORZ P, MOESEN M, et al. High-resolution micro-CT as a tool for 3D surface roughness measurement of 3D additive manufactured porous structures[EB/OL].2012[2014-10-30].http：//www.ndt.net/article/ ctc2012/papers/83.pdf.

[12] KARTHIK N V, GU Hengfeng, DEEPANKAR Pal, et al. High frequency ultrasonic non destructive evaluation of additively manufactured components[EB/OL].2013[2014-10-30]. http：//utwired.engr.utexas.edu/lff/symposium/proceedingsarchive/pubs/Manuscripts/2013/2013-25-Karthik.pdf.

[13] YASAMIN E,FORTH SC,WAID MC. Characterization of electron beam free-form fabricated 2219 aluminum and 316 stainless steel[EB/OL]. 2011[2014-10-30].http：//ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110008207.pdf.

[14] ROMETSCH P A,PELLICCIA D,TOMUS D,et al.Evaluation of polychromatic X-ray radiography defect detection limits in a sample fabricated from hastelloy X by selective laser melting[J].Ndt & E Internatio nal,2014,62(2)：184-192.

[15] KLUG K, TIMS M M, AKANS M R, et al. Non-destructive inspection (NDI) of electron beam direct manufacturing (EBDM) of titanium[C]. Aeromat 25 conference and exposition American society for Metals, 2014.

[16] 郭初陽,謝鴻基,孫安全,等.A-100鋼激光成型技術(shù)在飛機起落架制造中的應(yīng)用及研究[J].新技術(shù)新工藝,2014(6)：1-3.GUO Chuyang,XIE Hongji,SUN Anquan,et al. Application and research of A-100 steel laser forming technology in aircraft landing gear manufacturing[J].New technology & new process,2013.

[17] 萬翛如. AerMet100—極好綜合性能的超高強度鋼[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 1996, 22(6)：639-644.WAN Xiaoru. AerMet100-Ultrahigh-strength steel with the unique combination of properties[J].Journal of Beijing University of Aeronautical and Astronautics, 1996, 22(6)：639-644.

[18] 萬翛如.新型高合金二次硬化超高強度鋼的發(fā)展[J].材料工程 ,1994,11：1-5.WAN Xiaoru.Development of advanced highly alloy of secondary hardening ultrahigh-strength steels[J].Journal of Materials Engineering,1994,11：1-5.

[19] THOMAS J,McCaffrey.Combined strength and toughness characterize new aircraft alloy. Advanced materials &processes,1992,142(3)：47-50.

[20] ALBERT T. Pittsburgh’s swanson school of engineeringresearch aimed at enhanced AM modeling/simulation technology and new AM qualification standards [EB/OL].2014[2014-10-30]. http：//additivemanufacturing.com/2014/11/17/pittsburghs-swanson-schoolof-engineering-research-aimed-at-enhanced-am-modelingsimulationtechnology-and-new-am-qualification-standards/.

[21] 韓立恒. A-100鋼電子束熔絲成形制件超聲波檢測特性研究[D].北京：中國航空研究院, 2014.HAN Liheng. The research on ultrasonic testing characters of A-100 steel manufactured by EBWD[D]. Beijing： Chinese Aeronautical Establishment, 2014.

[22] 史亦偉, 梁菁, 何方成. 航空材料與制件無損檢測技術(shù)新進展[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2012：324.SHI Yiwei, LIANG Jing, HE Fangcheng. New progress on nondestructive testing of aeronautical material and components[M]. Beijing：National Defense Industry Press, 2012：324.

[23] 史亦韋. 超聲檢測[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2013：143-147.SHI Yiwei. Ultrasonic testing[M]. Beijing： China Machine Press,2013：143-147.

[24] 劉靜.不銹鋼激光焊接頭質(zhì)量超聲波檢測研究[D].吉林：吉林大學(xué), 2012：2.LIU Jing. The research on ultrasonic testing on the quality of laser welding joint stainless steel[D]. Jilin： Jilin University, 2012：2.

[25] 施克仁,郭寓岷.相控陣超聲成像檢測[M].北京：高等教育出版社, 2010：39-41.SHI Keren, GUO Yumin. Phased array ultrasonic imaging and testing[M]. Beijing： Higher Education Press, 2010：39-41.

[26] 丁守寶,劉富軍,等.無損檢測新技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社, 2012：16.DING Shoubao, LIU Fujun, et al. New nondestructive testing technology and its application[M]. Beijing： Higher Education Press,2012：16.