基于導(dǎo)波的定向能沉積增材制造薄壁結(jié)構(gòu)的壓電激光超聲監(jiān)/檢測(cè)新方法

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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(xiàn)了各種增材制造（AM）技術(shù),。其中,，粉末原料增材制造技術(shù)由于熔池較小,、印刷精度較高而更受青睞,，根據(jù)粉末輸送系統(tǒng)主要分為粉末床熔融（PBF）和定向能沉積（DED）兩類。

PBF技術(shù)，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(qū)域,，然后通過(guò)聚焦激光束選擇性地熔化金屬粉末,。

DED技術(shù)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(shí)將粉末和能量輸送到目標(biāo)區(qū)域以形成零件,。由于沒(méi)有粉末床,，因此不需要脫粉程序。與PBF相比,，DED不需要預(yù)沉積粉末層,，因此適用于零件的修復(fù)或涂層。此外,，DED已被廣泛應(yīng)用于制造具有不同材料特性的功能性分級(jí)/組合零件,。原位粉末混合能力和大運(yùn)動(dòng)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(dǎo)/對(duì)流、粉末相互作用等多重物理場(chǎng),，這使得產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)掃描策略,、送粉速率、激光功率等工藝參數(shù)敏感,。參數(shù)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致各種制造缺陷甚至產(chǎn)品故障,。先前的研究表明，在DED過(guò)程中,，由于各種因素可能會(huì)出現(xiàn)制造缺陷（例如開(kāi)裂,、孔隙率、冶金結(jié)合力弱,，缺乏熔合和殘余應(yīng)力）,。因此，需要開(kāi)發(fā)原位檢測(cè)和監(jiān)控方法來(lái)檢查零件,，以便實(shí)現(xiàn)反饋回路來(lái)控制制造參數(shù),，并在檢測(cè)到缺陷時(shí)采取必要的措施。

無(wú)損評(píng)估（NDE）技術(shù)廣泛用于材料表征,、缺陷識(shí)別和加工監(jiān)測(cè),，而不會(huì)對(duì)零件造成任何損壞。近年來(lái),，各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)被用于DED工藝中的缺陷檢測(cè),，包括X射線成像、紅外熱成像,、光發(fā)射測(cè)試,、激光線掃描和超聲波檢測(cè)（UT）,。其中，UT由于具有效率高,、穿透深度高,、對(duì)材料損壞敏感度高等優(yōu)點(diǎn),，非常有發(fā)展?jié)摿Α?br />
非接觸式激光超聲（LU）檢測(cè)方法由幾個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于增材制造過(guò)程的檢測(cè)和監(jiān)測(cè),。例如，LU用于使用瑞利波（Rayleigh wave）檢測(cè)DED生產(chǎn)的316L鋼樣品中的缺陷�,，F(xiàn)有文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)了使用超聲方法對(duì)DED過(guò)程進(jìn)行原位和在線監(jiān)測(cè)的重要性和可行性,。

大多數(shù)關(guān)于增材制造超聲檢測(cè)的文獻(xiàn)都集中在體積塊樣品上。增材制造生產(chǎn)的另一類重要零件包括薄壁結(jié)構(gòu),，DED已經(jīng)證明了其優(yōu)于傳統(tǒng)銑削和加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì),。DED生產(chǎn)的薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以在渦輪機(jī)外殼、直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室,、燃?xì)廨啓C(jī)排氣等中找到,。除了工程應(yīng)用外，增材制造界的研究人員在研究缺陷形成機(jī)制和開(kāi)發(fā)新的DED技術(shù)時(shí),，經(jīng)常使用薄壁結(jié)構(gòu)作為測(cè)試樣品,。與體結(jié)構(gòu)相比，薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)小缺陷,、層開(kāi)裂/分層和壁面屈曲,。需要開(kāi)發(fā)快速準(zhǔn)確的原位檢查和監(jiān)測(cè)方法來(lái)檢查薄壁結(jié)構(gòu)的DED制造，盡管到目前為止幾乎沒(méi)有針對(duì)此類結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究,。

超聲波或蘭姆波特別適合檢測(cè)墻狀結(jié)構(gòu),，因?yàn)椴ㄑ刂�結(jié)構(gòu)傳播，能量衰減很小,，覆蓋100%的檢測(cè)區(qū)域,。它可以快速篩選和檢查這些結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷。從歷史上看,，導(dǎo)波技術(shù)已成功應(yīng)用于檢查或監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)的石油/天然氣管道,、飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)和復(fù)合板等。

基于此,，香港科技大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種利用導(dǎo)波檢測(cè)DED薄壁結(jié)構(gòu)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(lái)激發(fā)導(dǎo)波，導(dǎo)波作為波導(dǎo)沿著基板向薄壁傳播,。然后,，導(dǎo)波沿著打印的薄壁部分傳播，并由非接觸式激光測(cè)振儀測(cè)量,。建立了一種波模型,，用于快速預(yù)測(cè)Lamb波在襯底壁結(jié)構(gòu)中的產(chǎn)生和傳播,，并通過(guò)數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了驗(yàn)證。然后,，應(yīng)用原型檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)評(píng)估DED制造的成品薄壁結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)性能,。用于固定樣品的6軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)用于執(zhí)行掃描測(cè)量，它還模擬了真實(shí)DED過(guò)程中載物臺(tái)的運(yùn)動(dòng),。新方法可以集成到打印環(huán)境中,，以實(shí)現(xiàn)對(duì)DED過(guò)程的監(jiān)控。相關(guān)研究成果已于近日發(fā)表在物理與天體物理二區(qū)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(fā)的DED系統(tǒng)制造,，如圖1a所示,。該系統(tǒng)由500 W多模連續(xù)激光電源、同軸噴嘴,、粉末輸送系統(tǒng),、光學(xué)傳輸和聚焦系統(tǒng)、6軸平行運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和自主研發(fā)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(biāo)稱成分列于表1中,。整個(gè)印刷系統(tǒng)在氧含量 在制造過(guò)程中,，在薄壁中選定的沉積位置預(yù)設(shè)了不一致的功率輸出，從而產(chǎn)生了人為缺陷,，如圖1b所示,。測(cè)量的裂紋長(zhǎng)度約為1.5 mm，距離基材約15 mm,。在超聲試驗(yàn)中,，將經(jīng)過(guò)DED處理后印制的薄壁樣品與基板一起用于評(píng)估所開(kāi)發(fā)的檢測(cè)方法。

