未熔合缺陷的无损检测方法、检测标准件及其制造方法与流程

本发明涉及工件的加工质量检测领域，尤其涉及一种增材制造工件未熔合缺陷的检测方法、检测标准件及其制造方法。

背景技术：

增材制造（additivemanufacturing，am）技术，俗称3d打印、三维打印（threedimensionprinting）技术，目前金属增材制造技术逐渐成熟，已广泛应用于航空航天、医疗、汽车、核电等领域。例如，激光选区熔化(selectivelasermelting,slm)被认为是最具潜力的am技术之一，由于采用细微聚焦光斑的激光束作为成形能量源、高速高精度扫描振镜作为加工光束控制单元及采用更薄的层厚控制技术，相对于其他am技术而言，slm技术在获得高致密和高精度成形件方面更具有优势，可完成复杂型腔、型面、薄壁、变截面零件的直接成形,广泛应用于航空航天等领域，如航空发动机预旋喷嘴、燃油喷嘴、涡轮叶片等零件。

由于slm过程中的金属粉末材料发生快速熔化凝固复杂相变过程，slm构件易存在未熔合缺陷，其原理在于，由于激光选区熔化成形过程中，输入的激光能量的不足，导致熔池宽度小，扫描路径上粉末无法完全叠加，而且由于slm过程是一层接一层的打印，一旦产生局部未熔合，导致表面粗糙，粗糙的表面会阻碍熔融金属的流动，继而导致新一层也出现缺陷。

对未熔合缺陷的检测方法，常见的有对打印工件进行取样，进行显微镜观察，分析未熔合缺陷的位置以及占比，但该方法会对工件产生破坏。

航空航天用slm构件目前广泛采用无损检测方法（如工业ct检测、超声检测、射线检测等）检测零件的未熔合位置及未熔合缺陷占比等特征以分析评价零件是否满足使用要求。传统的无损检测方法一般的步骤是，以工业ct检测为例，在设计阶段，设计具有孔洞结构的三维模型，孔径例如为0.1mm，也可以是多组，0.1mm、0.2mm、0.5mm，根据该三维模型制造一具有孔洞的标准件，对标准件进行ct检测标定，得到孔洞缺陷，孔径为0.1mm，得到对应的标定检测信号，确定可以清晰地观察到孔洞缺陷的ct检测参数；接着根据该参数对工件进行无损检测，得到工件的试验检测信号，对比试验检测信号与标定检测信号，即可得到工件的未熔合缺陷情况，包括未熔合位置以及未熔合缺陷占比等特征。

然而，发明人在长期实践中发现，上述方法不能准确地检测未熔合缺陷的情况，主要是由于可以清晰检测孔洞的检测参数，并不能准确地反映未熔合缺陷的情况。

因此，本领域需要一种增材制造工件未熔合的检测方法、检测标准件及其制造方法，以实现对增材制造工件的未熔合缺陷准确的无损检测，也可以进一步地测试得到增材制造工件的未熔合缺陷与其力学性能的关系。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种增材制造工件未熔合的检测方法、检测标准件及其制造方法，以实现对增材制造工件的未熔合缺陷准确地无损检测。

根据本发明一个方面的一种未熔合缺陷标准件的制造方法，用于增材制造工件未熔合缺陷的无损检测，包括：步骤a.设定所述标准件的未熔合缺陷区，在所述未熔合缺陷区中，未熔合缺陷占所述未熔合缺陷区的比例设定为第一比例值；步骤b.选择用于制造所述未熔合缺陷区的增材制造成形工艺，获取所述第一比例值对应的所述增材制造成形工艺的第一工艺参数；步骤c.基于所述第一工艺参数执行所述增材制造成形工艺，以形成所述未熔合缺陷区。

在所述制造方法的一个或多个实施例中，在所述步骤b中，所述增材制造成形工艺为激光选区熔化成形工艺，所述第一工艺参数包括第一激光线能量密度，设定的所述第一比例值越高，对应地设定所述第一激光线能量密度越小。

在所述制造方法的一个或多个实施例中，所述未熔合缺陷区的材料为hastelloyx合金，所述第一比例值为0.4%-5.7%，所述第一工艺参数包括，第一激光线能量密度为66j/m-113j/m，第一扫描间距0.10mm-0.12mm，第一条带宽度7mm-10mm，第一条带搭接0mm-0.05mm，以及第一铺粉厚度0.02mm-0.03mm，所述第一激光线能量密度通过以下公式确定：

