分享：激光選區(qū)熔化制件不同表面粗糙度下的缺陷滲透檢測能力

增材制造（AM）技術(shù)是相對于傳統(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方法包括工業(yè)CT、射線、超聲、滲透等[3]。滲透檢測（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比來增加不連續(xù)的可檢性?；跐B透檢測的基本原理，該方法適用于非多孔性、表面相對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，具有快速批處理、顯示直觀、高靈敏度等技術(shù)優(yōu)勢[4]。對于增材制造制件的表面檢測，滲透檢測應(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年成立的美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）增材制造技術(shù)委員會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指南》，討論了現(xiàn)有無損檢測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)測量、滲透、射線、紅外、超聲等多種方法。指南第10章建議，對滲透檢測的范圍，使用和意義，材料，設(shè)備、安全預(yù)防措施、檢測準(zhǔn)備、檢測工藝、驗收和拒收標(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《滲透檢測材料》，詳細(xì)的檢測要求引用標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1417《液體滲透檢測》。 

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

文章設(shè)計制作了表面粗糙度Ra為0.5~9.5 μm的不同級別激光選區(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工藝下的顯示特征試驗，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微小缺陷滲透檢測的影響規(guī)律。 

1.   試驗制備與過程

1.1   試件制備

采用選區(qū)激光熔融工藝，打印方向為縱向，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)計制作不同直徑、深度的孔洞陣列（見圖1），設(shè)計尺寸如表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)計尺寸存在差異。采用共聚焦顯微鏡對，其結(jié)果孔洞真實(shí)深度進(jìn)行了測量并統(tǒng)計。以編號#3-2試件為例，對測量的缺陷深度進(jìn)行統(tǒng)計分析，其結(jié)果如圖3所示，可見，實(shí)際孔洞深度基本在設(shè)計尺寸上下波動，最大偏差約70 μm，出現(xiàn)在設(shè)計深度為500 μm的點(diǎn)處。 

圖  3  孔洞缺陷實(shí)際深度分布示意

1.2   不同工藝滲透檢測試驗

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，對孔洞陣列缺陷試件開展了水基滲透液3級靈敏度，水洗滲透液2級、3級靈敏度，后乳化滲透液3級靈敏度不同乳化時間等5種工藝對比試驗，具體試驗工藝參數(shù)如表3所示。 

檢驗工藝和條件如下。 

（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，然后自動噴洗40 s。根據(jù)需求選擇乳化處理，時間為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：采用自動噴粉方式，顯像時間為30 min。 

（7）觀察：在UV-A光源下進(jìn)行觀察。 

2.   試驗結(jié)果

2.1   去除性結(jié)果

對不同粗糙度試件在同一滲透檢測工藝下的背景顯示做對比，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試驗，試驗結(jié)果如表4所示。 

Table  4.  孔洞缺陷陣列試件滲透檢測試驗結(jié)果

試塊編號	Ra/μm	檢測工藝（材料牌號）
		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

對表4中每個尺寸陣列（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，進(jìn)而計算該陣列內(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工藝對直徑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個陣列的缺陷全部檢出，500-500陣列有5個點(diǎn)檢出，其他陣列尺寸的缺陷均無熒光顯示，可能是因為清洗過程中試件表面水流沖洗時長不夠均勻。該檢測工藝下，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結(jié)果與表5的水基型滲透液檢測結(jié)果類似，對直徑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直徑300 μm以上的缺陷，對直徑100 μm的缺陷檢出率較低。從試件粗糙度總體趨勢看，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工藝，當(dāng)乳化時間為60 s時，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。而對于粗糙度最小的Ra0.577 μm2-2試件表面而言，60 s的乳化時間則過長，且由于清洗時間較長，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別，其檢測結(jié)果如圖6所示。 

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

3.   結(jié)論

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

（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能力與粗糙度相關(guān)，在制定制件檢測方法或技術(shù)條件時應(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)到更佳的檢測結(jié)果。

文章來源——材料與測試網(wǎng)