在傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)中，通常采用鑄造進(jìn)行復(fù)雜工件的生產(chǎn)，例如采用精密鑄造或壓力鑄造。同時(shí)，隨著鍛造和模具成形技術(shù)的發(fā)展，其產(chǎn)品已經(jīng)很難加工或者已經(jīng)不可能制造出來。因此，工業(yè)發(fā)展迫切需要現(xiàn)有技術(shù)的重大改進(jìn)或者新技術(shù)的出現(xiàn)，因而增材制造技術(shù)的出現(xiàn)便具有重要的意義。激光增材制造技術(shù)是增材制造技術(shù)中最具代表性的一類，按照其成形原理分類，最具有代表性的是激光選區(qū)融化（SLM）和激光金屬直接成型（LMDF）技術(shù)，激光選區(qū)熔化技術(shù)的原理如圖1所示。

1．增材制造

當(dāng)前，增材制造技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中最有活力和前途的技術(shù)之一。與傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)采用減材方式相比，增材制造技術(shù)具有周期短、無模具、柔性高、不受材料和零件結(jié)構(gòu)限制等一系列優(yōu)點(diǎn)，在汽車、醫(yī)療、電子、軍工、航天航空等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過采用蜂窩、晶格或其它的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還可以優(yōu)化工件的重量和功能參數(shù)及減少壁厚等。對于所有的新技術(shù)而言，質(zhì)量控制是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。目前為止，對于增材制造技術(shù)質(zhì)量控制問題的研究還不夠深入，而無損檢測是提高增材制造質(zhì)量控制水平的關(guān)鍵技術(shù)。本文對增材制造過程中的缺陷類型進(jìn)行了總結(jié)，指出了增材制造過程中的無損檢測技術(shù)需求，通過總結(jié)各種無損檢測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)得出了激光超聲技術(shù)的應(yīng)用潛力。

2．增材制造技術(shù)的缺陷類型

典型的增材制造工件如圖2所示。增材制造按工藝過程可以分為原料、制備過程中、制備完成后和服役過程四個(gè)階段，每個(gè)階段中都可能存在不同類型的缺陷，需要檢測的內(nèi)容也不盡相同。原料中需要檢測的主要內(nèi)容包括粉末尺寸、顆粒形狀和形態(tài)、物理化學(xué)性質(zhì)和材料供應(yīng)等，制備過程中主要的檢測內(nèi)容為應(yīng)力狀態(tài)、熔融狀態(tài)、材料性能、零件扭曲、孔隙、殘余應(yīng)力（消除外力或不均勻的溫度場等作用后仍留在物體內(nèi)的自相平衡的內(nèi)應(yīng)力）、過熔深度和融合質(zhì)量，制備完成后主要的檢測對象為幾何形狀偏差、殘余應(yīng)力、產(chǎn)品各向異性、裂紋、氣泡、夾雜、表面缺陷、孔簇、嵌入較深的缺陷和孔隙率（指塊狀材料中孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下總體積的百分比），服役過程中形成的缺陷主要有表面缺陷、裂紋和變形。激光增材制造中幾種典型的缺陷如圖3所示。

其中，裂紋、氣孔和孔簇等連續(xù)缺陷最為危險(xiǎn)，這些缺陷通常存在于大部分工件中。相對于傳統(tǒng)的鍛造、鑄造或模制零部件來說，增材制造工件的突出特點(diǎn)之一是其孔隙率更高?？紫堵实脑黾涌赡軙档土慵膹?qiáng)度，局部的孔簇會導(dǎo)致服役中裂紋的形成，而微孔的存在通常決定了增材制造工件的動態(tài)性能（如疲勞） 。同時(shí)，由于部分區(qū)域的淬火引起局部金屬偏析，導(dǎo)致在金屬結(jié)晶過程中出現(xiàn)特定的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。較高的殘余應(yīng)力會導(dǎo)致變形、幾何尺寸變化和微裂紋的形成，因此應(yīng)力狀態(tài)是增材制造過程中重點(diǎn)檢測的內(nèi)容。

3．增材制造技術(shù)的無損檢測需求

增材制造的工件通常是一次性的，并且制造成本極其昂貴，因此傳統(tǒng)的破壞性試驗(yàn)通常無法用于增材制造工件的檢測。同時(shí)，由于增材制造工件是一層層創(chuàng)建的，屬性更加難以預(yù)測，這就對增材制造工件的質(zhì)量檢測提出了挑戰(zhàn)。從某種意義上來說，無損檢測可以在不破壞工件完整性和服務(wù)性能的條件下完成對工件的質(zhì)量評估，可以滿足增材制造工件的獨(dú)特檢驗(yàn)要求。

