趙德陳 林 峰

1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京，100084

2.先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100084

3.生物制造與快速成形技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100084

0 引言

增材制造是一種由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、逐層累加材料成形實(shí)體零件的先進(jìn)制造技術(shù)，與傳統(tǒng)的減材制造相比，該技術(shù)可成形輕量化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多材料梯度結(jié)構(gòu)，工藝流程短、材料浪費(fèi)少，且無需模具，支持個(gè)性化和定制化加工，已廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域［1-3］。

根據(jù)送料方式的不同，金屬增材制造分為熔覆沉積和粉末床熔融（選區(qū)熔化）技術(shù)兩類［4］。前者采用同步送粉或送絲的方式，在高能束掃描的同時(shí)向熔池區(qū)域填充原材料；后者采用預(yù)先在成形區(qū)域鋪設(shè)粉末床的方式。金屬粉末床熔融技術(shù)包括激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）技術(shù)和電子束選區(qū)熔化（electron beam selective melting，EBSM）技術(shù)。SLM技術(shù)采用激光束作為熱源，具有較高的成形精度和表面光潔度；EBSM技術(shù)采用高能電子束作為熱源，具有更快的成形速度，且成形熱應(yīng)力小，可成形高熔點(diǎn)材料和脆性材料。

激光或電子束掃描粉末床，使之熔化沉積的過程，是一個(gè)多種物理場(chǎng)相互耦合、高度動(dòng)態(tài)的復(fù)雜過程，成形件易產(chǎn)生諸如翹曲變形［5-6］、球化［7］、開裂［8］等宏觀缺陷，以及氣孔［9-13］、夾渣［14］、未融合［12，15］等內(nèi)部冶金缺陷。對(duì)成形件缺陷的及時(shí)探測(cè)和抑制，可極大地提升金屬粉末床熔融工藝的成形質(zhì)量，消除工藝不穩(wěn)定性對(duì)該技術(shù)發(fā)展的限制。

在線監(jiān)測(cè)是指在工藝過程中對(duì)成形狀態(tài)和缺陷進(jìn)行及時(shí)探測(cè)的技術(shù)方法。一方面它能夠?yàn)檠芯咳藛T提供記錄工藝過程的途徑，輔助研究工藝機(jī)理和優(yōu)化工藝參數(shù)；另一方面它能夠?qū)に囘^程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，既可為缺陷的在線診斷、探測(cè)和實(shí)時(shí)修復(fù)奠定基礎(chǔ)，也可為工藝過程的文檔化提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。因此，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，尤其是針對(duì)金屬增材制造工藝的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，近年來已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

采用粉末床熔融技術(shù)成形的零件尺寸小，對(duì)成形缺陷更為敏感，近年來針對(duì)該技術(shù)的主要工藝過程，世界各地的研究團(tuán)隊(duì)通過引入各種檢測(cè)技術(shù)，探索了多種在線監(jiān)測(cè)方法，雖然這些技術(shù)和方法目前大多還處于研發(fā)階段，但已經(jīng)顯現(xiàn)出不可替代的技術(shù)潛力。本文以粉末床熔融工藝過程為線索，針對(duì)鋪粉過程監(jiān)測(cè)、鋪粉后粉末床檢測(cè)、熔融過程監(jiān)測(cè)以及熔融后熔融層檢測(cè)，綜述當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有技術(shù)的不足，探討其今后的發(fā)展趨勢(shì)。

1 鋪粉過程監(jiān)測(cè)

鋪粉過程是指通過鋪粉裝置將粉末鋪展在成形區(qū)域形成粉末床的過程，是粉末床熔融工藝過程的第一步，也是成形過程能夠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵步驟之一。針對(duì)鋪粉過程容易出現(xiàn)的故障和鋪粉刮刀的異常損傷，REINARZ等［16］在SLM設(shè)備的鋪粉機(jī)構(gòu)上安裝壓電式加速度計(jì)（圖1a），通過測(cè)量鋪粉機(jī)構(gòu)在鋪粉運(yùn)動(dòng)過程中的速度變化信號(hào)來監(jiān)測(cè)鋪粉過程，因?yàn)殇伔蹤C(jī)構(gòu)與上一層熔融層凸起產(chǎn)生碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)甚至卡頓，加速度計(jì)的信號(hào)可以反映出鋪粉運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，同時(shí)也能反映熔融層的凹凸情況。KLESZCZYNSKI等［17］利用光學(xué)檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，如圖1b和圖1c所示。當(dāng)激光功率過高使熔融層產(chǎn)生嚴(yán)重的凸起時(shí)，加速度計(jì)對(duì)熔融層凸起十分敏感，能夠有效捕捉碰撞導(dǎo)致的速度變化信號(hào)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到加速度值超過設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)中斷打印進(jìn)程，避免鋪粉刮刀的進(jìn)一步損傷以及由此產(chǎn)生的大量缺陷。