其中，a为第一比例值，ƞ为第一激光线能量密度。

在所述制造方法的一个或多个实施例中，在所述步骤b中，所述第一比例值为5.7%，第一激光线能量密度为66j/m，所述第一扫描间距0.12mm，所述第一条带宽度10mm，所述第一条带搭接0mm，所述第一铺粉厚度0.03mm；或者，在所述步骤b中，所述第一比例值为0.4%，第一激光线能量密度113j/m，所述第一扫描间距0.1mm，所述第一条带宽度7mm，所述第一条带搭接0.05mm，所述第一铺粉厚度0.03mm；或者，在所述步骤b中，所述第一比例值为1.7%，第一激光线能量密度82j/m，所述第一扫描间距0.11mm，所述第一条带宽度9mm，所述第一条带搭接0.03mm，所述第一铺粉厚度0.03mm。

在所述制造方法的一个或多个实施例中，在所述步骤a中，还包括设定所述标准件的一本体区，所述本体区无未熔合缺陷；在所述步骤b中，还包括，选择用于制造所述本体区的另一增材制造成形工艺，获取所述本体区对应的所述另一增材制造成形工艺的第二工艺参数；在所述步骤c中，还包括，基于所述第二工艺参数执行所述另一增材制造成形工艺，以形成所述本体区。

在所述制造方法的一个或多个实施例中，在所述步骤b中，所述另一增材制造成形工艺为激光选区熔化成形工艺，所述本体区的材料为hastelloyx合金，所述另一增材制造成形工艺的第二工艺参数包括，第二激光线能量密度170j/m-200j/m，第二扫描间距0.08mm-0.10mm，第二条带宽度4mm-6mm，第二条带搭接0.06mm-0.10mm，第二铺粉厚度0.02mm-0.03mm。

根据本发明另一个方面的一种未熔合缺陷标准件，其通过以上任意一项所述的制造方法制造。

根据本发明又一个方面的一种未熔合缺陷的无损检测方法，用于检测增材制造工件的未熔合缺陷，包括：步骤一.对上述标准件进行无损检测得到所述标准件未熔合缺陷的所述无损检测的标定检测信号，确定所述无损检测的检测参数；步骤二.根据所述步骤一得到的所述检测参数，对所述增材制造工件进行所述无损检测，得到所述增材制造工件的试验检测信号，根据所述试验检测信号得到所述增材制造工件的未熔合缺陷占比。

在所述无损检测方法的一个或多个实施例中，还包括步骤三.对所述增材制造工件进行力学测试，得到所述增材制造工件的力学性能，以及得到所述未熔合缺陷占比与所述力学性能的关系。

在所述无损检测方法的一个或多个实施例中，在所述步骤一中，包括制造如上所述的标准件；进行无损检测得到所述标准件未熔合缺陷的所述无损检测的标定检测信号，确定所述无损检测的检测参数。

综上，本发明的进步效果包括，通过工艺参数调整的方式得到具有未熔合缺陷的检测标准件，更为真实地反映增材制造工件的未熔合缺陷，得到更为准确的标定结果，以及可以清晰地检测未熔合缺陷的检测参数，从而提高了增材制造工件的未熔合缺陷无损检测结果的准确性以及可靠性，以及进一步地得到更为准确可靠的增材制造工件的未熔合缺陷与增材制造工件的力学性能之间的关系。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是根据一个或多个实施例的增材制造工件未熔合的检测标准件的制造方法的流程示意图。

图2是根据一个或多个实施例的标准件的结构示意图。

图3是根据一实施例的第一比例值的未熔合缺陷的光学显微镜照片。

图4是根据另一实施例的第一比例值的未熔合缺陷的光学显微镜照片。

图5是根据又一实施例的第一比例值的未熔合缺陷的光学显微镜照片。

图6是激光线能量密度与第一比例值的对应曲线图。

图7是根据一个或多个实施例的标准件的本体区的无未熔合缺陷的光学显微镜照片。

图8是根据一个或多个实施例的增材制造工件未熔合的检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

如图1所示，在一实施例中，增材制造工件未熔合的检测标准件的制造方法包括：

步骤a.设定所述标准件的未熔合缺陷区，在所述未熔合缺陷区中，未熔合缺陷占所述未熔合缺陷区的比例设定为第一比例值；

具体地，设定未熔合缺陷区的过程可以通过ug等计算机辅助设计软件实现，参考图2，标准件10的具体结构可以是，标准件10包括本体区1以及未熔合缺陷区2，本体区1为无未熔合缺陷。但并不以此为限，未熔合缺陷区2可以不限于图2中所示的一处未熔合缺陷区2，也可以是多处，一个极限的例子是，为了标定可能的整个工件均具有未熔合的情况，设定标准件10仅具有未熔合缺陷区2。未熔合缺陷区2的未熔合缺陷占未熔合缺陷区的面积比例为第一比例值，第一比例值根据需要标定的数据点的需要设定，在具有多个未熔合缺陷区2的标准件10的一个或多个实施例中，多个未熔合缺陷区2可以具有不同的第一比例值，如此可以加速标定的过程，实现对不同的未熔合缺陷占比对应的标定检测信号的同时标定。

