基于導波的定向能沉積增材制造薄壁結構的壓電激光超聲監/檢測新方法
時間：2024-03-06 09:46 來源：AM home增材制造之家 作者：admin 閱讀：次
在金屬增材制造工藝中，基于不同的原料形式（例如粉末、線材、片材）出現了各種增材制造（AM）技術。其中，粉末原料增材制造技術由于熔池較小、印刷精度較高而更受青睞，根據粉末輸送系統主要分為粉末床熔融（PBF）和定向能沉積（DED）兩類。PBF技術，如選擇性激光熔化（SLM）和電子束熔化（EBM）利用送粉盒和刀片將原材料散布在成型區域，然后通過聚焦激光束選擇性地熔化金屬粉末。DED技術包括激光熔融沉積（LMD）和激光工程師凈成形（LENS），通常利用同軸噴嘴同時將粉末和能量輸送到目標區域以形成零件。由于沒有粉末床，因此不需要脫粉程序。與PBF相比，DED不需要預沉積粉末層，因此適用于零件的修復或涂層。此外，DED已被廣泛應用于制造具有不同材料特性的功能性分級/組合零件。原位粉末混合能力和大運動范圍使其成為混合增材和減材制造的理想選擇。
DED工藝涉及材料熔化、相變、傳導/對流、粉末相互作用等多重物理場，這使得產品質量對掃描策略、送粉速率、激光功率等工藝參數敏感。參數不當會導致各種制造缺陷甚至產品故障。先前的研究表明，在DED過程中，由于各種因素可能會出現制造缺陷（例如開裂、孔隙率、冶金結合力弱，缺乏熔合和殘余應力）。因此，需要開發原位檢測和監控方法來檢查零件，以便實現反饋回路來控制制造參數，并在檢測到缺陷時采取必要的措施。
無損評估（NDE）技術廣泛用于材料表征、缺陷識別和加工監測，而不會對零件造成任何損壞。近年來，各種無損檢測技術被用于DED工藝中的缺陷檢測，包括X射線成像、紅外熱成像、光發射測試、激光線掃描和超聲波檢測（UT）。其中，UT由于具有效率高、穿透深度高、對材料損壞敏感度高等優點，非常有發展潛力。非接觸式激光超聲（LU）檢測方法由幾個研究小組開發并應用于增材制造過程的檢測和監測。例如，LU用于使用瑞利波（Rayleigh wave）檢測DED生產的316L鋼樣品中的缺陷。現有文獻強調了使用超聲方法對DED過程進行原位和在線監測的重要性和可行性。
大多數關于增材制造超聲檢測的文獻都集中在體積塊樣品上。增材制造生產的另一類重要零件包括薄壁結構，DED已經證明了其優于傳統銑削和加工技術的優勢。DED生產的薄壁結構的應用可以在渦輪機外殼、直升機發動機燃燒室、燃氣輪機排氣等中找到。除了工程應用外，增材制造界的研究人員在研究缺陷形成機制和開發新的DED技術時，經常使用薄壁結構作為測試樣品。與體結構相比，薄壁結構更容易出現小缺陷、層開裂/分層和壁面屈曲。需要開發快速準確的原位檢查和監測方法來檢查薄壁結構的DED制造，盡管到目前為止幾乎沒有針對此類結構的相關研究。
超聲波或蘭姆波特別適合檢測墻狀結構，因為波沿著結構傳播，能量衰減很小，覆蓋100%的檢測區域。它可以快速篩選和檢查這些結構內部的缺陷。從歷史上看，導波技術已成功應用于檢查或監測傳統的石油/天然氣管道、飛機機翼結構和復合板等。
基于此，香港科技大學的研究人員開發了一種利用導波檢測DED薄壁結構的新方法。該方法使用粘合在基板上的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電換能器來激發導波，導波作為波導沿著基板向薄壁傳播。然后，導波沿著打印的薄壁部分傳播，并由非接觸式激光測振儀測量。建立了一種波模型，用于快速預測Lamb波在襯底壁結構中的產生和傳播，并通過數值和實驗研究進行了驗證。然后，應用原型檢測系統來評估DED制造的成品薄壁結構的缺陷檢測性能。用于固定樣品的6軸運動平臺用于執行掃描測量，它還模擬了真實DED過程中載物臺的運動。新方法可以集成到打印環境中，以實現對DED過程的監控。相關研究成果已于近日發表在物理與天體物理二區雜志Ultrasonics上。
該研究采用的寬40 mm、高20 mm、厚1.34 mm的單壁樣品是由自主研發的DED系統制造，如圖1a所示。該系統由500 W多模連續激光電源、同軸噴嘴、粉末輸送系統、光學傳輸和聚焦系統、6軸平行運動平臺和自主研發的控制器等組成。