圖1 基于加速度計(jì)的SLM工藝鋪粉過程監(jiān)測(cè)［17］Fig.1 Acceleration sensor based powder recoating monitoring ［17］

2 粉末床檢測(cè)

鋪粉后形成的粉末床是電子束或激光束掃描熔化粉末的基礎(chǔ)，如果粉末床不平整，將造成掃描過程熔池的不穩(wěn)定，產(chǎn)生異常凸起或孔隙等缺陷，影響后續(xù)成形。造成粉末床不平整的原因有很多，如：①粉刷的磨損和損壞，造成粉末床產(chǎn)生沿著鋪粉方向分布的溝壑或隆起；②熔融層凸起，刮刀在凸起處受力跳動(dòng)，產(chǎn)生垂直于鋪粉方向的溝壑或隆起；③粉末量不足，粉床末端沒有填充粉末。因此，粉末床的形貌不僅可以反映鋪粉裝置的工作狀態(tài)，還可以反映上一層熔融沉積的質(zhì)量。粉末床形貌監(jiān)測(cè)目前主要有兩種方式：對(duì)粉床光學(xué)圖像進(jìn)行灰度紋理分析；利用低相干干涉測(cè)量高度分布。

圖2為SLM工藝中對(duì)粉末床進(jìn)行可見光檢測(cè)的系統(tǒng)示意圖，包含一個(gè)光學(xué)相機(jī)和若干個(gè)閃光光源。該系統(tǒng)采用離軸式的布置方案，相機(jī)從側(cè)向?qū)?zhǔn)粉末床，同時(shí)閃光光源呈不同角度傾斜布置。閃光光源的作用是提供適當(dāng)?shù)谋尘肮饩€，以便能夠拍攝出清晰、高對(duì)比度的粉末床圖像，簡(jiǎn)化后續(xù)的缺陷識(shí)別過程。CRAEGHS等［18］從粉末床灰度圖像上提取多條垂直于鋪粉方向的灰度分布，并取平均分布與合理灰度范圍對(duì)比，有效鑒別出由于粉刷磨損和局部損壞導(dǎo)致的粉末床不均勻（圖 3）。KLESZCZYNSKI等［17，19］依據(jù)熔融層上凸起鏡面反射產(chǎn)生亮區(qū)的特點(diǎn)，對(duì)灰度圖像進(jìn)行閾值處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)凸起位置和面積的有效提?。▓D 4）；JACOBSMüHLEN等［20］通過該方法研究了懸空結(jié)構(gòu)角度變化和支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熔融層凸起的影響。ABDELRAHMAN等［21］從粉末床圖像上提取與零件截面相對(duì)應(yīng)的區(qū)域并疊加形成三維粉末床模型，該模型能夠很好地反映出粉末床異常對(duì)應(yīng)于零件的三維空間位置。

圖2 SLM工藝光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖［18］Fig.2 Schematic of optical inspection system in SLM［18］

圖3 基于灰度分布的粉末床異常識(shí)別［18］Fig.3 Anomaly recognition of powder bed based on gray value distribution ［18］

NEEF等［22］提出利用低相干干涉成像技術(shù)來檢測(cè)SLM工藝中粉末床的平整性。如圖5所示，低相干干涉成像的原理是利用測(cè)量激光束掃描粉末床，通過光譜儀測(cè)量反射光和參考光之間的光程差，再補(bǔ)償由于角度偏轉(zhuǎn)造成的偏差，獲得不同掃描點(diǎn)的高度分布。由圖6可知，利用低相干干涉技術(shù)能夠有效探測(cè)粉末床的高低起伏，可識(shí)別粉末床上50 μm深度的溝槽［22］。

圖4 基于粉末床形貌的熔融層凸起檢測(cè)［19］Fig.4 Elevated area detection based on powder bed morphology［19］

圖5 基于低相干干涉技術(shù)的SLM粉末床檢測(cè)系統(tǒng)示意圖［23］Fig.5 Coaxial powder bed inspection system with inline coherent imaging technique in SLM［23］

