Representative study on reference test blocks for aviation additive SLM parts
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摘要:
选区激光熔化（SLM）制件结构形状复杂,常规射线检测技术对于结构复杂的零件,极易出现检测盲区。工业计算机层析成像检测（CT）技术可实现零件的整体检测,对于复杂零件无检测盲区,而目前航空增材SLM工业CT对比试块设计缺少相关试验验证依据,因此,针对对比试块代表性问题,研究了缺陷盲孔或通孔、相同尺寸不同位置缺陷、柱面粗糙度、基体成型方式对工业CT检测结果的影响规律。研究结果表明,通孔相较于盲孔更容易检出,相同尺寸情况下缺陷所处位置对孔洞类缺陷的检出无明显影响,但缺陷越靠近中心处,检测结果受环形伪影影响越大,柱面粗糙度、基体成型方式对孔洞类缺陷的检出均无明显影响。
Abstract:The structural shape of selective laser melting (SLM) parts is complex. Conventional radiographic testing techniques are prone to blind spots in the detection of structurally complex parts.Industrial computerized tomography (CT) technology can achieve overall inspection of parts, and there is no blind spot for complex parts. At present, the design of industrial CT reference blocks lacks relevant experimental verification basis. Therefore, aiming at the representative problem of reference blocks, this paper carried out a study on the influence of defect forms, different locations of defects of the same size, cylindrical roughness, and the forming method on the detection results of industrial CT. The research results indicated that through hole defects were easier to detect than blind holes. The different locations of defects of the same size had no obvious influence on the detection of cavity defects, but the closer the defect was to the center, the greater the impact of circular artifacts. The surface roughness of the test block and the forming method of the test block matrix had no obvious influence on the detection of cavity defects.
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Keywords:
- selective laser melting /
- reference test block /
- representative /
- industrial CT
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增材制造技术克服了传统方法在金属复杂零件制造上困难,可直接成型出力学性能良好的复杂精密金属零件[1-2]。选区激光熔化（SLM）技术作为典型的增材制造技术,也是近年快速发展的新型金属增材制造技术,该技术以激光作为能量源,以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品,实现了网络信息技术与先进材料技术、数字化制造技术的完美结合,在轻量化高性能结构及结构一体化领域中有明显优势。与传统的材料去除切削加工技术相比,该技术可以直接成型出近乎全致密且力学性能良好的金属零件,为复杂结构优化设计、快速设计验证、小批量零部件快速制造、快速客户响应等问题提供了一种全新的解决思路,已经成为航空航天等领域产品研制中的核心技术之一[3-5]。
航空增材SLM技术通过激光逐层熔化金属粉末的方式制造零件,在金属粉末的激光选区熔化过程中,由于粉末的熔化、凝固和冷却都是在极短的时间内完成的,易形成球状或类球形气孔、空洞类或不良分层类未熔合和裂纹等缺陷。传统胶片法射线检测技术为二维成像,只能实现缺陷二维尺寸评价且在射线束方向上存在影像叠加问题,降低了缺陷检测灵敏度,对于复杂零件常出现检测盲区、可达性差等问题,难以实现制件内部缺陷的有效检测,因此不能简单沿用传统制件的无损检测技术[6-7]。
工业CT检测技术可对零件进行360°全方位检测,对于镂空、遮挡、转角、多层等结构的复杂零件无检测盲区,可实现零件的整体三维检测,可直接获取缺陷的位置、形貌、尺寸,实现检测结果数字化存储,解决了现有胶片射线检测可达性差、效率低、人工依赖性高、污染重、胶片需要存放等问题[8-9]。然而目前国内增材制件内部缺陷CT检测方面的相应标准还不成熟,缺陷检测对比试块设计与制造缺少相关试验验证依据。
