无损检测“黑科技”在增材制造中的应用,不仅是给制件做CT!

   悟沙        

工业的快速发展对产品的质量、性能要求逐渐提高,传统的机械制造成形技术在处理小批量且形状复杂的零件过程中存在一些问题。因此,增材制造技术的出现具有重要的意义。提到增材制造技术,或许大家还有些陌生,但是说起它的另外一个名字——3D打印技术,估计大家都很熟悉了。


这是一种基于构件的三维数字模型,通过使用激光束或电子束作为热源将金属母材熔化后逐层堆积成实体构件的先进制造技术。这种点—线—面—体的加工方式使其在制造复杂形状构件方面具有独特的优势,减少了模具设计与开发,缩短了产品的研发周期,提高了材料的利用率,因此增材制造技术在航空航天、汽车医疗、军工等领域得到广泛的应用。


然而,增材制造制件在成形过程大都发生在极端非平衡条件下,这极大地增加了质量控制的难度,导致各个工艺阶段经常出现气孔、未熔合、裂纹、翘曲变形等缺陷,严重阻碍了增材制造技术进一步推广及应用。


由此一来,无损检测作为一种非破坏性的检测方法,在增材制造产品质量控制,调整增材制造工艺以及提高增材制造件综合性能方面扮演着重要的角色,成为了推动增材制造技术在制造业领域广泛应用的重要助力。


无损检测“黑科技”在增材制造中的应用,不仅是给制件做CT!


最具前景的技术也有缺陷


增材制造技术已成为当前工业生产中最具有前景的技术之一。2002年,美国宇航局(NASA)就研制出能打印金属零件的3D打印机。同年,美国将激光成形钛合金零件装上了战机。


2012年美国总统奥巴马为重振美国制造业提出一系列计划,将3D打印技术列为11项重要技术之一。英国技术战略委员会把增材制造技术列为提升国家竞争力,应对未来挑战的22个应优先发展技术之一。


此外,澳大利亚、新加坡、日本等政府也在大力支持增材制造技术的研究与发展,致力于构建其完备的增材制造材料与装备体系,提高其增材制造技术的国际竞争能力。


中国于90年代初开始增材制造技术研究,特别是近年来增材制造得到了学术界以及工业界的高度重视。早在20世纪90年代初,以清华大学、西安交通大学、华中科技大学、西北工业大学、北京航空航天大学等为代表的高校和科研机构在选择性激光烧结、熔融沉积成型、立体光固化成型以及激光立体成形等技术领域开展了大量研究。目前,针对材料、工艺和设备的研究成果部分已实现产业化,应用范围覆盖航空航天、汽车、生物医疗和装备制造等重要领域。


然而,在增材制品的制备和使用过程中,某些缺陷的产生和扩展是无法避免的,加之电子或激光增材制造过程是一个多场物理耦合的过程,成形过程中存在各种不稳定因素,温度变化剧烈,材料的熔化、凝固和冷却都是在极快的条件下进行的,在应力的作用下,成形零件易出现翘曲变形、开裂、尺寸异常等宏观缺陷,同时在零件内部还易出现裂纹、气孔、未熔合、夹渣等不可预知的冶金缺陷。


这种缺陷成为了制约增材制造技术发展的重要瓶颈,因此,对增材制造过程中的缺陷进行精准检测,从而通过调控工艺参数减少缺陷产生,改善成形质量至关重要。


无损检测不仅是给制件做CT


因为增材制造的制件往往结构复杂,制造成本较高,这使得传统制造零部件的破坏性试验无法满足增材制造的制件的检测要求。


此外,由于增材制造的制件是一层层创建的,属性更加难以预测。增材制造零部件的独特性给产品质量检验带来了挑战,对于那些具有复杂几何形状的增材制造部件,无损检测能够满足其独特的检验要求。


无损检测不仅仅局限于材料内部缺陷的检测与表征,还可实现材料的密度、弹性参数、孔隙率、残余应力分布以及其内部各种非连续性等方面的无损测试与表征;整个过程可实现快速、无损、原位的检测,对缩短材料的研发与生产周期和成本有积极意义。目前在增材制造无损检测方面的技术主要包括:超声检测、计算机断层扫描(Computed Technology, CT)、涡流检测和红外相机测量。


无损检测“黑科技”在增材制造中的应用,不仅是给制件做CT!