步骤b.选择用于制造所述未熔合缺陷区的增材制造成形工艺，获取所述第一比例值对应的所述增材制造成形工艺的第一工艺参数；

步骤c.基于所述第一工艺参数执行所述增材制造成形工艺，以形成所述未熔合缺陷区。

具体地，例如在一实施例中，设定第一比例值为5.7%，增材制造工艺为激光选区熔化成形工艺，采用eosm280激光选区熔化成形设备，成形材料为hastelloyx合金，设置第一工艺参数为：第一激光线能量密度为66j/m，第一扫描间距0.12mm，第一条带宽度10mm，第一条带搭接0mm，第一铺粉层厚度0.02mm-0.03mm，此实施例为0.03mm；得到的未熔合缺陷区的光学显微镜照片如图3所示。

例如在另一实施例中，设定第一比例值为0.4%，增材制造工艺为激光选区熔化成形工艺，采用eosm280激光选区熔化成形设备，成形材料为hastelloyx合金，设置第一工艺参数为：第一激光线能量密度为113j/m，第一扫描间距0.1mm，第一条带宽度7mm，第一条带搭接0.05mm，第一铺粉层厚度0.02mm-0.03mm，此实施例为0.03mm；得到的未熔合缺陷区的光学显微镜照片如图4所示。

例如在又一实施例中，设定第一比例值为1.7%，增材制造工艺为激光选区熔化成形工艺，采用eosm280激光选区熔化成形设备，成形材料为hastelloyx合金，设置第一工艺参数为：所述第一激光线能量密度为82j/m，第一扫描间距0.11mm，第一条带宽度9mm，第一条带搭接0.03mm，第一铺粉层厚度0.02mm-0.03mm，此实施例为0.03mm；得到的未熔合缺陷区的光学显微镜照片如图5所示。

条带打印的具体方式为本领域技术人员所熟知，例如可以参考eosm280激光选区熔化成形设备的使用手册，也可以参考学术论文，例如sunz,tanx,torsb,etal.selectivelasermeltingofstainlesssteel316lwithlowporosityandhighbuildrates[j].materials&design,2016,104:197-204，此处不再赘述。

第一比例值对应的第一工艺参数，可以通过试验的方法得到，也可以通过查阅文献资料以及拟合仿真的方式计算得到，一般而言是根据激光体积能量密度进行试验或者计算，体积能量密度包括激光线能量密度，条带搭接宽度以及扫描间距，其原理在于，未熔合缺陷主要是由成形过程中能量不足导致的。条带搭接越小，在条带区域连接处的材料熔化后不能形成充分的冶金结合，冶金结合不足的地方就产生了未熔合缺陷。扫描间距越大，相邻扫描道之间的材料也是由于冶金结合不足产生未熔合缺陷。

但发明人在研究中意外发现，对于第一比例值为0.4%-5.7%，在条带第一扫描间距0.10mm-0.12mm，第一条带宽度7mm-10mm，第一条带搭接0mm-0.05mm，以及第一铺粉厚度0.02mm-0.03mm的范围内，未熔合缺陷的形成仅与激光线能量密度关联，并可以通过公式快速得到：

其中，a为第一比例值，ƞ为第一激光线能量密度。

如图6所示，第一比例值以及第一激光能量密度的实际值与公式之间基本吻合。具体实际值如下表所示：

表1：第一比例值以及第一激光能量密度的实际值

因此，对于第一比例值为0.4%-5.7%的范围内，可以快速准确地通过公式确定对应的第一工艺参数，提高制造效率。

另外，从图3至图5也可以看出，在第一比例值为0.4%-5.7%范围内，也仅存在单独的未熔合缺陷，而不会混杂有裂纹缺陷等其它的缺陷形式，由此制造得到的标准件，可以得到更为准确的检测未熔合缺陷的检测参数。

本领域技术人员可以理解到，以上实施例中增材制造工艺为激光选区熔化成形工艺，并不以此为限，任何可能产生未熔合缺陷的增材制造工艺的工件均可适用，材料也不限于hastelloyx合金，也可以是其他材料。此处采用的hastelloyx合金在高致密和高精度成形件方面应用广泛，广泛应用于航空航天等领域，如航空发动机预旋喷嘴、燃油喷嘴、涡轮叶片等零件。将第一比例值的范围设定为0.4%-5.7%的原理在于，发明人在长期实践中发现，在第一比例值为0.4%-5.7%的未熔合缺陷对于hastelloyx合金激光选区熔化成形的在高致密和高精度成形件的影响最大，若第一比例值小于0.4%，可近似于无未熔合缺陷，对工件的性能影响有限，若第一比例值大于5.7%，可以在成形过程中直接观测到扫描层质量较差（粗糙度大、铺粉刀异响等），无需进行未熔合无损检测，直接放弃重新打印制造即可，也不会造成后续影响。可以理解到，以上叙述表明，采用本案方法制造的标准件，可以准确地标定出第一比例值0.4%-5.7%对应的标定检测信号，从而准确地将未熔合缺陷占比为0.4%-5.7%工件的未熔合缺陷检测出来，特别适用于hastelloyx合金激光选区熔化成形的在高致密和高精度成形件的无损检测。可以理解到，本案也适用于其他材料，其他可能产生未熔合缺陷的增材制造工艺的工件，第一比例值也不限于0.4%-5.7%，也可以是其他的范围。

