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(1.中國航空制造技術(shù)研究院, 北京 100024;2.中國航空綜合技術(shù)研究所, 北京 100028)

增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing, AM)是指基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)(CAD)驅(qū)動(dòng)，采用材料累加的方法直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系。

因增材制造技術(shù)可滿足航空武器裝備研制低成本、短周期的需求，已成為熱門的航空制造工藝技術(shù)，如美國航空航天部門已利用增材制造技術(shù)研制出飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)大型構(gòu)件，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，葉輪，航空發(fā)動(dòng)機(jī)TiAl合金葉片，整體葉盤及多層超冷空心葉片等[1-2]。

金屬增材制造的本質(zhì)是焊接，故孔洞、夾雜、未熔合和裂紋等焊接缺陷幾乎都不能避免[3]， 目前金屬增材制造缺陷的無損檢測方法主要有超聲檢測、射線照相檢測及工業(yè)CT檢測等。

筆者以15 mm厚度TC4合金增材制造試樣為對(duì)象，主要研究其射線照相檢測的工藝及靈敏度。

1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為工藝調(diào)整后的TC4合金增材制造自然缺陷制件，其長為74 mm，寬為18 mm，高為15 mm。試樣實(shí)物及尺寸示意如圖1所示。

圖1 15 mm厚度TC4合金增材制造自然缺陷試樣實(shí)物外觀及尺寸示意

2 孔洞檢出靈敏度分析

按GJB 1187A-2001《射線檢驗(yàn)》中表6“金屬材料單壁透照時(shí)的像質(zhì)要求”的規(guī)定，透照厚度為15 mm，B級(jí)X射線照相技術(shù)最小可識(shí)別的絲徑應(yīng)不大于0.2 mm。

孔洞可檢性與線型像質(zhì)計(jì)靈敏度關(guān)系為

(1)

(2)

式中：d為線型像質(zhì)計(jì)可識(shí)別最細(xì)金屬絲直徑；l為線型像質(zhì)計(jì)金屬絲有效長度(7.6 mm)；dQ為孔洞直徑；F為形狀因子，F(xiàn)=0.79。

按式(2)計(jì)算，透照厚度為15 mm時(shí)， B級(jí)X射線照相技術(shù)可檢出最小孔洞直徑為0.559 4 mm。

3 試驗(yàn)設(shè)備與結(jié)果

3.1 設(shè)備及材料

試驗(yàn)設(shè)備與材料為：德國YXLON公司MG226型射線機(jī)，其焦點(diǎn)尺寸為5.5/1.0 mm；GE 公司AGFA膠片及增感屏系統(tǒng)；HB 7684-2000型金屬鈦絲型像質(zhì)計(jì)。

3.2 透照布置及曝光參數(shù)

查MG226型射線機(jī)曝光曲線，得到15 mm厚度TC4合金，焦點(diǎn)尺寸為5.5/1.0 mm時(shí)的曝光參數(shù)如表1所示。

表1 15 mm厚度TC4合金，焦點(diǎn)尺寸為5.5/1.0 mm時(shí)的曝光參數(shù)

圖2為透照試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖。

圖2 透照試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

按表1參數(shù)，對(duì)15 mm厚度TC4合金增材制造自然缺陷試樣進(jìn)行透照,得到如圖3所示的試樣透照影像圖。

圖3 TC4合金增材制造試樣透照影像圖

由圖3可知，影像可清楚識(shí)別第13號(hào)絲徑，圖3(a)，(b)中缺陷分布相同。圖3(a)中識(shí)別了一直徑為0.4～0.5 mm孔洞缺陷①，未見其他0.5 mm以下缺陷；圖3(b)在該缺陷①附近發(fā)現(xiàn)了兩距離相近的孔洞缺陷。經(jīng)比對(duì)，該缺陷在圖3(a)中受空間分辨率影響，連成了一個(gè)缺陷。

圖4為φ0.4～0.5 mm孔洞缺陷的識(shí)別圖。

圖5 距離相近的兩孔洞的尺寸測量圖

對(duì)圖4(b)中識(shí)別出的兩距離較近的孔洞缺陷尺寸進(jìn)行測量，得到兩孔洞尺寸均小于0.5 mm的結(jié)果(見圖5)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

