粉末床熔融金屬增材制造中的缺陷和異常(6)
時間：2023-01-06 11:03 來源：長三角G60激光聯(lián)盟 作者：admin 閱讀：次
2.2.2.紅外和近紅外高速成像
在PBF技術中，許多研究側(cè)重于溫度場監(jiān)測，以預測異常和底層微觀結(jié)構。研究人員利用原位紅外測量來監(jiān)測熔融AM過程中熔池的幾何形狀和相應的溫度。熔池中的任何異常都可能被視為部分缺陷的形成。然而，跟蹤熔池溫度和電位波動需要高速數(shù)據(jù)采集（10 kHz）能力，這一能力成本高昂，并大大增加了機器激光光學的復雜性，增加了機器的成本。作為替代方案，可以使用低幀速率和低數(shù)據(jù)存儲要求的全場成像。Boone等人提出，使用近紅外（例如，硅焦平面）可以降低發(fā)射率對測量的影響；因此，測量不確定度較低（見圖17）。
圖17顯示未融合（局部小熱點）和腫脹（紅色箭頭所示）的示例。
(a）用于形成立方體的工藝參數(shù)概述;（b）構建結(jié)束時的最終表面的照片，顯示立方體和七邊形幾何形狀;和（c）用于在立方體表面的最后一層頂部制作的七邊形幾何形狀的掃描圖案。
最近，原位熱成像已被用于確認在電子束粉末床熔合（E-PBF）過程中識別缺陷產(chǎn)生和微觀結(jié)構演變時，幾何形狀、工藝參數(shù)和材料是相互關聯(lián)的。這些測量結(jié)果與背景和峰值溫度相關，以確定孔隙率形成的趨勢。此外，原位熱測量允許定量估計導致凝固過程中柱狀到等軸轉(zhuǎn)變（CET）的加工條件。然而，上述研究均未被整合并擴展到鎳合金的選擇性激光熔化，也不涉及對熔體層的表面粗糙度，硬度和微觀組織的深入研究。此外，沒有一項已發(fā)表的研究提供可能與AM基準計劃相關的類似處理條件的全面原位和非原位數(shù)據(jù)。
2.2.3.高速x射線成像和衍射
除了構建后的特征，同步輻射x射線成像和衍射技術也被用于AM過程的操作研究。這些結(jié)果為構建中各種結(jié)構缺陷的機制提供了顯著的見解。
在同步輻射x射線之前，20世紀90年代，大阪大學的研究小組使用實驗室x射線來監(jiān)測激光在小孔模式焊接中的深度穿透。由于在他們的工作中使用了管x射線源，有限的通量產(chǎn)生了對比度和分辨率相對較低的圖像。因此，他們的報告中缺乏關于前鎖孔壁精細結(jié)構和熔池形態(tài)的信息。圖18顯示了使用內(nèi)部x射線成像技術對小孔孔隙度的可視化。
圖18激光焊接小孔氣孔的實驗室x射線成像。
2016年，Zhao和Sun等人建造了激光粉末床聚變模擬器，并將其與阿貢國家實驗室先進光子源（APS）的高速同步x射線成像和衍射技術相結(jié)合。2017年，他們展示了平臺的力量，并將結(jié)果發(fā)表在《科學報告》中。這是首次使用同步加速器x射線監(jiān)測金屬的激光熔化過程。實驗示意圖如圖19所示。圖20顯示了鎖孔形成過程和柱狀晶粒生長過程的細節(jié)。
圖19 阿貢國家實驗室先進光子源激光粉末床聚變的高速同步輻射x射線成像和衍射實驗示意圖。
圖20激光熔化和凝固中Ti-6Al-4V的高速同步x射線成像。（a）鎖孔的形成。（b）柱狀晶粒的生長。
除成像外，世界各地的幾個團隊已應用高速同步輻射x射線衍射研究與AM相關的凝固過程中的材料相演變。2017年，Zhao等人觀察到，在Ti-6Al-4V的初始凝固過程中，高溫bcc相出現(xiàn)了強衍射斑點，隨著樣品繼續(xù)冷卻，它們被六角形相取代，如圖21所示。通過轉(zhuǎn)變時間，他們估算了冷卻速度和固相轉(zhuǎn)變速度。
圖21激光熔化和凝固中Ti-6Al-4V的高速同步x射線衍射。
2.2.4.其他技術
除了可見光成像、熱成像、x射線成像和衍射技術外，積分球輻射測量（ISR）和聲學測試（AT）也用于監(jiān)測金屬的添加劑制造過程。在這里，我們介紹了一般的實驗原理和方法。由于信號解釋的困難，這些技術通常與其他技術相結(jié)合。
2.2.4.1.積分球輻射測量