上述光學(xué)檢測(cè)均針對(duì)SLM工藝，在EBSM工藝中應(yīng)用很少。基于光學(xué)成像的監(jiān)測(cè)方法對(duì)傳感器和光源的相對(duì)位置要求較高，需對(duì)成形設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)改造，增大了系統(tǒng)集成的難度。由于SLM工藝成形室內(nèi)填充了惰性氣體，有效抑制了金屬蒸鍍并改善了散熱條件，傳感器可直接置于成形室內(nèi)，因此系統(tǒng)集成相對(duì)簡(jiǎn)單，而EBSM工藝在真空環(huán)境下進(jìn)行，具有更嚴(yán)重的金屬蒸鍍現(xiàn)象、更高的環(huán)境溫度和高強(qiáng)度的輻射，限制了上述檢測(cè)方法的應(yīng)用。

圖6 基于低相干干涉成像的SLM工藝粉末床檢測(cè)［22］Fig.6 Powder bed inspection using inline coherence interference imaging in SLM ［22］

3 熔融過程監(jiān)測(cè)

在熔融過程中，高能電子束或激光束掃描粉末床，使粉末熔化產(chǎn)生熔池，凝固后沉積形成實(shí)體截面，因此熔融沉積過程直接決定了最終熔融層的質(zhì)量。目前對(duì)熔融過程的監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)熔池和整個(gè)成形區(qū)域的溫度場(chǎng)。

3.1 熔池監(jiān)測(cè)

粉末床熔融工藝中的熔池是由激光束或電子束掃描粉末床，熔化粉末而形成，具有尺寸小、移動(dòng)速度快的特點(diǎn)。熔池的形態(tài)、尺寸、溫度等狀態(tài)在很大程度上決定著成形件的質(zhì)量。熔池監(jiān)測(cè)是指在激光或電子束掃描過程中對(duì)熔池輻射強(qiáng)度和形狀特征進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，識(shí)別與熔池行為相關(guān)的球化、翹曲等成形缺陷。

SLM熔池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用同軸布局，如圖7所示，傳感通道與成形激光束通道重疊，這樣無需增加復(fù)雜的熔池跟蹤系統(tǒng)就可實(shí)時(shí)獲取熔池信號(hào)。高功率成形激光束在45°半反射鏡表面反射后進(jìn)入SLM掃描系統(tǒng)，而熔池輻射信號(hào)沿著相反方向傳播，透過半反射鏡后，通過濾波片篩選出特定波段信號(hào)進(jìn)入傳感器，或通過分光鏡分成兩束，供傳感器采集。KRUTH 課題組［18，24-26］采用上述同軸傳感方式，篩選780～950 nm波段的輻射光波并分束，一束光用于光電二極管采集熔池光強(qiáng)信號(hào)；另一束光則經(jīng)由高速CMOS相機(jī)成像，用于提取熔池的面積、長(zhǎng)度和寬度等幾何信息。實(shí)驗(yàn)研究表明光電二極管采集的熔池光強(qiáng)與熔池面積成正比，而二者都能夠有效地偵測(cè)出懸空結(jié)構(gòu)成形時(shí)產(chǎn)生的球化、U形掃描時(shí)轉(zhuǎn)角處的凸包以及鋪粉故障等工藝問題。該課題組以激光功率為控制對(duì)象，分別將光電二極管的輸出電壓和熔池像素面積作為反饋?zhàn)兞?，建立了SLM工藝閉環(huán)控制系統(tǒng)，研究結(jié)果表明上述兩種閉環(huán)控制系統(tǒng)均能有效提高成形懸空面結(jié)構(gòu)時(shí)的精度和實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的自適應(yīng)。

圖7 SLM工藝熔池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置示意圖Fig.7 Schematic of the molten pool monitoring system in SLM

PAVLOV等［27］同樣采取同軸布置方案，采用雙色高溫計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量激光掃描過程中熔池的溫度信號(hào)，發(fā)現(xiàn)雙色高溫計(jì)的測(cè)量值對(duì)填充間距、鋪粉厚度、填充策略等工藝參數(shù)十分敏感，能夠檢測(cè)出由于粉末床厚度不均勻?qū)е碌娜鄢禺惓?。KANKO等［23］則將同軸光路應(yīng)用于低相干干涉測(cè)量，實(shí)時(shí)測(cè)量SLM成形過程熔池的高度變化。如圖8所示，當(dāng)激光束掃過懸空區(qū)域時(shí)，熔池由于散熱條件變差而產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，從而劇烈波動(dòng)，低相干干涉技術(shù)可以快速捕捉熔池的高度變化，識(shí)別出由于過熱導(dǎo)致的球化缺陷。

