探析TA15钛合金激光熔化沉积制件超声相控阵检测

沈英杰 蔚道祥 袁奕雯

【摘 要】为获取高品质的增材制件，有必要开展相应的无损检测，并且也不能忽视对其的评价，基于TA15钛合金制件，通过实施超声相控阵检测的方法，来全面检测其存在的缺陷，在增材制件方面，着重探讨了该项技术的运用优势，能够显著提升检测效率，充分体现缺陷的轮廓以及边界，总之对于增材制件的检测，有着良好的运用前景。

【关键词】增材制件;探头;TA15钛合金;缺陷检测

引言：

对于超声相控阵检测来说，就是基于一系列的晶片，进一步集成1个探头，通过对多声束的使用，来开展扫面检测，在有效利用偏转聚焦的基础上，能够显著提升检测效率，无论是大型的零件，还是较为复杂的零件，都存在突出的检测优势。

1.试验准备

1.1样品制备

对于激光熔化沉积来说，就是通过对激光束的利用，把金属基体材料进行熔化，同时产生相应的熔池，接下来，将粉材送至熔池，以便能够产生新的金属层，在激光束的作用下，出现相应的沉积轨迹，在结束轨迹沉积之后，当达到既定高度时，开展下一层的沉积，通过这样的途径，最终实现对三维零件的生产，属于一种成形的过程。在成形之后，存在突出的方向性，在不同方向上存在异性，详情如图1所示，X代表着步进方向，Y表示扫面方向，而Z表示沉积方向。对于增材质量来说，因为其有着独特的成形工艺，故而在很多方面与锻件与铸件有着较大的不同，例如力学性能，基于此，有必要加以关注超声检测特点的影响。

在对扫面间距进行调整的基础上，进一步来制备试验样件，间距依次设为2米、2.5米以及三米，别的参数保持恒定。将TA15钛合金当作试验材料，粒度介于80微米至90微米的范围，含有多种组成物质，例如硅、碳、氮以及铝等，其中绝大多数属于钛。基材属于铝合金板材，有三十毫米厚。在X方向上，步进距离达到22毫米，在Y方向上，激光束扫描距离达到30毫米，一共有25层的沉积层。为了更好符合检测的要求，通过对切割机床的利用，来开展相应的切割处理，留出0.5毫米的生产余量，完成此环节后开展磨削，保证粗糙度不超过6.3微米，有效完成加工之后，尺寸大小为21毫米*19毫米*12毫米，偏差处于上下0.1毫米的范围。

1.2试验设备

（1）熔化沉积设备。该设备由激光增材加工而成，有着较多的构成成分，例如水冷机以及光纤激光器等。（2）超声检测设备。该设备同样包含着多个成分，例如探头、编码器以及分析软件等。就常规探头来说，其晶片面积约为28平方米，相比之下，相控阵探头有着更大的面积，其晶片面积能够高达380平方米左右，约为前者的十二倍，换句话来讲，可以显著提升检测效率。

1.3试块

一般对于超声检测试块来说，可将其分成两种，也就是标准以及对比试块，通过对前者的使用，可以对探头性能进行校准，而对于后者而言，就是在成分方面，与被检件有着一定的相似性，可对反射体进行参考，无论是声程还是幅度，都可以达到调节的目的，用来对信号进行对比，也就是用于校准的试块。结合实际的需求，选择TA15钛合金材料，按照有关的设计规范，加工了两个平底孔，一个的外径为两毫米，另一个的为0.5毫米，也就是对比试块，校准距离有5毫米、15毫米以及25毫米。

1.4相控阵探头扫查方向

就声束发射方向来说，其存在主、被动面，前者与探头轴线保持平行，后者与探头宽度保持平行。朝着不一样的方向，通过探头来开展扫查，会形成各种的声束覆盖，也许获取不一样的检测结果。针对轴线方向以及扫查轴，将两者的夹角看成扫查方向，详情如图2所示，依次为0度以及90度扫查，对于前者来说，属于主动面扫查，按照一定的顺序对缺陷进行扫查，在宽度方面，扫查和晶片的是差不多的，扫查的面积并不大。后者属于被动面扫查，仅存在既定的声束，来对缺陷进行扫描，从宽度上来分析，扫查和阵列的是差不多的，有着相对较大的扫查面积，另一方面，在晶片数目不断增加的情况下，会促使扫查面积变得更大，能够获取更为可观的检测效果。