提出的用于快速檢測(cè)印刷的金屬薄壁結(jié)構(gòu)導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示,。PZT永久粘合在基板表面,，與制造區(qū)域保持一定距離。超聲波被PZT激發(fā),，波通過(guò)基板被引導(dǎo)到薄壁上,。利用導(dǎo)波的遠(yuǎn)程傳播特性,，這種配置可以避免干擾DED機(jī)器的運(yùn)行，減少高激光光斑對(duì)超聲波傳感器性能的影響,。

所選PZT的尺寸為：長(zhǎng)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(gè)中心頻率為1000 kHz的Hann窗口音突發(fā)信號(hào)由波形發(fā)生器生成,。之所以選擇這個(gè)頻率值,，是因?yàn)榭梢詼y(cè)量薄壁上的強(qiáng)A0模式Lamb波,。激勵(lì)信號(hào)由功率放大器放大,，使用激光測(cè)振儀通過(guò)沿墻面上的水平線掃描來(lái)測(cè)量面外振動(dòng)，如圖4b所示,。

在圖12a中繪制了11至15個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的小波系數(shù),，因?yàn)樗鼈兾挥谌毕菸恢玫恼�下方，并且比其他檢測(cè)點(diǎn)攜帶更多與損傷相關(guān)的信息,。值得注意的是,，在大約32.6 μs處，從感應(yīng)點(diǎn)11到14觀察到明顯的響應(yīng),，這可以歸因于來(lái)自缺陷的直接反射信號(hào),。此外，在37.4 μs左右,，可以辨別出一個(gè)突出的響應(yīng),，代表上壁邊界反射的波。在13號(hào)探測(cè)點(diǎn)也觀察到一個(gè)明顯的山谷區(qū)域,。這是因?yàn)槿毕莸年幱靶��?yīng)和來(lái)自墻壁頂部的反射波在很大程度上被阻擋了,。由于激光測(cè)振儀的測(cè)量是沿著這條線進(jìn)行的，因此圖12b顯示了缺陷空間位置的損傷相關(guān)圖,。

圖13a總結(jié)了所有傳感點(diǎn)的結(jié)果,，并直觀地將其描述為B掃描圖像，從而能夠檢測(cè)和定位缺陷,。入射波和缺陷的直接反射波之間的時(shí)間延遲確定為0.98 μs,。根據(jù)開(kāi)發(fā)的理論模型，A的波速0計(jì)算出墻內(nèi)1000 kHz的模式為3223 m/s,。因此,，缺陷和掃描線之間的距離估計(jì)約為1.6 mm。通過(guò)與6軸運(yùn)動(dòng)載物臺(tái)同步,，從載物臺(tái)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)中獲取墻上每個(gè)激光測(cè)量點(diǎn)的空間位置的實(shí)時(shí)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(nèi)約14.6 mm的高度和約1.5 mm的長(zhǎng)度處識(shí)別缺陷。此外,，入射波與壁體上邊界反射波之間的時(shí)間延遲為5.74 μs,。預(yù)制墻層的高度估計(jì)約為22.3 mm。這些測(cè)量結(jié)果與實(shí)際記錄的數(shù)據(jù)密切相關(guān),。

這項(xiàng)工作提出了一種新的基于導(dǎo)波的檢測(cè)系統(tǒng),，用于檢測(cè)和定位DED-AM產(chǎn)生的薄壁結(jié)構(gòu)的小缺陷。

PZT執(zhí)行器永久粘合在遠(yuǎn)離建筑區(qū)域的基板上,，對(duì)制造過(guò)程的影響最小,。超聲波通過(guò)基板被引導(dǎo)到薄壁上，再被轉(zhuǎn)換為沿壁傳播的蘭姆波,。非接觸式激光測(cè)振儀用于測(cè)量薄壁上的引導(dǎo)波信號(hào),。

建立了一種波模型來(lái)預(yù)測(cè)導(dǎo)波在襯底和薄壁中的產(chǎn)生和傳播，并通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性,。然后,，將該系統(tǒng)用于檢測(cè)DED生產(chǎn)的薄壁樣品中因粉末輸送不一致而導(dǎo)致的缺陷。選擇頻率是為了提高測(cè)量靈敏度,。通過(guò)分析掃描的導(dǎo)波信號(hào),，從掃描圖像中成功檢測(cè)和定位缺陷；缺陷的橫向尺寸也被準(zhǔn)確識(shí)別,。

目前,，該研究工作已顯示出應(yīng)用潛力，通過(guò)導(dǎo)波檢測(cè)新方法,，將PZT作為執(zhí)行器,，非接觸式激光測(cè)振儀作為接收器，可用于未來(lái)DED過(guò)程的在線檢測(cè)和監(jiān)測(cè),。該系統(tǒng)還可以并入DED建筑環(huán)境,，并且不會(huì)干擾建筑過(guò)程。