增材制造（AM）技術(shù)是相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)加工等“減材制造”技術(shù)而言的，以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏男屡d制造技術(shù)[1-2]，能夠采用拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的無模具、快速、全致密近凈成形，可以按照最理想的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)零件，在最大限度滿足使用功能的條件下，顯著減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減少零件數(shù)量并提高可靠性，為先進(jìn)飛行器結(jié)構(gòu)的整體化和輕量化制造提供了必要手段[3]。激光選區(qū)熔化（SLM）作為增材制造的一種典型技術(shù)，是利用高能量的激光束，按照預(yù)定的掃描路徑，掃描預(yù)先鋪覆好的金屬粉末將其完全熔化，再經(jīng)冷卻凝固后成形的一種技術(shù)，是激光長(zhǎng)期循環(huán)往復(fù)“熔化-搭接-凝固堆積”的過程，主要工藝參數(shù)、外部環(huán)境、熔池熔體狀態(tài)的波動(dòng)和變化、掃描填充軌跡的變換等因素的不連續(xù)和不穩(wěn)定，都可能在零件內(nèi)部或表面產(chǎn)生各種特殊的冶金缺陷，如層間及道間局部未熔合、孔隙、卷入性和析出性氣孔、細(xì)微夾雜物、裂紋等。而無損檢測(cè)技術(shù)是確保增材制造制件成品質(zhì)量的重要手段，用于增材制造制件的無損檢測(cè)方法包括工業(yè)CT、射線、超聲、滲透等[3]。滲透檢測(cè)（PT）以毛細(xì)現(xiàn)象為基礎(chǔ)，通過表面張力將帶有染料的液體吸入開口至表面的緊密不連續(xù)中，在一定的停留時(shí)間后去除多余滲透液，然后在零件上覆蓋顯像劑，顯像劑作為吸附劑，輔助滲透液從不連續(xù)中滲出，并在表面加強(qiáng)顯示，改善可檢測(cè)性。最終的滲透顯示通過提供不連續(xù)和周圍背景的視覺對(duì)比來增加不連續(xù)的可檢性?；跐B透檢測(cè)的基本原理，該方法適用于非多孔性、表面相對(duì)光滑不易被滲透材料影響的金屬零件表面開口缺陷的檢測(cè)，具有快速批處理、顯示直觀、高靈敏度等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[4]。對(duì)于增材制造制件的表面檢測(cè)，滲透檢測(cè)應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)在于表面粗糙度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的視線可達(dá)性問題。在打印成型狀態(tài)，增材制造零件的表面粗糙度大[5]，在清洗后仍能截留滲透液，形成背景顯示，影響真實(shí)缺陷的識(shí)別。表面粗糙度可通過機(jī)械加工、吹砂等方式進(jìn)行處理，但對(duì)于增材制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，部分表面難以通過以上方式加以改善。2009年成立的美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）增材制造技術(shù)委員會(huì)ASTM F42于2020年1月發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)E3166—2020《航空航天用增材制造金屬件的無損檢測(cè)指南》，討論了現(xiàn)有無損檢測(cè)方法用于增材制造金屬零件的工藝指南，包括CT、渦流、光學(xué)測(cè)量、滲透、射線、紅外、超聲等多種方法。指南第10章建議，對(duì)滲透檢測(cè)的范圍，使用和意義，材料，設(shè)備、安全預(yù)防措施、檢測(cè)準(zhǔn)備、檢測(cè)工藝、驗(yàn)收和拒收標(biāo)準(zhǔn)等作出規(guī)定和指導(dǎo)，滲透材料的要求引用標(biāo)準(zhǔn)AMS2644《滲透檢測(cè)材料》，詳細(xì)的檢測(cè)要求引用標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1417《液體滲透檢測(cè)》。 

因此，確定表面粗糙度對(duì)滲透響應(yīng)的影響規(guī)律，提高缺陷在不同粗糙表面的可檢性，是將滲透檢測(cè)應(yīng)用于增材制造零件表面檢測(cè)的關(guān)鍵因素。 

