TA15钛合金激光熔化沉积工艺参数对超声检测精度

激光熔化沉积（Laser Melting Deposition，LMD）是一种增材制造工艺，金属粉末经激 光熔化后逐层叠加并冷却成形，由于制造过程不需要模具，因此有利于简化结构、提高 可靠性及降低重量。使用该工艺制造的各类钛合金增材制品已在某些型号飞机上进行小 批量应用并逐渐向规模化发展。但由于增材制造工艺“逐点化”的制造方式，其组织特 征、内部缺陷的类型和分布都与传统锻、铸件有所区别，现有的无损检测方法在增材结构 上已不再适用。目前，各无损检测技术在增材结构件上的应用成为新的热点，超声检测 因其检测速度快、适用性广、对人体和环境无害等优势得到了广泛的关注。

由于激光熔化沉积是一个喷射金属粉末使其熔化、冷却、沉积的过程，制造过程中的热 积累是影响成形质量的关键因素之一。激光功率越高，熔池温度越高；相反地，扫描速度越快，送粉速度越快，熔池温度梯度越大。 在制造过程中金属粉末按规划好的路径一道道喷射在基材上。为保证成形质量，不同“道” 金属之间需一定程度重叠 ，用“搭接率”或扫描间距来表征这种状态。不同增 材制造设备之间并没有同一的最优搭接率。为验证熔池温度的影响并简化试验流程，选定激 光功率和扫描间距为样块加工时的自变量，扫描速度和送粉速度为不变量。扫描时，将基材底板固定，由机器人带动激光和同轴送粉头在三维空间运动，扫描路径 由程序编写输入工控机内。开始加工前，将工作台密封抽真空后注入氩气形成无氧环境，加 工中检测氧含量，以保证样块成型质量。

常规超声检测及在此基础上发展起来的相控阵超声检测其工作原理是通过对比检测试 件潜在缺陷反射波波幅与对比试块预制缺陷波幅，判断该潜在缺陷是否为需检出缺陷；通过 计算表面回波与潜在缺陷回波时间差，确定该潜在缺陷深度位置，因此检测试件应与对比试 块有大致相同的声波衰减幅度（取决于制造工艺）及超声声速 ，需对超声检测的灵敏度 和声速进行标定。超声波在待测物体中的声速由介质的性质（密度和弹性模量）决定，不同 波形的超声波传播速度也不相同，其中纵波的声速 cl 为 ：金属增材制品的生产工艺变化时，内部的组织特征和材料密度就可能发生变化，导致 力学性能发生改变，进而影响超声波在其内部传播时的声速，影响对缺陷特征深度的测 定。超声灵敏度则表征被测试件介质超声声波的衰减程度，超声检测通过测量缺陷反射波 的强度判断缺陷大小，因此灵敏度影响对缺陷大小的测定。

增材制造工艺的特殊性，在材料成型过程中受沉积方向冷却速率和热交换梯度的影响， 材料在沉积方向易形成柱状晶粒结构，这种组织特征使金属增材材料表现出力学性能各项异 性 ，因此将成型方向作为试验样块的长（X，扫描方向）宽（Y，搭接方向）高（Z，沉 积方向）。 为了验证激光功率和搭接率的影响，共制备 6 组试验样块，对各试块机械加工使其各方 向长度相同。

采用数据采集仪器内部滤波器，保留探头发射中心频率(2.5MHz-8MHz)波段声波；选择 反射波的波峰作为数据采集点。当工艺参数偏离理想值时，超声检测中会产生很多噪音信号 干扰，采用平滑滤波消除干扰，这样虽然会损失边缘信息但对波峰的影响较小，不影响采样。

超声波在介质材料中传播会发生衰减，其中主要是吸收和散射 。介质对超声波吸收 程度主要受超声波的频率影响。超声波频率越高，介质对超声波吸收程度越强，超声波穿 透能力就越弱。超声波散射则主要受介质材料本身的组织特征和性能影响，材料本身各向 异性、结构不均匀、晶粒粗大或排列不规则等都会造成超声波在介质中发生反射、折射和 波形转换，这都造成超声波能量的衰减。 为研究激光熔化沉积工艺对超声检测中灵敏度的影响，将超声增益设置为 20db，记录 各样块在 X 方向的一次底面反射波强度相对于上表面回波强度百分比。经对比可发现，激 光功率对超声检测中灵敏度影响较大，激光功率和材料超声灵敏度之间存在一定的线性关 系。因灵敏度对潜在缺陷的判定影响较大，在超声检测对比试块材料应选择与待检产品具 有相同激光功率的材料。