為了便于缺陷識(shí)別和定位，CLIJSTERS等［25］將熔池像素面積根據(jù)掃描位置順序排列成二維圖像，將時(shí)序信號(hào)轉(zhuǎn)化為空間分布的圖像（圖9）。通過試驗(yàn)方式分別獲取填充掃描、輪廓掃描時(shí)穩(wěn)態(tài)熔池的幾何參數(shù)，并將其作為參考數(shù)據(jù)，選取包含95%參考數(shù)據(jù)點(diǎn)的區(qū)間作為合理參數(shù)范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔池異常的識(shí)別。此外，通過逐層獲取位置相關(guān)的熔池面積分布，實(shí)現(xiàn)了對(duì)成形件內(nèi)部孔隙缺陷的三維空間定位，缺陷識(shí)別和定位的結(jié)果與CT結(jié)果對(duì)應(yīng)良好。

圖8 基于低相干干涉技術(shù)的SLM單道熔池監(jiān)測(cè)［23］Fig.8 Molten pool monitoring when processing a single track with low coherence interference in SLM［23］

圖9 熔池信號(hào)可視化研究［25］Fig.9 Visualization of molten pool signal［25］

KRAUSS等［28］采用離軸的傳感器布置方式，將紅外熱像儀從SLM設(shè)備的前觀察窗口側(cè)向?qū)?zhǔn)成形區(qū)域，在成形激光束掃描過程中拍攝熱像圖片，通過對(duì)紅外熱像圖片進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔池面積、長(zhǎng)寬比以及圓度等幾何參數(shù)的提取，并研究了掃描速度、激光功率、填充間距、填充線長(zhǎng)度以及鋪粉厚度等工藝參數(shù)對(duì)熔池幾何參數(shù)的影響。

上述對(duì)熔池的監(jiān)測(cè)基本采用同軸系統(tǒng)，且用于SLM工藝。因同軸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)θ鄢剡M(jìn)行很好的跟蹤，且輸出信號(hào)簡(jiǎn)單，目前已實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工藝監(jiān)測(cè)和反饋控制。而在EBSM工藝中由于電磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)限制，只能采用離軸的布置方式，對(duì)熔池的快速跟蹤成為難題，加上嚴(yán)重的蒸鍍影響，對(duì)熔池的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)起來具有一定的難度。

3.2 溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)

粉末床熔融是一種熱加工過程，記錄和分析粉末床的溫度場(chǎng)及其變化歷程，對(duì)理解工藝內(nèi)在機(jī)理和驗(yàn)證仿真模型具有重要價(jià)值。PRICE等［29］利用近紅外熱成像設(shè)備研究了EBSM工藝預(yù)熱掃描、輪廓掃描、填充掃描等階段成形區(qū)域溫度分布的演變。CHENG 等［30］和 PRICE 等［31］研究了掃描速度、電子束束流以及束斑直徑等工藝參數(shù)對(duì)熔池縱向（沿著掃描方向）溫度分布和熔池尺寸的影響，并利用測(cè)量的溫度分布和熔池尺寸驗(yàn)證了仿真模型。此外，PRICE等［32-33］探究了成形高度對(duì)熔池縱向溫度分布的影響以及懸空面上與熔池中心線不同距離處的縱向溫度分布，發(fā)現(xiàn)在填充掃描過程中熔池縱向溫度分布具有很好的重復(fù)性，且對(duì)散熱條件十分敏感，驗(yàn)證了基于溫度空間分布的缺陷識(shí)別的可行性。

內(nèi)部空隙等缺陷會(huì)減弱局部區(qū)域的散熱能力，改變其周圍溫度場(chǎng)的分布和演變特性。據(jù)此，KRAUSS等［28］提出了利用溫度場(chǎng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部空隙缺陷偵測(cè)的方法，在激光束掃過預(yù)設(shè)缺陷區(qū)域時(shí)，提取沿著熔池縱向的溫度分布曲線。與無缺陷時(shí)的溫度分布曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，熔池后端的溫度分布曲線在缺陷位置處存在明顯的差異，而且與缺陷尺寸相關(guān)。因此利用粉末床溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)不僅可以識(shí)別孔隙缺陷，還可以獲得缺陷大小等信息。