在一些实施例中，对于具有本体区1的标准件而言，步骤b还包括本体区的增材制造，可以是通过另一增材制造工艺，其工艺参数为第二工艺参数。在一实施例中，该另一增材制造成形工艺为激光选区熔化成形工艺包括，本体区的材料为hastelloyx合金，第二工艺参数包括，第二激光线能量密度170j/m-200j/m，第二扫描间距0.08mm-0.10mm，第二条带宽度4mm-6mm，第二条带搭接0.06mm-0.10mm，第二铺粉厚度0.02mm-0.03mm，此实施例为第二激光线能量密度185j/m，第二扫描间距0.09mm，第二条带宽度5mm，第二条带搭接0.06mm，第二铺粉厚度0.03mm得到的本体区的光学显微镜照片如图7所示。

参考图8，在一实施例中，增材制造工件未熔合的无损检测方法可以包括以下步骤：

步骤一.对以上制造方法制造得到的标准件10进行无损检测，得到标准件10未熔合缺陷的无损检测的标定检测信号，以及确定可以清楚地反映未熔合缺陷的无损检测的检测参数；

步骤二.根据所述步骤一得到的所述检测参数，对所述增材制造工件进行所述无损检测，得到所述增材制造工件的试验检测信号，根据所述试验检测信号得到所述增材制造工件的未熔合缺陷占比。

具体地，例如进行工业ct的无损检测，首先对标准件10进行无损检测，调试检测参数，直至可以清晰地反映未熔合缺陷，得到标准件的无损检测图像，在步骤二中，根据步骤一得到的工业ct的检测参数，对增材制造工件进行无损检测，得到试验检测图像，根据图像得到增材制造工件的未熔合缺陷占比。可以理解到，无损检测还可以是超声检测，步骤类似，检测信号为波形图像，需要对比标定检测信号与试验检测信号进行拟合，工业ct相对于超声而言更为直观，但成本也更高。本领域技术人员可以理解到，以上步骤还可以适用于其它无损检测方法，不以工业ct、超声检测为限制。

在一些实施例中，步骤一的具体步骤可以是制造标准件，接着进行无损检测。如此计算结果更为准确可靠，但不以此为限，例如可以提前委托批量加工购买标准件，待有检测需要时再进行无损检测。

综上，采用实施例的标准件的制造方法、标准件以及未熔合缺陷检测方法的有益效果在于，通过工艺参数调整的方式得到具有未熔合缺陷的检测标准件，更为真实地反映增材制造工件的未熔合缺陷，得到更为准确的标定结果，以及可以清晰地检测未熔合缺陷的检测参数，从而提高了增材制造工件的未熔合缺陷无损检测结果的准确性以及可靠性。其原理在于，如图3至图5所示，发明人发现，未熔合缺陷除了导致气孔缺陷3之外，还存在其它的表现形式，例如在填充缺陷4，即在气孔中填充有未熔合的粉末，该种类型的缺陷在未熔合缺陷中也占有一定比例，因此需要通过工艺参数调整的方式制造真实的未熔合缺陷的标准件，如此才可以避免采用结构设计孔洞的标准件得到无损检测参数，无法准确地反映未熔合缺陷的情况的问题。

进一步地，在一些实施例中，检测方法还包括步骤三，对该增材制造工件进行力学测试，得到所述增材制造工件的力学性能，并进一步得到该未熔合缺陷占比与该力学性能的关系。力学测试具体可以是伸、持久、疲劳等强度考核试验，如此可以获得的性能考核结果能实际分析研究未熔合缺陷与工件力学性能的关系，为增材制造成形工件，例如slm成形工件的应用提供有力的理论支持。

综上，采用上述实施例提供标准件的制造方法、标准件以及未熔合缺陷检测方法的有益效果在于，通过工艺参数调整的方式得到具有未熔合缺陷的检测标准件，更为真实地反映增材制造工件的未熔合缺陷，得到更为准确的标定结果，以及可以清晰地检测未熔合缺陷的检测参数，从而提高了增材制造工件的未熔合缺陷无损检测结果的准确性以及可靠性，以及进一步地得到更为准确可靠的增材制造工件的未熔合缺陷与增材制造工件的力学性能之间的关系。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。