X射線斷層掃描技術(shù)，分析缺陷對(duì)性能影響的利器

（文章來(lái)源：激光天地）
X射線斷層掃描技術(shù)作為一種具有獨(dú)特的功能的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以用來(lái)分析增材制造（AM）產(chǎn)品的缺陷。缺陷的類型包括氣孔、表面粗糙不平、尺寸偏差等。其形成的原因由于樣品的不同而有較大的差異。粉末性能、輸送粉末時(shí)不均勻、制造過(guò)程中的變形、激光束變化時(shí)造成的工藝參數(shù)的偏離、光學(xué)部件和掃描系統(tǒng)的操作等均會(huì)造成未熔合氣孔、冶金氣孔、匙孔效應(yīng)氣孔的生成。這些不同類型的氣孔具有不同的類型尺寸、形狀和3D空間分布，所有類型的缺陷均會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品的機(jī)械性能造成影響。采用X射線斷層掃描技術(shù)在零件進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試前進(jìn)行無(wú)損觀察，可以有助于我們更好地理解氣孔缺陷對(duì)部件機(jī)械性能的影響（也稱之為缺陷的影響）。這些可以為我們提前辨別出有危害的部件提供了可能。由此為我們使用AM產(chǎn)品建立了更大的信心。本文則綜述了當(dāng)前AM技術(shù)對(duì)缺陷的影響，并對(duì)最近的相關(guān)工作做了總結(jié)。

增材制造技術(shù)，尤其是鋪粉激光增材制造（LPBF），是一種發(fā)展非常迅速的制造技術(shù)，可以獲得性能優(yōu)異的制品、可以制造出的材料的種類比較廣泛，尤其是可以制造形狀復(fù)雜的零件和可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是其最大優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今其他制造技術(shù)不能或不易實(shí)現(xiàn)的。AM技術(shù)在當(dāng)今發(fā)展迅速和取得的應(yīng)用成就為L(zhǎng)PBF的應(yīng)用打開(kāi)了廣闊的市場(chǎng)。由于AM技術(shù)更好的被人們所理解，其應(yīng)用則在更多的工業(yè)場(chǎng)景中更好的得到了應(yīng)用。個(gè)性化定制的人體植入骨如今就得到普遍應(yīng)用。

航空航天和汽車工業(yè)中對(duì)LPBF的應(yīng)用也非常感興趣。打印時(shí)較高的分辨率且可直接制造的優(yōu)點(diǎn)在牙科和珠寶工業(yè)中也得到了應(yīng)用。而且，不同的工業(yè)部件、工具和傳感器等均屬于應(yīng)用案例。LPBF尤其適合于原位合金化材料、金屬基復(fù)合材料以及個(gè)性化定制的產(chǎn)品等。AM技術(shù)或3D打印屬于同一范疇，只是不同的叫法而已。作為一種全新的制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品的自由設(shè)計(jì)和制造，其機(jī)械性能、疲勞性能、聲學(xué)性能，甚至于生物學(xué)性能還可以實(shí)現(xiàn)定制。AM技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)自我變形，即依據(jù)外部環(huán)境的變化而做出相應(yīng)地改變，這就是人們常說(shuō)的4D打印。

制造過(guò)程中缺陷的存在對(duì)制品的機(jī)械性能造成了不利的影響，不管是采用何種制造技術(shù)（不光AM技術(shù)制造是如此，其他制造技術(shù)也存在）得到的制品均是如此。因此，非常有必要不斷的改善工藝和降低缺陷的不利影響。隨著X射線斷層掃描技術(shù)應(yīng)用于部件缺陷的檢測(cè)，使得依據(jù)部件缺陷尺寸或位置來(lái)檢查和判斷是否合格成為可能。這一技術(shù)應(yīng)用于鑄造件和焊接件的檢查已經(jīng)成為常規(guī)工藝。X射線斷層掃描技術(shù)已經(jīng)在材料科學(xué)、度量衡領(lǐng)域和增材制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。采用X射線斷層掃描技術(shù)進(jìn)行AM制造的分析所花的時(shí)間和效益成本是非常有優(yōu)勢(shì)的。顯而易見(jiàn)，CT技術(shù)可以快速的對(duì)大體積的部件進(jìn)行掃描，同需要進(jìn)行破壞性測(cè)試和耗時(shí)較長(zhǎng)的金相制造，然后采用金相、掃描電鏡等手段進(jìn)行分析相比是非常有優(yōu)勢(shì)的。