此外，KRAUSS 等［28，34-35］嘗試了基于溫度場(chǎng)時(shí)域演變的缺陷甄別，且從動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)演變數(shù)據(jù)中提取了相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)，包括高溫保持時(shí)間、等效熱擴(kuò)散系數(shù)、最高溫度和飛濺量等，其中等效熱擴(kuò)散系數(shù)是按一維向下熱擴(kuò)散簡(jiǎn)化模型定義的降溫速率。每層溫度場(chǎng)演變提取的指標(biāo)都可形成一幀指標(biāo)分布圖。待成形結(jié)束后，將各層的分布圖堆疊形成三維指標(biāo)分布模型。圖10顯示了從等效熱擴(kuò)散系統(tǒng)和高溫保持時(shí)間的三維指標(biāo)分布模型中提取的穿過缺陷的垂直剖面，可以直觀地發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)指標(biāo)在缺陷位置上方均發(fā)生了明顯改變，說明缺陷上方的熱擴(kuò)散能力會(huì)下降，而降溫速度會(huì)減慢，這一現(xiàn)象能夠用于甄別缺陷。

圖10 缺陷對(duì)等效熱擴(kuò)散系數(shù)和高溫保持時(shí)間分布的影響［34］Fig.10 Effect of ariticial flaws on thermal diffusivity and time above T*［34］

在組織預(yù)測(cè)方面，PRICE等［31］根據(jù)溫度-時(shí)間演變曲線，提取了在不同掃描速度下成形截面的平均冷卻速率，發(fā)現(xiàn)快速掃描產(chǎn)生較高的冷卻速率和較小的β柱狀晶。RAPLEE等［36］針對(duì)EBSM工藝成形過程中不同的掃描策略（點(diǎn)掃描和線掃描，如圖11所示），利用紅外熱成像獲取的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖像，提取不同位置處的溫度梯度和固液界面移動(dòng)速度。通過與實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，線掃描策略會(huì)形成較高的溫度梯度和較低的固液界面移動(dòng)速度，傾向于形成柱狀晶；而點(diǎn)掃描策略會(huì)形成較低的溫度梯度和較高的固液界面速度，有利于等軸晶成形（圖12）。上述研究表明利用熱成像手段對(duì)成形件微觀組織形態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，有助于在增材制造成形過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)制件組織的靈活制備和有效控制。

圖11 EBSM工藝線掃描（左）和點(diǎn)掃描（右）策略示意圖［36］Fig.11 A graphical representation of the line melt（left）and point melt（right）scan strategies［36］

圖12 EBSM掃描策略對(duì)晶粒形態(tài)的影響［36］Fig.12 Influence of scan strategies on grain morphology in EBSM ［36］

對(duì)粉末床熔融工藝的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，已在內(nèi)部缺陷探測(cè)和微觀組織預(yù)測(cè)方面取得了較大進(jìn)展，但仍存在許多限制。由于動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)信息主要來自于紅外或近紅外熱成像儀，而這些熱成像儀設(shè)備的時(shí)間分辨率和空間分辨率尚顯不足，因此導(dǎo)致當(dāng)前缺陷檢測(cè)的精度和靈敏度不高。另外，粉末床熔融過程存在蒸鍍現(xiàn)象，尤其是EBSM工藝，金屬蒸汽會(huì)導(dǎo)致觀察窗口透射率發(fā)生明顯變化，不利于連續(xù)的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)。雖然學(xué)者們研究了防蒸鍍系統(tǒng)和透射率補(bǔ)償方法等，并取得了一定效果，但仍然無法完全消除蒸鍍的影響［37-38］。此外，為了將熱像儀輸出的輻射強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為絕對(duì)溫度，需要對(duì)材料紅外發(fā)射率、窗口透射率以及環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定，這也給溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量帶來了難度和挑戰(zhàn)［29，38-41］。

此外，還有研究人員［42-44］利用超聲探測(cè)技術(shù)來監(jiān)測(cè)成形過程中工件內(nèi)部缺陷和孔隙率。

4 熔融層檢測(cè)