實驗原理和方法。2008年，桑迪亞國家實驗室的J.T.Norris等人使用積分球?qū)す夂附舆^程中的激光吸收進行了臨時評估。如圖22A所示，有兩個球體，一個主球體和一個次球體。主球體位于激光頭下方。焊接樣品位于球體內(nèi)部和激光束的焦平面上。在Norris等人之前，F(xiàn)abbro等人在LALP（CNRS）/GIP GERAILP公司于2005年實施了該技術（圖22B），以測量全熔透激光焊接過程中通過小孔傳輸?shù)募す饽芰俊９怆姸䴓O管的時間分辨率為幾微秒。其信號與進入球體的激光功率呈線性關系。2018年，國家標準與技術研究所的Simonds等人使用該技術（圖22C）研究了熔體和小孔形成過程中的動態(tài)激光吸收。時間分辨率小于1微秒。
圖22積分球輻射測量的實驗裝置。
將ISR與其他監(jiān)控技術相結(jié)合。2020年，Simonds等人將該技術與內(nèi)聯(lián)相干成像或高速x射線成像相結(jié)合，并將激光吸收與鎖孔演化（例如，小孔深度）相關聯(lián)，如圖23所示。內(nèi)聯(lián)相干成像系統(tǒng)能夠以200 kHz的速率提取樣品表面深度，空間分辨率為15μm。主要結(jié)果如圖23C所示。
圖23相關激光吸收和樣品表面深度。通過（A）內(nèi)聯(lián)相干成像和（B）高速x射線成像測量的樣品表面深度。（C）時間分辨的小孔深度和從傳導到過渡到小孔模式的激光吸收。
2.2.4.2.聲學測試
實驗原理和方法。聲學測試因其快速的數(shù)據(jù)采集和處理而被用于監(jiān)測激光熔化過程。基本概念是散射波形的振幅與熔池和構建板的彈性特性和質(zhì)量密度有關。隨著金屬的熔化，剪切模量消失，壓縮模量和質(zhì)量密度大大降低。因此，熔池邊界處存在較大的聲阻抗差異。這導致從熔池入射的剪切波強烈散射。此外，由于橫波的波長較短，因此與縱波相比，橫波更敏感。
a） AE信號片段的示例，對應于在中等能量密度；b）與窄帶相對能量相對應的譜圖，位于時頻域中。
如圖24所示，他們發(fā)現(xiàn)超聲波散射對熔池深度非常敏感。熔池深度是從激光焊接后的橫截面獲得的。此外，隨著熔池的演化，由于剪切波速減小，初始脈沖的到達時間增加。聲音信號和零件質(zhì)量之間的聯(lián)系并不簡單。為了應對這一挑戰(zhàn)，瑞士材料科學與技術聯(lián)邦實驗室的Shevchik等人提出了一種實時檢測導致缺陷的工藝不穩(wěn)定性的方法。首先，如圖25A所示，他們使用三種技術來監(jiān)測激光熔化過程：高速x射線成像、激光背反射和聲發(fā)射。其次，他們應用深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡（圖25B），從激光背反射和聲發(fā)射信號的小波譜圖中揭示導致缺陷的事件的特征（圖25（C-E））。
圖24激光誘導熔池超聲波檢測的理解。（A）俯仰鎖定配置示意圖。（B）熔池形成過程中的超聲波波形。（C）隨時間推移的B掃描圖像。（D）測量的散射振幅和熔池深度。（E）不同激光持續(xù)時間的熔融熔池。
圖25激光熔化質(zhì)量監(jiān)測的深度學習。（A）實驗設置。使用了三種技術：高速x射線成像、激光背反射和聲發(fā)射。（B）激光背反射和聲發(fā)射信號事件特征的深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡。（B）激光背反射信號、（C）聲發(fā)射信號和（D）兩個信號的組合的分類結(jié)果。每個細胞中的數(shù)字分別是常規(guī)CNN、交叉殘留CNN和時間CNN。
來源：Defects and anomalies in powder bed fusion metal additive manufacturing, Current Opinion in Solid State and Materials Science, doi.org/10.1016/j.cossms.2021.100974
參考文獻：Influence of post-heat-treatment on the microstructure and fracture toughness properties of Inconel 718 fabricated with laser directed energy deposition additive manufacturing, Mater. Sci. Eng. A., 798 (2020), Article 140092.
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