Page 129 - 无损检测2024年第九期

颜江涛，等：

金属增材制造检测技术与质量控制研究进展

评价研究，在事后检测、在线检测以及质量反馈控制 等 指出激光粉末床熔融的50个工艺变量会影响制
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方面有突破性进展，对保证增材制造产品的质量和 件的质量，例如与材料相关的材料特性和粉末床密
性能、提升产品设计与工艺能力具有深远意义。 度等参数、与扫描相关的扫描速度和扫描策略等参
文章概述了金属增材制造中的典型可检特征， 数、与热源相关的激光功率等参数以及与温度相关
包括缺陷类型及其形成机理，聚焦金属增材制造事 的粉末床温度和温度均匀性等参数的不同组合均会
后和在线检测的典型性研究工作，以及基于在线检 导致制件质量的不同，参数选择不佳时亦会导致打
测结果反馈的闭环质量控制的研究进展，并展望了 印过程不稳定，极易诱发缺陷。
金属增材制造检测技术的未来发展趋势。 1.1 熔池状态
熔池状态是金属增材制造主要的在线监测对象，
1 金属增材制造典型可检特征
熔池的尺寸、温度、飞溅、羽流等特征包含丰富的动
根据增材制造的成形原理，GB/T 35021—2018 力学和时空演变信息，可用来深入挖掘不同工艺参数
《增材制造 工艺分类及原材料》将增材制造工艺分 对成形过程的影响规律。其中，熔池尺寸监测的参数
为7类： 立体光固化、材料喷射、黏结剂喷射、粉末床 包括长度、宽度和面积，与熔池温度监测结合，可共
熔融、材料挤出、定向能量沉积、薄材叠层。其中粉 同反映制造过程的稳定性。羽流是打印过程中熔池
末床熔融（PBF）和定向能量沉积（DED）是金属增 上方金属蒸气、等离子体和小冷凝颗粒的混合物 ，
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材制造的常用工艺类型 [4-5] ，PBF使用电子束或激光 其可以改变光束轮廓和局部能量密度，会在一定程度
束等热源来熔化或烧结金属粉末，常用的技术包括 上干扰在线检测光路。飞溅是由于固液转换不稳定
激光选区熔化（SLM）、激光选区烧结（SLS）、电子 而在熔池中溅出物体的现象，飞溅物的典型特征如
束选区熔化（EBSM）等；DED将粉末或丝材形式的 图1所示， 可分为以下3类 ：① 金属飞溅，指在熔池
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金属直接加入由激光、电子束或电弧等热源形成的 因激光反冲作用产生的凹陷处被反冲到高处的金属；

熔池中同步熔化沉积 ，常用的技术包括电弧增材制 ② 液滴飞溅，指熔池收缩产生的反冲压力与其表面
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造（WAAM）、激光近净成形（LENS）等。金属增材 张力相互作用而产生的球形液滴；③ 粉末飞溅，指溅
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制造过程涉及众多影响制件质量的因素 ，SPEARS 到熔池前端的不规则形状的未熔化粉末颗粒。

图 1 SLM 制造 CoCr 合金过程的飞溅形成机理
1.2 气孔 保护气体进入熔池从而导致气孔。气孔的形成与材
气孔一般小于100 μm，形状近似球形。其形成 料本身特性具有强相关性，激光功率等打印参数不
原因主要有：① 铺粉过程中， 金属粉末堆积松散，粉 同所导致的温度场变化和冷却速率不一致也会影响

末间裹挟了气体并溶解在熔池中，其快速凝固的特 到气孔总量及其分布情况。
性导致溶解的气体无法从熔池表面逸出，进而形成 1.3 裂纹
气孔；② 气雾化法制备粉末的过程中，气体进入粉 裂纹是内部残余应力导致的缺陷，一般包括
末原料导致粉末具有一定含气量；③ 制造过程中， 固态裂纹、液化裂纹和凝固裂纹 [11] ，如图 2 所示。
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2024 年 第 46 卷 第 9 期
无损检测