粉末床經(jīng)電子束或激光束熔融沉積后形成熔融層，熔融層的狀態(tài)不僅反映了激光/電子束熔融沉積的質(zhì)量、工藝參數(shù)的匹配優(yōu)劣和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，還會(huì)影響后續(xù)鋪粉、熔融等成形過程，因此針對(duì)熔融層的檢測(cè)，是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)中十分重要的一環(huán)，可以對(duì)截面輪廓、幾何參數(shù)和表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)還可記錄每層的成形結(jié)果，為最終的質(zhì)量追溯提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前熔融層檢測(cè)的主要對(duì)象是熔融層的溫度場(chǎng)和形貌。

4.1 溫度場(chǎng)檢測(cè)

熔融層溫度場(chǎng)檢測(cè)與熔融沉積過程溫度場(chǎng)檢測(cè)類似，均采用近紅外/紅外熱像儀，所不同的是熔融層溫度場(chǎng)的變化速度較慢，通常只對(duì)熔融層溫度場(chǎng)進(jìn)行一次拍攝，利用單幀圖像進(jìn)行零件輪廓的提取和缺陷識(shí)別。

SCHWERDTFEGER 等［45］在 EBSM 工藝中選用不同的聚焦偏置參數(shù)作為對(duì)照，將熔融層熱像圖與金相圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)熱像圖能有效揭示成形層內(nèi)部未熔合、夾雜缺陷。DINWIDDIE等［37］利用紅外熱成像系統(tǒng)研究EBSM工藝聚焦參數(shù)對(duì)懸空面上后續(xù)熔融層孔隙率的影響及孔隙率的演變過程。RODRIGUEZ等［39］利用溫度分布直方圖對(duì)熔融層溫度分布的不均勻性進(jìn)行量化，發(fā)現(xiàn)過熱區(qū)域的溫度分布范圍更廣，認(rèn)為基于直方圖分析是一種有效識(shí)別局部過熱缺陷的方法。RIDWAN等［46］通過圖像處理實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件截面的提取，并統(tǒng)計(jì)了熔融層孔隙率來表征工藝質(zhì)量。MIRELES等［47］借助紅外熱成像監(jiān)測(cè)來驗(yàn)證在線缺陷修復(fù)的可行性，對(duì)比熔融層重熔前后的熱像圖發(fā)現(xiàn)，重熔有效消減了孔隙缺陷，作者也據(jù)此提出局部缺陷在線修復(fù)的閉環(huán)控制路線。

上述研究主要論證了利用近紅外/紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行熔融層缺陷檢測(cè)的可行性，基于該技術(shù)的實(shí)時(shí)熔融層檢測(cè)還需要進(jìn)一步研究。

4.2 形貌檢測(cè)

對(duì)熔融層形貌的監(jiān)測(cè)除了可以利用前述粉末床的檢測(cè)技術(shù)，如可見光成像和低相干干涉技術(shù)等，也可以利用電子光學(xué)成像技術(shù)。

4.2.1 光學(xué)檢測(cè)

前述粉末床的檢測(cè)技術(shù)，如可見光成像和低相干干涉技術(shù)等，也可應(yīng)用于熔融層形貌的檢測(cè)。FOSTER等［6］從熔融層光學(xué)圖像中提取輪廓，并將其堆疊形成三維實(shí)體模型，該三維模型除了包含成形件的尺寸信息外，還直觀揭示了粉末床不平整問題（圖13）。ABDELRAHMAN等［21］在每一層掃描后拍攝五張不同照明條件下的熔融層圖像，結(jié)合零件CAD模型提取熔融層的輪廓，對(duì)前后三層熔融層輪廓進(jìn)行平均并分割圖像獲得熔融層截面，逐層堆疊截面獲得三維實(shí)體模型，并將至少相鄰兩個(gè)熔融層上相同位置處出現(xiàn)的異常作為真實(shí)缺陷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)體零件內(nèi)部未熔合、孔隙等缺陷的識(shí)別和定位（圖14）。DEPOND等［12］利用低相干干涉檢測(cè)技術(shù)研究填充策略對(duì)熔融層表面粗糙度的影響，監(jiān)測(cè)在成形懸空結(jié)構(gòu)時(shí)熔融層粗糙度的變化。如圖15所示，對(duì)比高度分布圖發(fā)現(xiàn)，在層間無旋轉(zhuǎn)的往返掃描策略下熔融層具有更大的粗糙度，且高度分布具有明顯方向性，隨著熔融層起伏的逐層累積，最終造成工件的宏觀變形。

圖13 基于光學(xué)成像的熔融層檢測(cè)［6］Fig.13 As-deposited layer inspection based on visual imaging［6］