全過程檢測要求將無損檢測方法用于增材制造過程中熔融狀態(tài)下金屬材料的表征，這遠(yuǎn)比制備好的工件檢測難度大，同時(shí)要求檢測過程不能干涉增材制造的加工過程。增材制造設(shè)備和工藝中需采用改進(jìn)的無損檢測傳感器和控制器以提高檢測和控制能力，提供實(shí)時(shí)的可見性并調(diào)節(jié)制造環(huán)境。在沉積過程中的實(shí)時(shí)檢測和材料性能的確定，需能夠提高合格零件的生產(chǎn)，使得增材制造生產(chǎn)的零件可以直接用于安裝。

為了提高增材制造的工件質(zhì)量，可能需要對整個(gè)系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)過程控制，例如能夠逐層監(jiān)控零件并控制或減輕零件的扭曲和殘余應(yīng)力，同時(shí)為每個(gè)增材制造工件提供詳細(xì)的生成記錄。過程控制也可以擴(kuò)展到制造之前的原料，并驗(yàn)證零件的微觀結(jié)構(gòu)、幾何形狀和質(zhì)量。由于在制造過程中，工藝參數(shù)偏離其最佳值可能會導(dǎo)致所加工工件的服役性能惡化，所以需要通過無損檢測結(jié)果對增材制造工藝參數(shù)進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)的主要參數(shù)例如：聲發(fā)射方法計(jì)算的系統(tǒng)偏差和光學(xué)傳感器來確定的熔池深度。

針對材料的無損評價(jià)主要有五個(gè)方面的需求：原料無損檢測、完成工件無損檢測、缺陷影響監(jiān)測、設(shè)計(jì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和物理參數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)。原料無損檢測，例如金屬粉末尺寸、顆粒形狀、微觀結(jié)構(gòu)、形態(tài)、化學(xué)成分分子和原子組成，這些參數(shù)需要被量化并最終評價(jià)其性能一致性；完成工件無損檢測包括制造工件（無需進(jìn)一步處理）和后處理工件（需進(jìn)一步處理），檢測內(nèi)容包括小尺寸孔隙、復(fù)雜工件幾何形狀和復(fù)雜的內(nèi)部特征；缺陷影響，用無損檢測方法對完成工件中缺陷類型、產(chǎn)生頻率和尺寸進(jìn)行表征，便于理解產(chǎn)品屬性對于產(chǎn)品質(zhì)量和性能的影響；設(shè)計(jì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫可以編譯闡明過程結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，包括每個(gè)過程中收集的圖片或者照片，例如輸入材料特性、原位過程監(jiān)測及制造和后處理后完成生成的特征等；物理參數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)，目前缺乏合適的全尺寸工件來評價(jià)增材過程中的無損檢測方法的可行性，由于增材制造的零件幾何形狀復(fù)雜、有嵌入較深的缺陷、有不同的微觀結(jié)構(gòu)（均與鍛造相比），無損檢測必須創(chuàng)建校驗(yàn)儀器的物理參考標(biāo)準(zhǔn)。

在增材制造過程中，需要對可能產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，需要克服表面形貌和制備溫度的影響，需要無損檢測技術(shù)與制造過程進(jìn)行集成而不影響增材制造工藝；加工完成的零件需要在驗(yàn)收階段和使用壽命期間進(jìn)行評估，確定其服役性能。此外，在零件的整個(gè)生命周期中，需要表征材料的微結(jié)構(gòu)和形態(tài)，對原子和分子進(jìn)行精細(xì)測量，表征內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)等。總之，及時(shí)可靠的檢測不同性質(zhì)的缺陷和監(jiān)測這些缺陷如何發(fā)展對于增材制造工藝具有重要的意義。因此，采用無損檢測方法需要滿足材料、設(shè)計(jì)以及測試需求，能夠用于材料的全壽命周期，包括制造過程中優(yōu)化、實(shí)施過程檢測、生產(chǎn)后的質(zhì)量驗(yàn)收以及服役過程中的質(zhì)量監(jiān)測。因此，增材制造的各個(gè)階段對于無損檢測都有明確的需求。

4．增材制造技術(shù)中無損檢測技術(shù)的發(fā)展

目前在無損檢測方面的技術(shù)主要包括：計(jì)算機(jī)斷層掃描、滲透測試、渦流檢測、超聲檢測和紅外相機(jī)測量。如圖4所示是一種采用聲發(fā)射方式監(jiān)測3D打印的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