笔者针对航空增材SLM制件工业CT对比试块的代表性问题,依次开展相同尺寸不同位置缺陷、盲孔或通孔缺陷、试块柱面粗糙度、试块基体成型方式对工业CT检测结果影响规律研究,为对比试块提供可靠设计与制造依据,以推动工业CT技术在航空增材SLM制件微小孔洞类缺陷检测工程中的应用,进而保障飞机质量及安全。
1. 试验方法
1.1 对比试件
（1）制作含盲孔、通孔缺陷的钛合金对比试件2件,对比试件整体为圆柱体形状,其结构示意如图1所示,2件试件缺陷位置、柱面粗糙度、成型方式均相同,圆柱直径均为50 mm；在一试件上表面加工直径为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 mm的圆柱型盲孔缺陷,在另一试件上表面加工直径为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 mm的圆柱型通孔缺陷,对比试件中缺陷位置如图2所示。
（2）制作含相同尺寸（与图2尺寸相同）不同位置缺陷的钛合金对比试件1件,对比试件整体为圆柱体形状,圆柱直径为50 mm,依次在试件上表面边缘处、中间处、中心处加工直径为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 mm的圆柱型盲孔缺陷,该对比试件中缺陷位置图3所示。
（3）制作成型方式（增材,板材）钛合金对比试件2件,对比试件整体为圆柱体形状,缺陷类型、缺陷位置、柱面粗糙度均相同,圆柱直径均为50 mm,在增材试件上表面加工直径为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 mm的圆柱型盲孔缺陷,在板材试件上表面加工直径为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 mm的圆柱型盲孔缺陷,对比试件中的缺陷位置如图2所示。
（4）制作柱面粗糙度钛合金对比试件2件,试件整体为圆柱体形状,缺陷类型、缺陷位置、成型方式均相同,圆柱直径为10 mm,在粗糙柱面试件上表面加工直径为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 mm的圆柱型盲孔缺陷,在光滑柱面试件上表面加工直径为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 mm的圆柱型盲孔缺陷,对比试件中缺陷位置如图2所示。
1.2 测试和表征
采用工业CT检测系统,依次对盲孔通孔缺陷对比试件、相同尺寸不同位置缺陷对比试件、试块成型方式对比试件、柱面粗糙度对比试件进行检测试验,研究各因素对检测结果的影响规律。
2. 试验结果与分析
2.1 不同缺陷类型检测试验
当射线方向上缺陷尺寸相同时,为了研究缺陷高度对CT检测结果的影响,开展盲孔、通孔缺陷工业CT检测试验。使用工业CT检测系统,依次对盲孔、通孔缺陷对比试件不同高度截面进行检测,检测参数如表1所示。
Table 1. 盲孔、通孔对比试件检测参数放大倍数/倍 体素尺寸/μm 滤波片（锡）/mm 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 叠加张数/张 扫描张数/张 6.06 33.0 2 315 310 1 000 1 3 000 盲孔、通孔对比试件不同高度缺陷的工业CT检测结果如图4所示,可以看出,盲孔对比试块可检测出的最小缺陷直径为0.2 mm,通孔对比试块可检测出的最小缺陷直径为0.1 mm,主要原因可能是当缺陷尺寸较小时,虽然盲孔缺陷和通孔缺陷在射线透照方向上的尺寸相同,但缺陷高度差别较大,通孔缺陷所占的体素数量更多,且深度增加时更容易在多个截面中被识别出来,故相较于盲孔缺陷更容易被检测出来。
2.2 相同尺寸不同位置缺陷检测试验
工业CT检测技术可直接给出物体三维图像,可以直观地看到目标细节的空间位置分布、形状和大小,感兴趣的目标不受周围细节特征的遮挡,但工业制造产品中缺陷的产生是随机的,缺陷产生位置也是随机的,使用常规射线检测技术进行产品内部缺陷检测时,缺陷的检出率除与射线检测参数有关外,还与缺陷所在位置有关,因此为研究缺陷位置对工业CT检测结果的影响,开展相同尺寸不同位置缺陷的工业CT检测技术研究。
采用工业CT检测系统,在不同体素尺寸情况下依次对含相同尺寸不同位置缺陷对比试件进行检测,直径50 mm缺陷位置对比试件的CT检测参数如表2所示。
Table 2. ϕ50 mm缺陷位置对比试件的CT检测参数放大倍数/倍 体素尺寸/μm 滤波片（锡）/mm 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 叠加张数/张 扫描张数/张 备注 6.06 33.0 2 315 310 1 000 1 3 000 微动2次 3.03 66.0 2 315 310 1 000 1 3 000 微动2次 1.52 132.0 2 315 310 1 000 1 3 000 微动2次 不同体素尺寸下相同尺寸不同位置缺陷对比试件的CT检测结果如图5所示,可以看出,当体素尺寸为33 μm和66 μm时,中心、中间、边缘处均可看到ϕ0.2 mm缺陷,当体素尺寸增大到132 μm时,ϕ0.2 mm缺陷同时消失,均可看到ϕ0.3 mm缺陷,所以在不同体素尺寸下,相同尺寸不同位置缺陷在图像中均同时出现,同时消失,故缺陷位置对微小孔洞类缺陷的检出均无明显影响,但缺陷越靠近中心处位置时,检测结果受伪像的影响越大。
2.3 柱面粗糙度影响试验
在射线检测相关标准中,均未见对被检物体表面粗糙度的规定,而原始态增材构件侧面通常具有明显的纹理特征,粗糙度通常在10 μm以上,当粗糙度过大时可能会导致射线检测过程中出现较大的散射现象,从而影响试验结果,因此为研究增材SLM柱面粗糙度对CT检测结果的影响,开展不同柱面粗糙度试件的检测试验。因为射线穿透厚度越小,检测灵敏度越高（即粗糙度对检测影响大）,故采用直径10 mm对比试件进行柱面粗糙度研究。