采用不銹鋼316L粉末作為原料，球形形貌，尺寸范圍為20~50 μm。316L粉末的標稱成分列于表1中。整個印刷系統在氧含量 在制造過程中，在薄壁中選定的沉積位置預設了不一致的功率輸出，從而產生了人為缺陷，如圖1b所示。測量的裂紋長度約為1.5 mm，距離基材約15 mm。在超聲試驗中，將經過DED處理后印制的薄壁樣品與基板一起用于評估所開發的檢測方法。
所選PZT的尺寸為：長30 mm、寬5 mm、高0.5 mm，如圖4a所示。PZT與薄壁之間的距離為16 mm。一個中心頻率為1000 kHz的Hann窗口音突發信號由波形發生器生成。之所以選擇這個頻率值，是因為可以測量薄壁上的強A0模式Lamb波。激勵信號由功率放大器放大，使用激光測振儀通過沿墻面上的水平線掃描來測量面外振動，如圖4b所示。
在圖12a中繪制了11至15個檢測點的小波系數，因為它們位于缺陷位置的正下方，并且比其他檢測點攜帶更多與損傷相關的信息。值得注意的是，在大約32.6
μs處，從感應點11到14觀察到明顯的響應，這可以歸因于來自缺陷的直接反射信號。此外，在37.4
μs左右，可以辨別出一個突出的響應，代表上壁邊界反射的波。在13號探測點也觀察到一個明顯的山谷區域。這是因為缺陷的陰影效應和來自墻壁頂部的反射波在很大程度上被阻擋了。由于激光測振儀的測量是沿著這條線進行的，因此圖12b顯示了缺陷空間位置的損傷相關圖。
圖13a總結了所有傳感點的結果，并直觀地將其描述為B掃描圖像，從而能夠檢測和定位缺陷。入射波和缺陷的直接反射波之間的時間延遲確定為0.98
μs。根據開發的理論模型，A的波速0計算出墻內1000 kHz的模式為3223 m/s。因此，缺陷和掃描線之間的距離估計約為1.6
mm。通過與6軸運動載物臺同步，從載物臺的坐標數據中獲取墻上每個激光測量點的空間位置的實時信息。鑒于掃描線位于基板上方13
mm的高度，因此可以在壁內約14.6 mm的高度和約1.5 mm的長度處識別缺陷。此外，入射波與壁體上邊界反射波之間的時間延遲為5.74
μs。預制墻層的高度估計約為22.3 mm。這些測量結果與實際記錄的數據密切相關。
這項工作提出了一種新的基于導波的檢測系統，用于檢測和定位DED-AM產生的薄壁結構的小缺陷。
PZT執行器永久粘合在遠離建筑區域的基板上，對制造過程的影響最小。超聲波通過基板被引導到薄壁上，再被轉換為沿壁傳播的蘭姆波。非接觸式激光測振儀用于測量薄壁上的引導波信號。
建立了一種波模型來預測導波在襯底和薄壁中的產生和傳播，并通過數值模擬和試驗驗證了該模型的有效性。然后，將該系統用于檢測DED生產的薄壁樣品中因粉末輸送不一致而導致的缺陷。選擇頻率是為了提高測量靈敏度。通過分析掃描的導波信號，從掃描圖像中成功檢測和定位缺陷；缺陷的橫向尺寸也被準確識別。
目前，該研究工作已顯示出應用潛力，通過導波檢測新方法，將PZT作為執行器，非接觸式激光測振儀作為接收器，可用于未來DED過程的在線檢測和監測。該系統還可以并入DED建筑環境，并且不會干擾建筑過程。
DED工藝涉及材料熔化、相變、傳導/對流、粉末相互作用等多重物理場，這使得產品質量對掃描策略、送粉速率、激光功率等工藝參數敏感。參數不當會導致各種制造缺陷甚至產品故障。先前的研究表明，在DED過程中，由于各種因素可能會出現制造缺陷（例如開裂、孔隙率、冶金結合力弱，缺乏熔合和殘余應力）。因此，需要開發原位檢測和監控方法來檢查零件，以便實現反饋回路來控制制造參數，并在檢測到缺陷時采取必要的措施。
無損評估（NDE）技術廣泛用于材料表征、缺陷識別和加工監測，而不會對零件造成任何損壞。近年來，各種無損檢測技術被用于DED工藝中的缺陷檢測，包括X射線成像、紅外熱成像、光發射測試、激光線掃描和超聲波檢測（UT）。其中，UT由于具有效率高、穿透深度高、對材料損壞敏感度高等優點，非常有發展潛力。非接觸式激光超聲（LU）檢測方法由幾個研究小組開發并應用于增材制造過程的檢測和監測。例如，LU用于使用瑞利波（Rayleigh wave）檢測DED生產的316L鋼樣品中的缺陷。現有文獻強調了使用超聲方法對DED過程進行原位和在線監測的重要性和可行性。