X射線檢測在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，無疑可以用來檢測增材制造零件的孔隙率、尺寸誤差和其他缺陷。X射線入射角直接影響檢測缺陷的大小和形狀，可以顯示小于2％的樣品厚度的缺陷。計(jì)算機(jī)斷層掃描可以對所有樣品進(jìn)行檢測，而超聲檢測和滲透檢測是針對工件表面。X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描具有檢測內(nèi)部缺陷和內(nèi)部特征的能力，可檢測封閉孔和高密度夾雜物。同時(shí)，計(jì)算機(jī)斷層掃描檢測技術(shù)也具有一定的局限性，例如X射線的容積效應(yīng)明顯。同時(shí)，由于不能檢測到垂直于X射線束的裂紋，導(dǎo)致其不能可靠的檢測缺陷。總體而言，X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描是一種強(qiáng)大的對增材制成品進(jìn)行無損檢測的技術(shù)，使得描述材料的結(jié)構(gòu)、形狀分布和缺陷的定量尺寸成為可能。

增材制造的一個(gè)突出特點(diǎn)是比傳統(tǒng)的鍛造、鑄造或模具成型零件具有更高的孔隙率，在這些零件中呈現(xiàn)不規(guī)則的粗糙表面，使得檢測表面缺陷的傳統(tǒng)無損檢測方法難以應(yīng)用。滲透檢測為表面檢測技術(shù)，檢測固體材料及其制件的表面與近表面缺陷，用于檢測不經(jīng)過加工和拋光的多孔或者粗糙工件，難度較大，測量位置較深的復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者晶格結(jié)構(gòu)，需要更新更靈敏的非接觸無損檢測方法。

Dinwiddie等人采用紅外相機(jī)揭示了增材制造過程中孔隙、未融合和外濺熔材等缺陷。他們開發(fā)的圖像處理特殊算法可以定量描述孔隙率，但是沒有具體說明可檢測的最小缺陷尺寸。Gatto和Harris 用分辨率508像素／英寸的CMOS攝像頭，安裝在距離工作面135 mm的位置，在合成過程中，攝像頭采取逐層拍照，然后通過專門開發(fā)的算法處理，獲得各層幾何參數(shù)，層照片可以確定孔隙的幾何尺寸以及計(jì)算橫截面的形狀偏差等。這種方法的局限在于，一方面只能分析外部表面情況而無法檢測內(nèi)部，另一方面表面粗糙度會嚴(yán)重影響檢測結(jié)果。

Guan等人采用EX1301邁克爾遜光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)評價(jià)選擇性激光燒結(jié)的工件，其可以達(dá)到的三維圖像的空間分辨率約為10 μm （相比之下X射線為50 μm），同時(shí)可以檢測中空、未粘合和表面粗糙度，如圖5所示，但是這種方法無法檢測大尺寸工件。Guan等人指出，光波的穿透深度取決于材料的吸收和反射特性，并且背反射光波的空間相干性和時(shí)間相干性會影響測量精度，所以該技術(shù)只能應(yīng)用于非金屬材料。這種方法與X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描具有相同的靈敏度，但是光學(xué)層析技術(shù)可以用于逐層生長的過程檢測。

Rudlin等人研究了渦流、激光超聲、激光成像方法用于增材制造過程的檢測。實(shí)際上，以上三種方法，都尚未用于制造過程的檢測，僅能用于制備后的人工缺陷檢測，評估增材制造工件的近表面缺陷。激光熱成像的原理是采用紅外相機(jī)針對樣品中激光加熱的部分進(jìn)行實(shí)時(shí)熱成像，揭示樣品斷面激光加熱的不均勻性，該方法檢測表面以下的缺陷時(shí)靈敏度低，試驗(yàn)中只可靠地檢測了一個(gè)直徑為0．6毫米深度為0．2毫米的缺陷。在0．5 mm以上的深度條件下，渦流技術(shù)的檢測靈敏度為0．4 mm，而當(dāng)檢測近表面缺陷時(shí)，激光超聲和激光成像方法的靈敏度要低于0．2 mm ，如圖6所示。

激光超聲檢測是一種可用于快速掃描的非接觸檢測方法，利用超聲在金相截面上橫向和縱向的速度不同，可以表征樣品中超聲波傳播的各向異性，若采用激光激勵(lì)干涉接收，波前參數(shù)可用于確定近表面缺陷的尺寸和深度，通常用于焊縫的缺陷識別以確保管道和軌道的完整性，目前采用激光超聲檢查金屬樣品粉末沉積的研究還較少。由于激光超聲可以采用一個(gè)激光源產(chǎn)生強(qiáng)大的超聲波脈沖，具有易于支配的波形和寬光譜范圍，因此與壓電激勵(lì)相比，其空間分辨率高3～10倍。同時(shí)，因?yàn)榧す庹T導(dǎo)超聲脈沖不存在振蕩，并且脈沖持續(xù)時(shí)間比PZT縮短6～7倍，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和更高的靈敏度，盲區(qū)很小。目前，激光超聲對于尺寸范圍150～500 μm的不連續(xù)缺陷，檢測深度可達(dá)700 μm，但是當(dāng)深度超過300 μm靈敏度明顯減小，激光超聲用于增材制造產(chǎn)品的孔隙率和各向異性檢測的研究還很少?？傊?，激光超聲用于增材制造的無損檢測展現(xiàn)了較大的潛力，但還需要與制造過程進(jìn)行集成，考慮使用這種方法對增材制造過程進(jìn)行逐層實(shí)時(shí)監(jiān)測。