采用不同体素分辨率,即6.0,99.0,121.0 μm,依次对不同柱面粗糙度对比试件进行检测,直径为10 mm的柱面粗糙度对比试件的CT检测参数如表3所示。
Table 3. ϕ10 mm柱面粗糙度对比试件的CT检测参数放大倍数/倍 体素分辨率/μm 滤波片（铜）/mm 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 叠加张数/张 扫描张数/张 33.33 6.0 0.5 180 120 1 000 1 3 000 2.02 99.0 0.5 180 120 1 000 1 3 000 1.65 121.0 0.5 180 120 1 000 1 3 000 不同体素尺寸下不同柱面粗糙度对比试件的CT检测结果如图6所示,可以看出,当体素分辨率为6.0 μm时,粗糙柱面与光滑柱面对比试块中直径为0.1~0.6 mm的缺陷均可以检出,当体素分辨率为99.0 μm时,粗糙柱面与光滑柱面对比试块中直径为0.1 mm的缺陷同时消失,当体素分辨率为121.0 μm时,粗糙柱面与光滑柱面对比试块中直径为0.2 mm的缺陷均变得较为模糊,所以在不同体素尺寸下,相同尺寸缺陷在不同柱面粗糙度CT图像中均同时出现,同时消失,故不同柱面粗糙度对孔洞类缺陷的检出无明显影响。
2.4 成型方式影响试验
相同材料不同成型方式的试件在同一能量下的衰减系数基本一致,因此理论上基体成型方式对缺陷的检出无明显影响。但不同于传统试件,SLM制件是以金属粉末为原材料,粉末本身可能存在孔洞或粉末之间存在间隙,若间隙之间的空气在材料凝固之前未能逃逸而在零件内部成形就会造成孔隙,另外,其制造工艺具有的急剧冷却特性还易导致零件内部出现分层和细微裂纹。因此为研究增材和传统成型方式对工业CT检测结果的影响,笔者开展不同成型方式的工业CT检测试验。
采用不同体素分辨率,即33.0,66.0,132.0 μm依次对不同成型方式对比试件进行检测,直径50 mm基体成型方式对比试件的CT检测参数如表4所示。
Table 4. ϕ50 mm基体成型方式对比试件的CT检测参数放大倍数/倍 体素分辨率/μm 滤波片（锡）/mm 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 叠加张数/张 扫描张数/张 6.06 33.0 2 315 310 1 000 1 3 000 3.03 66.0 2 315 310 1 000 1 3 000 1.52 132.0 2 315 310 1 000 1 3 000 不同体素尺寸下不同成型方式对比试件的CT检测结果如图7所示,可以看出,当体素尺寸为33 μm时,板材与增材对比试件中均可看到ϕ0.2 mm缺陷,当体素尺寸增大到132 μm时,ϕ0.2 mm缺陷消失,均可看到ϕ0.3 mm缺陷。所以在不同体素尺寸下,相同尺寸缺陷在板材与增材试件的CT检测图像中均同时出现,同时消失,故不同成型方式对孔洞类缺陷的检出无明显影响。
3. 结语
针对航空增材SLM制件工业CT对比试块的代表性问题,研究了缺陷类型、相同尺寸不同位置缺陷、试件柱面粗糙度、试件基体成型方式对工业CT检测结果的影响规律。试验结果表明,通孔缺陷相较于盲孔缺陷,更容易被检出；相同尺寸情况下缺陷所处位置对孔洞类缺陷的检出无明显影响,但缺陷越靠近中心处检测结果受伪影影响越大；试件柱面粗糙度、试件基体成型方式对孔洞类缺陷的检出均无明显影响。
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Table 1 盲孔、通孔对比试件检测参数
放大倍数/倍 体素尺寸/μm 滤波片（锡）/mm 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 叠加张数/张 扫描张数/张 6.06 33.0 2 315 310 1 000 1 3 000 
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Table 2 ϕ50 mm缺陷位置对比试件的CT检测参数
放大倍数/倍 体素尺寸/μm 滤波片（锡）/mm 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 叠加张数/张 扫描张数/张 备注 6.06 33.0 2 315 310 1 000 1 3 000 微动2次 3.03 66.0 2 315 310 1 000 1 3 000 微动2次 1.52 132.0 2 315 310 1 000 1 3 000 微动2次
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Table 3 ϕ10 mm柱面粗糙度对比试件的CT检测参数
放大倍数/倍 体素分辨率/μm 滤波片（铜）/mm 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 叠加张数/张 扫描张数/张 33.33 6.0 0.5 180 120 1 000 1 3 000 2.02 99.0 0.5 180 120 1 000 1 3 000 1.65 121.0 0.5 180 120 1 000 1 3 000
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Table 4 ϕ50 mm基体成型方式对比试件的CT检测参数
放大倍数/倍 体素分辨率/μm 滤波片（锡）/mm 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 叠加张数/张 扫描张数/张 6.06 33.0 2 315 310 1 000 1 3 000 3.03 66.0 2 315 310 1 000 1 3 000 1.52 132.0 2 315 310 1 000 1 3 000
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