圖14 SLM制件的三維重構(gòu)模型［21］Fig.14 3D reconstruction of as-SLMed part［21］

圖15 利用低相干干涉技術(shù)研究掃描策略對(duì)熔融層形貌的影響［12］Fig.15 Investigation on the relation between scanning strategies and morphology of deposited layer with low coherence interference technique［12］

此外，ERLER等［48］提出了利用3D測(cè)繪技術(shù)測(cè)量熔融層表面高度分布的監(jiān)測(cè)方式，通過測(cè)量激光線束逐行掃描熔融層，利用激光位移傳感器接收反射信號(hào)并計(jì)算出不同位置的高度，統(tǒng)計(jì)熔融層高度分布的標(biāo)準(zhǔn)差來評(píng)判熔融層質(zhì)量，研究了鋪粉參數(shù)和激光功率對(duì)熔融層平均層厚和均勻性的影響。

利用可見光成像技術(shù)監(jiān)測(cè)熔融層的難點(diǎn)在于對(duì)灰度圖像的分析處理，目前已實(shí)現(xiàn)輪廓提取和缺陷識(shí)別，但是該技術(shù)大多采用離線處理方式，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)；而低相干干涉成像和3D形貌測(cè)繪輸出為熔融層的高度分布，降低了數(shù)據(jù)分析和處理的難度，它的問題是需要進(jìn)行逐點(diǎn)或逐行掃描，增加了SLM工藝的時(shí)間成本，而且由于檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜，目前直接測(cè)量高度分布的檢測(cè)研究不多。

4.2.2 電子光學(xué)檢測(cè)

電子光學(xué)檢測(cè)是一種獨(dú)特的用于監(jiān)測(cè)EBSM工藝熔融層形貌的技術(shù)，它的原理是在逐層掃描結(jié)束后，利用小束流電子束逐點(diǎn)掃描熔融層，采集作用過程中產(chǎn)生的攜帶形貌信息的二次電子和背散射電子等電信號(hào)，將其按照掃描點(diǎn)序排列成二維灰度圖像，該圖像即可反映熔融層的形貌信息。圖16為EBSM設(shè)備中電子探測(cè)器的布置示意圖，現(xiàn)有研究中電子探測(cè)器通常置于電子槍下方，成形平臺(tái)上方，并與電子槍同軸。由于高蒸鍍、強(qiáng)輻射以及高溫等惡劣環(huán)境影響，因此通常選用金屬平板作為探測(cè)器。

圖16 EBSM設(shè)備中電子探測(cè)器布置示意圖Fig.16 Schematic of electron detector in EBSM machine

利用電子光學(xué)成像來監(jiān)測(cè)熔融層表面形貌，可以大大降低提取熔融層輪廓和識(shí)別缺陷的難度。由于粉末區(qū)域與實(shí)體區(qū)域的形貌差異，依據(jù)電子光學(xué)圖像可以容易地將兩者分離以提取熔融層截面，測(cè)量輪廓尺寸和進(jìn)行模型三維重構(gòu)；此外，亞微米孔隙區(qū)域發(fā)射的背散射或二次電子數(shù)量少，在電子光學(xué)圖像上呈現(xiàn)為暗點(diǎn)，因此對(duì)孔隙的識(shí)別和定位也較為簡(jiǎn)單。JANSON等［49］研究發(fā)現(xiàn)利用電子光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效識(shí)別約50μm的孔隙缺陷（圖 17）。WONG等［50］利用電子光學(xué)圖像分離粉床與熔融層，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔融層輪廓和尺寸數(shù)據(jù)的提取和幾何誤差分析。K?rner課題組提取熔融層截面并堆疊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)成形件的三維模型重構(gòu)，此外通過圖像分析測(cè)繪出了成形件內(nèi)部孔隙分布，結(jié)果與CT數(shù)據(jù)和顯微照片十分吻合［51］。

圖17 EBSM成形件的電子光學(xué)檢測(cè)［49］Fig.17 Electron optical inspection of as-EBSMed part［49］