此外，殘余應(yīng)力的測定方法可以分為物理測定法和機(jī)械測定法，機(jī)械測定法通常是破壞性方法，例如切槽法鉆孔法?？捎糜跉堄鄳?yīng)力檢測的無損檢測方法主要有磁性法、X射線衍射法及超聲波法等。其中，磁性法是根據(jù)鐵磁體飽和過程中應(yīng)力與磁化曲線之間的變化關(guān)系進(jìn)行測定，在一定范圍內(nèi)使用；X射線法理論完善，但存在射線傷害并且僅能測定表面應(yīng)力及對特定位置的晶格畸變難以測量，因此其應(yīng)用受到很大限制；超聲波法則是無損檢測方法中最有發(fā)展前景的方法，具有快速、現(xiàn)場實(shí)測方便、既能測表面又能測內(nèi)部殘余應(yīng)力等特點(diǎn)，尤其是激光超聲技術(shù)具有更大的應(yīng)用潛力。

5．增材制造無損檢測技術(shù)的展望

無損檢測在增材制造中的應(yīng)用存在許多問題，無損表征需要描述的內(nèi)容有小尺寸孔隙、固有缺陷、復(fù)雜幾何尺寸和復(fù)雜的內(nèi)部特征等，NASA還沒有完全接受增材制造的一個(gè)主要原因是目前增材制造過程中仍缺乏足夠的無損評價(jià)手段。

對于材料和產(chǎn)品缺陷，無損檢測方法中的原位檢測目前還不健全，例如對材料沉積和實(shí)時(shí)測量的高速成像，對不連續(xù)的熱梯度、空隙和夾雜物的原位檢測。此外，目前的控制方法，對于增材制造工件的微觀結(jié)構(gòu)等，無法實(shí)現(xiàn)傳感器的反饋控制。若想解決應(yīng)用中的這些問題，就必須使開發(fā)和實(shí)施原位無損檢測技術(shù)，確保最大程度上檢測材料缺陷。由無損檢測方法測得的工藝參數(shù)可能包括在線傳送、送粉密度、變形、殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)成分、吸收功率，裂紋和孔隙等。

阻礙無損檢測技術(shù)作為一種原位檢測工具應(yīng)用的難點(diǎn)在于：

1） 快速融化和冷卻，使得實(shí)時(shí)監(jiān)測微小缺陷十分困難，

2） 任何無損檢測方法都必須維持增材制造環(huán)境所需的條件，如室內(nèi)氣壓和激光保護(hù)安全系統(tǒng)，

3） 大部分增材制造設(shè)備的設(shè)計(jì)不易于集成NDE傳感器，必須采取預(yù)防措施確保無損檢測傳感器的插入不影響增材制造加工，

4） 大多數(shù)增材制造設(shè)備無法開放控制。

總之，對增材制造技術(shù)的無損檢測研究還有許多工作要做，增材制造技術(shù)本身缺陷的特征及形成機(jī)理還需要積累，針對這些缺陷的無損檢測技術(shù)應(yīng)用及增材制造設(shè)備和無損檢測設(shè)備的集成都存在大量的問題需要研究。目前，增材制造設(shè)備存在的關(guān)鍵障礙是現(xiàn)有的無損檢測方法和技術(shù)無法用于增材制造材料檢測和制造過程中的零件檢測，或者是無法用于原位檢測。同時(shí)，采用傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)對增材制造完成的零件進(jìn)行檢測，仍然很具有挑戰(zhàn)性。

6．結(jié)論

增材制造技術(shù)工藝過程的各個(gè)階段都對無損檢測提出了明確的要求，缺乏足夠的無損檢測手段是阻礙增材制造技術(shù)進(jìn)一步廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵原因。目前存在的主要問題，一方面是無損檢測技術(shù)本身的應(yīng)用局限性，另一方面是增材制造和無損檢測設(shè)備的集成問題。

除了增材制造過程中可能存在的缺陷外，殘余應(yīng)力也是一個(gè)需要重點(diǎn)監(jiān)測的對象。在眾多的無損檢測手段中，激光超聲技術(shù)無論是對于殘余應(yīng)力的檢測，還是對增材制造缺陷的檢測都最具有應(yīng)用潛力。

（作者：陳建偉，趙揚(yáng)，巨陽，劉帥，馬?。?/p>