2.超声相控阵检测

2.1相控阵扫查方向分析

在完成对探头的校准之后，依次利用0度以及90度扫查，针对标准反射体，对其开展扫查成像，通过对编码器的使用，来对检测位置进行记录，图3以及图4 为实际的检测结果。在通过扫查之后，就视图呈现结果来说，A、S扫差不多是一样的，相比之下，C扫的结果有着较大的不同，和缺陷的形貌进行比较，C扫描的有着一定的相似性。针对这一次扫查成像，实施了线性扫查，一共激发了五十个组，共有17个晶片，好比50组的A扫描组开展扫查。在为1个线性扫查的情况下，通过S扫描视图，可以代表声束移动，借助1条水平线，进一步来代表A扫描，在有效利用颜色编码的基础上，对波幅进行相应的处理，换句话来讲，用不一样的颜色来表示不一样的波幅，通过所形成的实时数据，可以进一步显示堆叠的情况。在C扫描视图中，通过水平轴以及垂直轴，依次来表示距离以及覆盖范围，用1条水平线来表示1组结果。在0度扫查中，所有的声束分别扫过缺陷，通过C扫描视图，来表示叠加的效果，通过利用单条声束，是难以显示缺陷全貌的，基于此，结果看起来是倾斜的长条，斜率的大小就是移动速度的大小。在90度扫查中，仅存在一些特殊的声束，才能进一步扫过缺陷，由于每条声束能够代表相应的缺陷图像，故而对于叠加之后的结果来说，就属于缺陷的形状，和直径为两毫米的平底孔进行比较，差不多是一样的。由此可以得知，基于0度扫查成像，就可以获取每组的成像结果，实际上，却难以体现缺陷形貌，此外因为会重复扫面相同的区域，所以会对检测效率造成影响。相比之下，通过90度扫查结果，可以以直接的形式，将缺陷形貌充分体现出来，无论是轮廓还是边界，都可以得到精准的体现，更为关键的是，能够获取更为可观的检测效果。

2.2试验样件超声相控阵检测

在有效校准探头后，实施90度扫查方法，对试验样件开展全方位检测，保证不出现遗漏的情况。晶片大小为38.5毫米*11毫米，样件的大小为21毫米*19毫米*12毫米，在单次扫查的情况下，就可以全方位扫查样件，而且不受方向的约束，极大提升了检测效率，同时避免了出现漏检的情况。通过检测得知，1号以及2号样件没有缺陷，而3號样件存在缺陷，和探头检测结果是一样的。通过对编码器的使用，来对成像进行记录，实际结果如图5所示，在C扫描图像中，有着很大的缺陷，能够以直接的形式，充分体现形貌以及边界大小，通过B扫描视图，能够得知缺陷的深度与位置。表1所示为缺陷信息。结合检测结果得知，在全部的样件中，只有3号样件存在缺陷，这一类缺陷并不大，有着突出的方向性，属于一种平面状缺陷。另一方面，结合表1所含信息可以得知，对于缺陷1和2，两者间的距离达到5.5毫米，缺陷2和3间的距离达到5.8毫米，3号样件有着很大的扫描间距，综合考虑多项因素，针对于两倍扫描间距，可将其当作缺陷之间的距离，由此可以得知，因为扫描间距相对较大，从而引起这一类的缺陷。

结论：

综上所述，就3号试验样件来说，其存在的缺陷属于平面状缺陷，有着突出的方向性，在X方向上，通过采用超声检测的方法，可以有效检测出这一类缺陷，而从其他两个方向上，则难以实现对该类缺陷的检测。

参考文献：

[1]张丹，王猛，李闯闯.TA15钛合金选区激光熔化成形工艺研究[J].铸造技术，2020，41（05）：407-412.

[2]何振丰，赵宇辉，赵吉宾，王志国，孙长进.TA15钛合金激光熔化沉积制件超声相控阵检测[J].中国表面工程，2020，33（02）：127-135.

[3]孙长进，赵吉宾，赵宇辉，何振丰，王志国，高元.TA15钛合金激光熔化沉积工艺参数对超声检测精度的影响[J].光学学报，2019，39（10）：210-217.

基金项目：

上海市市场监督管理局科研项目2019-30《基于超声导波的车载高压储氢瓶损伤在线定位》项目资金支持