大多數關于增材制造超聲檢測的文獻都集中在體積塊樣品上。增材制造生產的另一類重要零件包括薄壁結構，DED已經證明了其優于傳統銑削和加工技術的優勢。DED生產的薄壁結構的應用可以在渦輪機外殼、直升機發動機燃燒室、燃氣輪機排氣等中找到。除了工程應用外，增材制造界的研究人員在研究缺陷形成機制和開發新的DED技術時，經常使用薄壁結構作為測試樣品。與體結構相比，薄壁結構更容易出現小缺陷、層開裂/分層和壁面屈曲。需要開發快速準確的原位檢查和監測方法來檢查薄壁結構的DED制造，盡管到目前為止幾乎沒有針對此類結構的相關研究。
超聲波或蘭姆波特別適合檢測墻狀結構，因為波沿著結構傳播，能量衰減很小，覆蓋100%的檢測區域。它可以快速篩選和檢查這些結構內部的缺陷。從歷史上看，導波技術已成功應用于檢查或監測傳統的石油/天然氣管道、飛機機翼結構和復合板等。
基于此，香港科技大學的研究人員開發了一種利用導波檢測DED薄壁結構的新方法。該方法使用粘合在基板上的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電換能器來激發導波，導波作為波導沿著基板向薄壁傳播。然后，導波沿著打印的薄壁部分傳播，并由非接觸式激光測振儀測量。建立了一種波模型，用于快速預測Lamb波在襯底壁結構中的產生和傳播，并通過數值和實驗研究進行了驗證。然后，應用原型檢測系統來評估DED制造的成品薄壁結構的缺陷檢測性能。用于固定樣品的6軸運動平臺用于執行掃描測量，它還模擬了真實DED過程中載物臺的運動。新方法可以集成到打印環境中，以實現對DED過程的監控。相關研究成果已于近日發表在物理與天體物理二區雜志Ultrasonics上。
該研究采用的寬40 mm、高20 mm、厚1.34 mm的單壁樣品是由自主研發的DED系統制造，如圖1a所示。該系統由500 W多模連續激光電源、同軸噴嘴、粉末輸送系統、光學傳輸和聚焦系統、6軸平行運動平臺和自主研發的控制器等組成。
采用不銹鋼316L粉末作為原料，球形形貌，尺寸范圍為20~50 μm。316L粉末的標稱成分列于表1中。整個印刷系統在氧含量 在制造過程中，在薄壁中選定的沉積位置預設了不一致的功率輸出，從而產生了人為缺陷，如圖1b所示。測量的裂紋長度約為1.5 mm，距離基材約15 mm。在超聲試驗中，將經過DED處理后印制的薄壁樣品與基板一起用于評估所開發的檢測方法。
提出的用于快速檢測印刷的金屬薄壁結構導波檢測系統如圖3所示。PZT永久粘合在基板表面，與制造區域保持一定距離。超聲波被PZT激發，波通過基板被引導到薄壁上。利用導波的遠程傳播特性，這種配置可以避免干擾DED機器的運行，減少高激光光斑對超聲波傳感器性能的影響。
所選PZT的尺寸為：長30 mm、寬5 mm、高0.5 mm，如圖4a所示。PZT與薄壁之間的距離為16 mm。一個中心頻率為1000 kHz的Hann窗口音突發信號由波形發生器生成。之所以選擇這個頻率值，是因為可以測量薄壁上的強A0模式Lamb波。激勵信號由功率放大器放大，使用激光測振儀通過沿墻面上的水平線掃描來測量面外振動，如圖4b所示。
這項工作提出了一種新的基于導波的檢測系統，用于檢測和定位DED-AM產生的薄壁結構的小缺陷。
PZT執行器永久粘合在遠離建筑區域的基板上，對制造過程的影響最小。超聲波通過基板被引導到薄壁上，再被轉換為沿壁傳播的蘭姆波。非接觸式激光測振儀用于測量薄壁上的引導波信號。
建立了一種波模型來預測導波在襯底和薄壁中的產生和傳播，并通過數值模擬和試驗驗證了該模型的有效性。然后，將該系統用于檢測DED生產的薄壁樣品中因粉末輸送不一致而導致的缺陷。選擇頻率是為了提高測量靈敏度。通過分析掃描的導波信號，從掃描圖像中成功檢測和定位缺陷；缺陷的橫向尺寸也被準確識別。
目前，該研究工作已顯示出應用潛力，通過導波檢測新方法，將PZT作為執行器，非接觸式激光測振儀作為接收器，可用于未來DED過程的在線檢測和監測。該系統還可以并入DED建筑環境，并且不會干擾建筑過程。
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