基于激光的超聲波檢測金屬3D打印中產(chǎn)生缺陷的特征‎

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：Lawrence Livermore國家實驗室（LLNL）的研究人員開發(fā)了一種新的全光超聲技術,，能夠根據(jù)需要對熔體軌跡進行表征,，并檢測流行金屬3D打印工藝中缺陷的形成,。

Lawrence Livermore國家實驗室團隊證明，結(jié)合基于激光的超聲波產(chǎn)生的表面聲波的診斷可以有效、準確地評估激光熔線,，并通過散射可快速檢測的熔線,、空洞和表面特征的聲能來發(fā)現(xiàn)激光粉末床熔接金屬3D打印中的缺陷。來源：David Stobbe/LLNL

在《科學報告》發(fā)表的一篇論文中,，Lawrence Livermore國家實驗室研究人員提出了一種利用基于激光的超聲波產(chǎn)生的表面聲波（SAW）進行診斷的方法,，該方法可以揭示激光粉末床熔合（LPBF）金屬3D打印中的微小表面和亞表面缺陷。該團隊報告稱,，他們開發(fā)的系統(tǒng)可以有效,、準確地評估激光熔線，即激光在LPBF印刷中液化金屬粉末的軌跡,，通過散射熔線,、空洞和表面特征的聲能，可以快速檢測到這些痕跡,。研究小組使用光學顯微鏡和X射線計算機斷層掃描（CT）驗證了這些發(fā)現(xiàn),。

研究人員測量了激光粉末床聚變（LPBF）條件下不銹鋼表面的電子發(fā)射，證明了利用熱離子發(fā)射信號檢測可能產(chǎn)生零件缺陷的現(xiàn)象的潛力,，并提高了對LPBF過程的理解,。上圖顯示了激光誘導不銹鋼熔化的多物理模擬，顯示了主要在表面凹陷前部產(chǎn)生的電子發(fā)射信號,。下圖描繪了不銹鋼制成的激光軌跡的橫截面,。熱離子發(fā)射監(jiān)測可檢測傳導（左）和小孔（右）模式焊接狀態(tài)之間的過渡。來源：Aiden Martin/LLNL

LLNL工程師兼首席研究員David Stobbe說：“我們希望這項工作展示了一種全光超聲系統(tǒng)的潛力,，該系統(tǒng)能夠快速,、按需地原位表征LPBF工藝和粉末。演示的基于激光的超聲波,、表面聲波系統(tǒng)對表面和近表面特征表現(xiàn)出極好的敏感性,，包括LPBF熔線的斷裂、金屬表面飛濺和地下空隙,�,！�

（a）產(chǎn)生激光熔線掃描的實驗裝置。（b）產(chǎn)生和檢測表面聲波的實驗裝置,。使用脈沖激光產(chǎn)生超聲波,，并使用光折變干涉儀測量位移。（c,，d）相對于熔化線的樣品幾何形狀,、源位置和檢測（單位：mm）。通過沿y方向平移樣品來掃描熔線,。

歷史上,，表面聲波曾被用于表征表面和近表面特征，如工程材料中的裂縫,、凹坑和焊縫,，并在地質(zhì)學中以更大的長度尺度用于探測地下特征，如洞穴,。研究人員表示,，由于其表面和近表面敏感性，SAW非常適合在LPBF打印中描述熔線,。

為了測試這一潛力,，LLNL團隊進行了實驗，使用光纖激光器將激光熔線導入真空室,，并制作了鈦合金樣品,，用于100瓦、150瓦和350瓦功率激光的分析,。接下來,，他們開發(fā)了一種產(chǎn)生和檢測表面聲波的方法，使用脈沖激光產(chǎn)生超聲波,，并使用光折變激光干涉儀測量位移,。

波傳播方向上的時間平均功率通量。

該團隊還進行了模擬,，為實驗測量提供信息,，并協(xié)助解釋結(jié)果。他們模擬并測量了脈沖激光的位移,，顯示了熔線的散射,、熔線的斷裂、熔線附近的金屬飛濺以及熔線下方的地下空隙,。該團隊通過實驗測量了相同的特征,，并觀察到模擬和實驗之間的良好一致性。

激光超聲（LBU）實驗的結(jié)果通過光學顯微鏡對表面特征進行驗證,，并通過X射線計算機斷層掃描對亞表面特征進行驗證,。研究人員報告稱，與X射線CT相比,，LBU系統(tǒng)“能夠更好地進行實時檢查,，并且能夠以更快的速度獲取和處理數(shù)據(jù)�,！�

LLNL工程師兼主要作者Kathryn Harke說：“與傳統(tǒng)的X射線CT相比,，利用基于激光的超聲波顯著縮短了地下空洞檢測的時間，從幾天縮短到幾分鐘,。雖然在實施此診斷用于過程中監(jiān)控之前需要進行更多的開發(fā),，但我們的團隊對這些初步發(fā)現(xiàn)感到興奮。”

實驗室研究人員表示,，雖然該方法非常適合LPBF印刷的現(xiàn)場實施,，但可檢測空隙的大小和深度有限制，現(xiàn)場監(jiān)測或建造后檢查需要進一步發(fā)展,。

（a）激光熔化過程中金屬飛濺的共焦顯微鏡圖像,。（b）金屬飛濺附近位移的模擬。在熔線反射之前觀察到拋物線散射,。（c）沿樣品y軸掃描時,，通過實驗測量法向位移。（d）放大（c）中的圖像部分,，顯示熔線反射之前金屬飛濺的拋物線散射,。

Stobbe說：“在改變金屬粉末原料或修改熔融激光功率或掃描速度后，這樣的系統(tǒng)可能會用于快速鑒定新的LPBF機器和在役機器,�,！薄�

來源：Laser-based ultrasound interrogation of surface and sub-surfacefeatures in advanced manufacturing materials, Scientific Reports (2022). DOI:10.1038/s41598-022-07261-w