文章設(shè)計(jì)制作了表面粗糙度Ra為0.5~9.5 μm的不同級(jí)別激光選區(qū)熔化試塊，并加工了不同孔徑、深度的人工缺陷，開展了不同粗糙度下表面缺陷在不同滲透檢測(cè)工藝下的顯示特征試驗(yàn)，旨在確定激光選區(qū)熔化增材制造鈦合金制件不同表面粗糙度對(duì)微小缺陷滲透檢測(cè)的影響規(guī)律。 

1.   試驗(yàn)制備與過程

1.1   試件制備

采用選區(qū)激光熔融工藝，打印方向?yàn)榭v向，制備TC4鈦合金平板試件，打印工藝及試件規(guī)格如表1所示。 

部分選區(qū)激光熔融制件在打印后，局部位置會(huì)進(jìn)行機(jī)械加工，從而形成制件不同區(qū)域粗糙度的差異，為了了解不同表面粗糙度下表面缺陷的檢出能力，對(duì)打印后的部分試件進(jìn)行吹砂、拋磨等處理，以形成表面粗糙度 Ra為0.5~9.5 μm的不同級(jí)別鈦合金試件。為量化表征孔洞類缺陷的檢出能力，在不同粗糙度平板試件表面設(shè)計(jì)制作不同直徑、深度的孔洞陣列（見圖1），設(shè)計(jì)尺寸如表2所示。使用飛秒激光五軸裝備進(jìn)行孔洞缺陷制備，通過更改激光器功率、振鏡掃描層數(shù)、加工尺寸等參數(shù)，調(diào)整人工缺陷直徑和深度，獲得孔洞缺陷陣列試件，其實(shí)物如圖2所示。 

圖  1  孔洞缺陷陣列設(shè)計(jì)示意

圖  2  孔洞缺陷試件實(shí)物

受加工工藝影響，飛秒激光加工的實(shí)際缺陷與設(shè)計(jì)尺寸存在差異。采用共聚焦顯微鏡對(duì)，其結(jié)果孔洞真實(shí)深度進(jìn)行了測(cè)量并統(tǒng)計(jì)。以編號(hào)#3-2試件為例，對(duì)測(cè)量的缺陷深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如圖3所示，可見，實(shí)際孔洞深度基本在設(shè)計(jì)尺寸上下波動(dòng)，最大偏差約70 μm，出現(xiàn)在設(shè)計(jì)深度為500 μm的點(diǎn)處。 

圖  3  孔洞缺陷實(shí)際深度分布示意

1.2   不同工藝滲透檢測(cè)試驗(yàn)

為了研究不同粗糙度表面的熒光背景去除性及缺陷顯示特征，對(duì)孔洞陣列缺陷試件開展了水基滲透液3級(jí)靈敏度，水洗滲透液2級(jí)、3級(jí)靈敏度，后乳化滲透液3級(jí)靈敏度不同乳化時(shí)間等5種工藝對(duì)比試驗(yàn)，具體試驗(yàn)工藝參數(shù)如表3所示。 

檢驗(yàn)工藝和條件如下。 

（1）預(yù)處理：采用超聲波加溶劑清洗的方法進(jìn)行表面處理。 

（2）干燥：將工件放入烘箱中進(jìn)行烘干。 

（3）滲透方法：通過浸漬方式施加滲透劑，期間采用浸漬加滴落20 min的方式。 

（4）清洗：先進(jìn)行預(yù)清洗，然后自動(dòng)噴洗40 s。根據(jù)需求選擇乳化處理，時(shí)間為60 s或120 s。最后在UV-A光源下進(jìn)行手工補(bǔ)充噴洗。 