隨著LPBF技術(shù)的發(fā)展和LPBF的不斷應(yīng)用，越來(lái)越明顯地看到氣孔以及氣孔的分布是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。不同的工藝參數(shù)、掃描路徑和制造策略、粉末材料、制造過(guò)程中的變形或其他因素均會(huì)形成缺陷并使得得到的氣孔形狀和尺寸以及氣孔的體積分?jǐn)?shù)而有所不同。不同類型的氣孔形成的原因已經(jīng)有較多的文獻(xiàn)給予了報(bào)道。同時(shí)不同類型的缺陷對(duì)制品的機(jī)械性能的影響目前并沒(méi)能完全掌握。例如，可以預(yù)見(jiàn)不規(guī)則的未熔合氣孔同尺寸較小的冶金氣孔或氣體逸出造成的氣孔相比，更易成為應(yīng)力集中的集中源。但對(duì)于這一說(shuō)法并沒(méi)能通過(guò)實(shí)驗(yàn)去進(jìn)一步的明確。這是因?yàn)樾陆霈F(xiàn)的X射線斷層技術(shù)用于缺陷對(duì)性能的影響研究才剛剛開(kāi)始，而且直到今天，控制氣孔的分布還是一個(gè)大難題。

公開(kāi)報(bào)道的金屬AM制造的產(chǎn)品的機(jī)械性能差別非常大，尤其是疲勞性能的差別就更大。在大多數(shù)的關(guān)于LPBF制品的公開(kāi)報(bào)道中，多集中在顯微組織和性能之間的關(guān)系研究上以及顯微組織的各向異性上。當(dāng)然，顯微組織固然重要，但目前缺陷對(duì)性能的影響在最近也開(kāi)始得到人們的廣泛關(guān)注和認(rèn)可，同時(shí)急需對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的研究。這是因?yàn)椴煌愋偷娜毕菰谡麄€(gè)部件中的含量、最大尺寸、位置和分布（隨機(jī)的還是有規(guī)則的分布），均取決于制造系統(tǒng)。

早期關(guān)于LPBF優(yōu)化的工藝研究指出，密度為87%（氣孔的孔隙率為13%），經(jīng)過(guò)多年的努力，現(xiàn)今可以達(dá)到大于99%的密度（孔隙率小于1%），以上數(shù)值是采用阿基米德原理法測(cè)量和采用金相、掃描電鏡以及X射線斷層技術(shù)進(jìn)行分析測(cè)量的結(jié)果。同時(shí)目前已經(jīng)可能實(shí)現(xiàn)孔隙率降低到0.002%的水平，這表明目前孔隙率的變化范圍可以從13%~0.002%之間變化。尤其可見(jiàn)不同的孔隙率對(duì)性能的影響會(huì)有多大。

不同時(shí)間間隔時(shí)X射線斷層掃描 Ti6Al4V合金在延伸率從3.55%到9.44%之間的變化

部件形狀復(fù)雜、粉末輸送的異常、粉末尺寸和粉末形狀的隨機(jī)分布和不均勻、掃描時(shí)粉末的飛濺等、熔池中流體的流動(dòng)和熔道的不穩(wěn)定等諸多因素都會(huì)造成氣孔的形成。即使對(duì)LPBF進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化、適當(dāng)?shù)母淖儝呙韬椭圃於逊e策略等，不同的缺陷依然會(huì)發(fā)生。LPBF中的氣孔在目前來(lái)說(shuō)，依然不可避免，并且可以預(yù)見(jiàn)，較高的孔隙率必然對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生非常不利的影響。

眾所周知，熱等靜壓（HIP）技術(shù)是減少氣孔和改善AM組織的一種行之有效的手段。同時(shí)HIP對(duì)改善塑形和提高疲勞強(qiáng)度也是非常有效的。然而，盡管HIP在上述領(lǐng)域非常有效，但對(duì)表面缺陷在HIP處理時(shí)會(huì)保留下來(lái)，由此會(huì)損傷AM制品的性能。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)電子束AM制造的Ti合金進(jìn)行HIP處理時(shí)，氣孔又重新生成。

X射線斷層掃描技術(shù)為研究氣孔的數(shù)量和分布的無(wú)損檢測(cè)提供了關(guān)鍵的信息。比較理想的狀況是在機(jī)械性能測(cè)試之前清楚的通過(guò)X射線斷層掃描技術(shù)來(lái)獲取缺陷的影響：可能產(chǎn)生不利影響的缺陷類型、位置和分布等。材料的機(jī)械性能的含義比較廣泛，包括彈性模量、強(qiáng)度（拉伸和屈服強(qiáng)度）、塑形、剛性、硬度等靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)性能。對(duì)動(dòng)載荷來(lái)說(shuō)，還包括高周、低周疲勞等。
（責(zé)任編輯：fqj）