由于利用電子光學(xué)圖像識(shí)別熔融層表面缺陷簡(jiǎn)單可靠，因此適宜作為及時(shí)反饋，構(gòu)建快速工藝優(yōu)化系統(tǒng)。K?rner課題組將EBSM工藝電子束掃描速度作為控制變量，建立了基于被散射電子信號(hào)的快速工藝優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子束掃描速度的快速優(yōu)化［51］。如圖18所示，使用恒定的掃描速度縱向掃描工件截面，隨著填充線長(zhǎng)度的增加，熔融層產(chǎn)生大量孔隙，K?rner課題組制定如下的反饋控制策略：利用電子光學(xué)圖像識(shí)別孔隙缺陷，在第一個(gè)缺陷位置處減小掃描速度，并每隔20層進(jìn)行一次上述過程，結(jié)果表明在第四次參數(shù)調(diào)整后，熔融層孔隙缺陷基本消失。

圖18 基于電子光學(xué)檢測(cè)的自動(dòng)工藝參數(shù)調(diào)整［51］Fig.18 Automatic process adjustment based on electron optical inspection［51］

電子光學(xué)監(jiān)測(cè)有效克服了EBSM工藝中高溫度、高蒸鍍和強(qiáng)輻射等困難，極大簡(jiǎn)化了在線監(jiān)測(cè)和反饋控制的難度。雖然電子光學(xué)監(jiān)測(cè)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)缺陷識(shí)別和反饋控制，但對(duì)于電子光學(xué)圖像的分析解讀仍需要進(jìn)行大量的研究工作。此外，現(xiàn)有研究中電子光學(xué)圖像對(duì)宏觀形貌信息，如起伏、粗糙度等不敏感，無法從中提取有效的宏觀形貌信息，在宏觀形貌檢測(cè)上需要開展進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)語

激光選區(qū)熔化技術(shù)和電子束選區(qū)熔化技術(shù)在監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展方面存在明顯差異。前者在熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、粉末床和熔融層的可見光檢測(cè)上均發(fā)展迅速，且熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)已應(yīng)用于工藝反饋控制；在電子束選區(qū)熔化工藝監(jiān)測(cè)方面，光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)均受到嚴(yán)格限制，但是電子光學(xué)成像技術(shù)開始成為一種有效手段，對(duì)電子束選區(qū)熔化工藝成形質(zhì)量進(jìn)行可靠的監(jiān)測(cè)。

此外，筆者認(rèn)為針對(duì)粉末床熔融工藝的在線監(jiān)測(cè)具有如下發(fā)展趨勢(shì)：

（1）逐漸從監(jiān)測(cè)表面狀態(tài)，向監(jiān)測(cè)內(nèi)部缺陷和晶粒組織形態(tài)轉(zhuǎn)變。早期粉末床熔融在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過對(duì)熔池輻射強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，來實(shí)現(xiàn)對(duì)零件宏觀形貌的監(jiān)測(cè)。隨著在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，針對(duì)制件內(nèi)部缺陷的在線監(jiān)測(cè)已成為研究熱點(diǎn)，并開始涉及到對(duì)晶粒組織的監(jiān)測(cè)，這將為最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)缺陷修復(fù)和組織控制奠定基礎(chǔ)。

（2）自動(dòng)化和智能化。上述在線監(jiān)測(cè)研究大部分采用離線的數(shù)據(jù)處理方式，且對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析依賴于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨著研究的深入，通過引入計(jì)算機(jī)視覺、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)手段，提高對(duì)缺陷、孔隙等特征的識(shí)別準(zhǔn)確性和效率，促進(jìn)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

（3）多信息融合監(jiān)測(cè)。利用多種監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)工藝的不同階段，根據(jù)不同監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合判斷成形過程的穩(wěn)定性和缺陷信息，彌補(bǔ)單一測(cè)量方法的不足，避免單一信號(hào)指標(biāo)的不確定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝過程的多傳感信號(hào)、多物理信息的綜合處理和判斷，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

（4）主動(dòng)式在線監(jiān)測(cè)。常規(guī)的粉末床熔融工藝在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，尤其是基于光學(xué)成像的監(jiān)測(cè)技術(shù)，受到照明條件、金屬蒸鍍、高溫等諸多限制。主動(dòng)式的監(jiān)測(cè)技術(shù)，如應(yīng)用于SLM工藝的低相干干涉技術(shù)、應(yīng)用于EBSM工藝的電子光學(xué)成像技術(shù)，通過主動(dòng)發(fā)射測(cè)量光束或電子束，降低對(duì)工作環(huán)境的要求，提高了測(cè)量系統(tǒng)的靈敏性、抗干擾能力和對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性，是未來粉末床熔融在線監(jiān)測(cè)技術(shù)中較有前景的方向。