增材制造金属材料无损检测技术应用研究

来源:用户上传      作者:陈琨

　　摘要：无损检测是预防和及时发现金属材料失效的重要且有效的技术方法，广泛应用于特种设备、航空航天和能源电力等行业领域。本文介绍了多种无损检测与评价技术手段在常规承压设备金属材料构件上的应用，包括磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）、射线检测（RT）、超声检测（UT）、涡流检测（ET）等五大常规技术的应用及发展现状，并重点研究了金属增材制造先进制造工艺的特点，以及激光超声无损检测技术在增材制造金属材料检测方面的应用和研究。
　　关键词：无损检测;金属材料;增材制造;激光超声
　　1 概述
　　无损检测（Non-Destructive Testing）是指借助先进的技术和设备，在不损坏检测对象理化状态的情况下，对被检测对象的结构、性质和状态进行高灵敏度和高可靠性的检查和测试技术。与破坏性检测相比，无损检测主要具备非破坏性、全面性和全程性等三个特点。随着现代化建设规模不断扩增，锅炉、压力容器与管道等承压设备金属材料构件的数量也呈数量级增加。而这些设备往往在高温高压和易腐蚀环境下长期“服役”，在使用过程中会产生材料劣化和损伤等缺陷，具有潜在的泄漏和爆炸危险[1]，是目前无损检测技术最为广泛的应用对象和场景。锅炉、压力容器与管道等承压设备往往与发电厂等重要能源系统关联密切，一旦出现停机事件，会带来巨大经济损失，严重影响社会民生。而且，随着我国装备制造工业的快速发展和不断升级，以航空器、通信电子、汽车制造等为代表精密制造业对几乎所有组件的结构完整性和安全性提出了新的要求，尤其以芯片制造为代表的“卡脖子”芯片光刻机技术，从设计到制作、封装测试的关键组件，都需要进行检测验证。根据中国机械工程学会《无损检测发展线路图》的数据统计，实施无损检测后，相关行业的产品增值均有较大提升，其中：机械产品约5%，国防、宇航、原子能产品为12%～18%，火箭为20%左右。因此，无损检测技术几乎涉及所有制造、修检领域，有助于在不停机状态下及时发现和排除设备安全隐患、评估设备剩余寿命，有效降低设备在线运行的风险，对确保设备安全稳定可靠运行、保证和维护产品质量、提高国民经济发展水平都具有十分重要的意义。
　　2 常规无损检测技术在金属材料构件上的应用和发展
　　目前，无损检测技术作为一种灵活、快捷、越来越完善的技术，已广泛应用于航天航空、特种设备、能源电力、轨道交通、电信电子、钢铁冶金等诸多领域[2]。常规无损检测技术包括目视检测（VT）、磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）、射线检测（RT）、超声检测（UT）和涡流检测（ET）等方法，具体分类如下表所示。虽然应用广泛，但是这些方法也存在一些问题，比如：目视检测法对检测者的经验要求较高;常规超声法检测结果无法永久保存;磁粉法和渗透法难以检测埋藏较深的内部缺陷;射线法现场操作要求较高且操作不慎对人体有放射性危害等。借助于计算机科学技术和图像处理、自动化技术、压电复合材料、各类微电子器件等飞速发展，数字射线检测DR（Digital radiography）、工业计算机层析成像射线检测CT（Computer tomography）、基于时差衍射法的超声检测TOFD（Ultrasonic testing based time of flight diffraction）、相控阵超声检测PAUT（Phased array ultrasonic testing）等技术快速发展，目前已成熟应用于工业生产检测过程中。相较于常规无损检测技术，数字成像技术DR、CT的灵敏度和分辨率都有较大提高，避免了射线对检测者的危害，同时还可以利用后期图像处理软件和仿真软件得到更为全面清晰的检测结果;TOFD和PAUT超声检测新技术穿透力强，探测深度大，可以仅从一面扫查几乎覆盖检测物体，对缺陷的位置、大小、形状及性质等做出较为准确的判断，检测速度快，可靠性高，应用领域正在不断扩展。
　　总体来说，无损检测技术按照基本原理可划分为射线检测、声学检测、电磁检测和电磁波辐射检测等几个大类[3]。射线、声学和电磁检测的内容在上表中已有描述，电磁波辐射检测技术根据电磁波的频率由低到高包括微波检测（3×10～3×10Hz）、太赫兹波检测（1×10～1×10Hz）、红外检测（1.3×10～4×10Hz）和激光检测（3.846×10～7.895×10Hz）等，这类检测方式具有非接触、检测速度快、无须特殊防护、可便携式轻量化等优点。微波检测和太赫兹波检测技术多用于玻璃纤维增强复合材料、陶瓷纤维复合材料、硅橡胶绝缘子材料等;红外热成像无损检测技术多用于食品安全、建筑、医疗和航空航天表面复合材料等领域;激光检测具有高精度特点，多用于精密仪器设备的检测。随着先进制造技术的发展进步，检测工件的种类和检测需求越来越多样化，需要充分利用物质的声、光、热、电等多种特性。比如，对于增材制造金属的检测，光声技术相结合的激光超声无损检测技术正崭露头角，成为研究热点。
　　3 面向增材制造金属的光声无损检测技术应用和发展
　　3.1 金属增材制造
　　增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一种新型的先M制造技术，该技术基于数字化离散化的数学模型，采用自下而上逐层增加材料的方式成型工件[6]，又被称为3D打印技术，具有低成本、快速成型、可个性化设计和加工周期短等优势。增材制造连续多次操作非常少量的材料，从CAD模型中对复杂的零件进行“二维”层的操作，直接生成所需的零件。作为一项颠覆性的制造技术，增材制造已经在航空航天、新能源、新材料、医疗仪器等新兴产业领域展示出重大价值和广阔的应用前景，代表了先进制造的重要发展方向。由于金属材料成型加工对能量控制和工艺精度要求极高，金属材料的增材制造代表着增材制造体系中难度较高的方向。

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