激光超声检测


这是一种可用于快速扫描的非接触检测方法,利用超声在制件截面上横向和纵向的速度不同,可以表征样品中超声波传播的各向异性。由于激光超声具有非接触、可检测复杂形状制件以及对检测环境要求不高等优势,特别适合于进行制造过程中的在线实时检测。


计算机断层扫描


可以对所有样品进行检测,而超声检测和渗透检测是针对工件表面。而且CT检测技术检测精度高,可成三维断层扫描图像,结果直观,适用于复杂构型的中小型结构件的无损检测。对于精细的零件,CT技术在检测内部孔隙、裂纹等方面有其独特的优势。


相比超声波检测技术,CT检测手段在增材制造中运用得更为广泛,这主要是因为工业CT技术不受被检物体结构、材料及表面状况等限制,同时给出被检物体某一截面的断层图像或三维图像,成像简单直观,能清晰表征被检物体的内部结构信息,而且内部结构信息能精确度量。


总体而言,X射线计算机断层扫描是一种强大的对增材制成品进行无损检测的技术,使得描述材料的结构、形状分布和缺陷的定量尺寸成为可能。工业CT检测可检测增材制造结构件中的气孔、熔合不良、裂纹和夹杂等缺陷,特别是细小缺陷,并可给出被检件的断层扫描图像。对于尺寸较小、形状结构复杂的增材制造件,如金属网格结构和发动机喷嘴等复杂结构件,和要求检出较小孔隙和残留粉末等缺陷,适合采用工业CT检测方法。


涡流检测技术


利用电磁感应原理,通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损评定导电材料及其工件的某些性能,或发现缺陷的无损检测。涡轮检测技术对增材制造过程中可能出现的小表面裂纹和浅表面裂纹有极高的分辨率和灵敏度, 常被用来检测产品表面缺陷。


涡流检测技术检测的增材制造部件缺陷尺寸取决于产品表面的可接触性材料、几何形状和表面粗糙度等。由于涡流检测只适用于导电金属材料或能感生涡流的非金属材料的检测,因此其运用受到很大局限性,但是该技术简便,适用于在制造工艺过程中进行质量控制,或在成品中剔除不合格品;另外对于在役零件,可实现机械零部件及热交换管等设施进行定期检验。


红外相机检测技术


在生产线上对生产过程加以监测,即进行所谓“在线测量”,则不仅可以降低消耗、减少成本、增加产量、提高效益,而且还可以保证产品的质量、增强产品的竞争力。基于红外相机检测技术对增材制造过程进行实时检测并反馈给控制系统,控制系统相应的调整工艺参数,可以有效减少增材制造产品的缺陷数量,保证产品的可靠使用。


增材制造中无损检测技术的展望


为使增材制造的制件可以大范围的应用于航空航天、汽车等重要领域,需要其提高无损检测的检测技术与水平,现阶段,国内外相关研究人员在其检测方式的研究上已经获得一定的研究成果。接下来还需要进一步跟进增材制造技术的发展,在以下4各方面开展更深入的研究工作。


1)加强对无损检测新型技术的使用。


增材制造制件已经逐渐呈现出大型化、复杂化的发展趋势,并且以往的无损检测方式是无法满足其相关要求的,所以应积极研究激光超声、CT检测等新型NDT的使用方法。


2)加强对增材制造在线检测方法的研究力度。


虽然国内外已对增材制造制件的在线检测技术进行有效的研究,但研究进度和实际应用之间仍然具有一定距离,例如激光超声、热成像、X射线成像、中子衍射等技术在未来的线检测研究中需要继续深入。


3)加强应力测试以及表征技术的研究。


如X射线衍射技术以及中子衍射技术。内应力始终是对大型制件的成型有阻碍,如能使用NDT可以对其内应力有效表征和检测,那么将在确保制件质量等方面提供强有力的支撑。


4)积极建立与完善增材制造领域无损检测方法的相关标准。


因为现阶段金属增材制造制件中的无损检测标准还未形成科学系统的体系,所以建立与进一步完善无损检测方法标准是未来该领域的重点发展方向。


文章来源: 科技导报

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