（5）干燥：在55 ℃的溫度下干燥20 min。 

（6）顯像：采用自動(dòng)噴粉方式，顯像時(shí)間為30 min。 

（7）觀察：在UV-A光源下進(jìn)行觀察。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果

2.1   去除性結(jié)果

對(duì)不同粗糙度試件在同一滲透檢測(cè)工藝下的背景顯示做對(duì)比，以高靈敏度后乳化型工藝為例，在粗糙度Ra3.2 μm以內(nèi)，試件表面在乳化120 s并清洗后，表面基本無多余熒光點(diǎn)顯示，在 UV-A 光照下呈現(xiàn)出藍(lán)紫色背景，隨著表面粗糙度的增大，背景開始出現(xiàn)由零星到密集的熒光點(diǎn)，Ra6.1 μm以上的試塊呈現(xiàn)出整體黃綠色的熒光背景，有可能掩蓋并影響微小缺陷的顯示，且粗糙表面殘留的熒光液后清洗難度很大，為試件的后續(xù)試驗(yàn)或零件后續(xù)使用帶來影響。 

2.2   孔洞缺陷檢出結(jié)果分析

對(duì)不同粗糙度下的孔洞缺陷陣列試件開展不同工藝下的滲透檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。 

Table  4.  孔洞缺陷陣列試件滲透檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

試塊編號(hào)	Ra/μm	檢測(cè)工藝（材料牌號(hào)）
		ZL440	ZL60D	ZL67	ZL27A-60s	ZL27A-120s
2-2	0.58
R-3-1	1.37
3-2	2.14
R-D-1	3.82
R-1-2	6.11
1-1	6.37
R-2-1	6.73
D-1	9.50

對(duì)表4中每個(gè)尺寸陣列（如直徑500 μm，深度500 μm）的孔洞顯示進(jìn)行可檢（Hit）/漏檢（Miss）統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而計(jì)算該陣列內(nèi)缺陷的檢出概率，并將不同粗糙度試件內(nèi)的9個(gè)尺寸陣列缺陷在同一工藝下的檢出概率以色階形式列表展示，綠色表示檢出率100%，紅色表示檢出率0%，中間色階表示0~1之間的檢出概率，不同檢測(cè)工藝下的缺陷檢出率如表5~9所示。 

從表5中可看出，高靈敏度水基型滲透檢測(cè)工藝對(duì)直徑500 μm的孔洞型缺陷檢出率較高，但隨著孔洞直徑減小，深度減小及試件粗糙度的增大，檢出概率逐漸降低。分析檢出率44%、粗糙度Ra6.11 μm的R-1-2試件在該工藝下的顯示圖片（見圖4），與其他工藝相比，水基型滲透液在缺陷處的截留能力最差，因此試件上僅3個(gè)陣列的缺陷全部檢出，500-500陣列有5個(gè)點(diǎn)檢出，其他陣列尺寸的缺陷均無熒光顯示，可能是因?yàn)榍逑催^程中試件表面水流沖洗時(shí)長(zhǎng)不夠均勻。該檢測(cè)工藝下，可實(shí)現(xiàn)粗糙度Ra0.577 μm試塊尺寸100~500 μm以及粗糙度Ra為0.58~9.50 μm下直徑500 μm，深度300 μm所有孔洞缺陷的100% 檢出。 

圖  4  試件R-1-2 水基型（ZL440）檢測(cè)工藝結(jié)果

從表6結(jié)果分析，中靈敏度水洗型滲透液檢測(cè)結(jié)果與表5的水基型滲透液檢測(cè)結(jié)果類似，對(duì)直徑500 μm的孔洞型缺陷檢出率較高，但隨著孔洞直徑減小、深度減小及試件粗糙度的增大，檢出概率逐漸降低，但總體的缺陷檢出率高于水基型檢測(cè)工藝的，尤其是在粗糙度Ra9.50 μm的試塊D-1打印原始表面，該工藝的缺陷檢出率最高。該檢測(cè)工藝下，可實(shí)現(xiàn)Ra為0.58~9.50 μm下直徑500 μm、深度300~500 μm所有孔洞缺陷的100%檢出。 