射線照相透視檢測得到的影像尺寸為缺陷的平面尺寸，無法獲得其高度方向尺寸，高度方向尺寸通常可通過黑度估算，但文中孔洞尺寸太小，無法借助數(shù)字密度計(jì)測量其黑度。

試驗(yàn)采用翻轉(zhuǎn)90°檢測及工業(yè)CT斷層掃描成像技術(shù)來驗(yàn)證射線照相檢測結(jié)果。

(1) 翻轉(zhuǎn)90°檢測驗(yàn)證

圖6為典型樣件的透照示意。由圖6可知，從A面第一次入射，可得到孔洞缺陷a方向的黑度，b方向的尺寸；從B面第二次入射，可得到b方向的黑度，a方向的尺寸。對(duì)于較規(guī)則的球形缺陷，單方向入射檢出缺陷即為檢測結(jié)果。

圖6 典型樣件透照示意

圖7為試樣翻轉(zhuǎn)90°的透照影像，從圖3(b)可看出，透照影像距邊緣約8.5 mm處存在孔洞缺陷②和③，從圖7可看出透照距邊緣約8.5 mm處存在兩孔洞缺陷，尺寸分別為φ0.5～0.6 mm，φ0.4～0.5 mm，故初步認(rèn)為圖7中透照影像即為圖3(b)中透照孔洞缺陷②和③，即孔洞缺陷②的高度尺寸略大于0.5 mm，孔洞缺陷③的高度尺寸略小于0.5 mm；圖3中透照影像距邊緣約8 mm處為孔洞缺陷①，而圖7中透照影像距邊緣約8 mm處為鏈狀缺陷，初步認(rèn)為圖3中透照發(fā)現(xiàn)的孔洞缺陷①在高度方向上為鏈狀孔洞群。

圖7 試樣翻轉(zhuǎn)90°的透照影像

(2) 工業(yè)CT驗(yàn)證

為獲取孔洞①、②和③的更多信息，針對(duì)孔洞①、②和③所處的截面進(jìn)行了工業(yè)CT驗(yàn)證，工業(yè)CT透照電壓為420 kV，焦點(diǎn)尺寸為0.4 mm，放大倍數(shù)為1.9倍。圖8為孔洞①、②和③所在截面的掃查圖像?？梢?，圖8驗(yàn)證了翻轉(zhuǎn)90°檢測驗(yàn)證的正確性。

圖9為孔洞缺陷②和③截面尺寸測量圖。圖9(a)中孔洞缺陷②的測量尺寸為1.094/1.9≈0.575 mm；圖9(b)中孔洞缺陷③測量尺寸為0.889/1.9≈0.467 8 mm；圖9(c)中兩孔洞缺陷間距約為0.43 mm，缺陷測量尺寸與翻轉(zhuǎn)90°檢測方法的測量結(jié)果基本一致。

圖8 試樣孔洞缺陷①、②和③截面掃查圖像

圖9 試樣孔洞缺陷②和③截面尺寸測量圖

綜上所述，可知圖3中發(fā)現(xiàn)的孔洞缺陷①(平面尺寸測量結(jié)果為φ0.4～0.5 mm)的高度方向尺寸遠(yuǎn)大于0.5 mm；孔洞缺陷②和缺陷③平面尺寸與高度方向尺寸基本一致。

5 結(jié)論

(1) 對(duì)15 mm厚度TC4合金增材制造制件的缺陷檢測，射線照相檢測可識(shí)別出φ0.4～0.5 mm孔洞缺陷。

(2) 選取較小的焦點(diǎn)尺寸，有助于細(xì)小缺陷的檢出及相鄰缺陷的辨別。

(3) 同射線照相透視成像相比，工業(yè)CT斷層掃描成像技術(shù)更有助于缺陷的定量及定位檢測。

參考文獻(xiàn):

[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.

[2] 鞏水利,鎖紅波,李懷學(xué).金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2013(13):66-71.

[3] 張學(xué)軍,唐思熠,肇恒躍，等. 3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J].材料工程,2016,44(2):122-128.

[4] 鄭世才.數(shù)字射線無損檢測技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.