從表7結(jié)果可看出，高靈敏度水洗型滲透工藝適合于檢測(cè)直徑300 μm以上的缺陷，對(duì)直徑100 μm的缺陷檢出率較低。從試件粗糙度總體趨勢(shì)看，隨粗糙度的增大，檢出概率逐漸降低。 

從表8結(jié)果分析，采用高靈敏度后乳化型滲透液檢測(cè)工藝，當(dāng)乳化時(shí)間為60 s時(shí)，檢出率最高的試件是粗糙度Ra1.37 μm及Ra6.73 μm試件，檢出率最低的是Ra6.11 μm的R-1-2試件，如圖5所示，由于表面粗糙且乳化時(shí)間較短，試件表面呈現(xiàn)出大面積殘留熒光背景，缺陷陣列的顯示難以區(qū)分。而對(duì)于粗糙度最小的Ra0.577 μm2-2試件表面而言，60 s的乳化時(shí)間則過長(zhǎng)，且由于清洗時(shí)間較長(zhǎng)，孔洞中的滲透液被過度清洗，故缺陷檢出率低。 

圖  5  試件R-1-2后乳化型（ZL 27-60s）檢測(cè)工藝結(jié)果

從表9整體情況看，高靈敏度后乳化型（ZL27-120s）工藝下缺陷的檢出率最高，尤其是粗糙度較低的Ra2.14 μm以下試塊以及粗糙度Ra6.37 μm~Ra6.73 μm試件，僅最小的直徑100 μm，深度100 μm缺陷難以完全檢出。粗糙度最大的Ra9.5 μm試件，表面背景仍然干擾缺陷識(shí)別，其檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。 

圖  6  試件 R-1-2 后乳化型（ZL 27-120s）檢測(cè)工藝結(jié)果

3.   結(jié)論

（1）制作的人工缺陷實(shí)際測(cè)量尺寸在設(shè)計(jì)尺寸附近波動(dòng)，最大偏差約70 μm，出現(xiàn)在設(shè)計(jì)直徑為500 μm，深度為500 μm的點(diǎn)處。對(duì)于設(shè)計(jì)直徑為100 μm，深度為300~500 μm的缺陷陣列，由于口徑過小，測(cè)量光鏡無法探測(cè)到實(shí)際孔徑深度，因此數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)以缺陷設(shè)計(jì)尺寸作為標(biāo)尺。 

（2）隨著孔洞直徑減小，深度減小及試件粗糙度的增大，檢出概率均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。 

（3）除去水基工藝Ra6.11 μm試件奇異點(diǎn)，Ra為0.58~9.50 μm下，直徑為500 μm，深度為300~500 μm的孔洞缺陷在5種工藝下均能檢出。 

（4）所有粗糙度下，直徑100 μm的孔洞在各滲透檢測(cè)工藝下的檢出概率約為29%，漏檢概率高；直徑300 μm的孔洞在各滲透檢測(cè)工藝下的檢出概率約為82%，采用高靈敏度水基、水洗或120 s及以上的后乳化工藝，可獲得較好的檢出效果；直徑500 μm，深度100 μm的孔洞在高靈敏度水基、高靈敏度水洗型滲透檢測(cè)工藝下可獲得更高的檢出率。 

（5）激光選區(qū)熔化制件表面缺陷的滲透檢測(cè)能力與粗糙度相關(guān)，在制定制件檢測(cè)方法或技術(shù)條件時(shí)應(yīng)充分考慮制造工藝或加工工藝所能達(dá)到的粗糙度及要求檢出的缺陷尺寸，非機(jī)加工區(qū)域原始粗糙度水平下，適當(dāng)?shù)臐B透檢測(cè)工藝僅能檢出直徑500 μm，深度300 μm以上的孔洞缺陷。應(yīng)控制制件表面粗糙度水平，以便達(dá)到更佳的檢測(cè)結(jié)果。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)