激光增材造作技术具备急剧成形与直接成形复杂零件的优势，如今已经被宽泛利用于航空航天、核电、船舶等领域。增材造作技术选取由点到线、由线到面、逐层叠加的资料沉积方式，虽拥有高度的矫捷性，但造作工艺的可控性及尺度化较差，导致增材造作零件内部可能会产生气孔、熔合不良、裂纹、同化等缺点，会影响增材造件的使用机能，严沉时可能会导致沉大变乱。无损检测是确保增材造件可能装机利用的一个沉要环节，国内针对增材造件的无损检测大多直接沿用铸锻件的检测尺度，这在肯定水平上限度了增材造作技术的利用及发展。目前针对增材造件比力靠得住的无损检测技术是可视化的工业推算机断层扫描，但检测成本高并且利用领域有限。故钻研针对增材造件有效的超声无损检测技术拥有沉要意思。

相控阵超声检测技术将多个检测晶片集成到一个探头，每个晶片可进行独立节造，通过算法精确节造各个晶片的收发及延时可使声束产生矫捷的偏转聚焦，提高缺点检出率的同时极大地提高了检测效能，在增材造作领域极具利用远景。韩立恒等选取相控阵超声检测技术对电子束熔丝成形的A-100钢内部的微裂纹缺点进行检测，钻研发现超声波的入射方向和角度对微裂纹缺点的检测鉴别很关键，方向选择不当可能导致缺点漏检。李文涛等别离选取线阵和环阵超声换能器对激光增材造作的TC18钛合金试样三个方向的平底孔缺点进行了检测，钻研了局批注增材样件的各向异性对超声检测了局有较大影响，选取超声检测步骤对增材样件进行检测时有必要思考其成形方向，应尽可能沿着样件的沉积方向进行入射检测。杨平华等选取超声水浸检测，对激光、电子束增材造作及变形造作三种分歧造作工艺造备的TC18钛合金资料发展了超声检测特点测试，钻研以为增材造作迪胙合金资料在分歧成形方向的超声波声速、资料衰减及检测活络度均存在较大差距。LOPEZ等选取相控阵超声检测技术对电弧熔丝增材造作的铝合金样件进行了检测，检测的缺点是直径3 mm的平底孔缺点，并钻研了检测表表描摹对检测了局产生的影响，钻研了局批注相控阵超声检测技术合用于对电弧熔丝增材造件内部缺点的尺寸、描摹及地位进行检测评定。JAVADI等钻研了全聚焦相控阵超声检测技术在电弧熔丝增材造作合金钢上的利用，检测的缺点蕴含横孔、嵌入的碳化钨球以及大尺寸的熔合不良缺点，并索求了选取嵌入的分歧尺寸的碳化钨球做反射体对检测设备进行校准的检测步骤，但所选取的检测步骤还有待尺度化。

目前的钻研对相控阵超声检测技术在增材造作领域的利用起到了推进作用，但检测的缺点大多为人为造作的平底孔及横孔缺点，该类缺点与增材造件内部产生的真实缺点拥有较大差距。本钻研但愿通过合理节造激光增材造作工艺来预造含有熔合不良缺点及同化缺点的增材样件，并从分歧的方向钻研增材样件内部缺点的相控阵超声检测个性，为增材造件的超声无损检测工艺提供参考。

1、试验资料及步骤

1.1 试验设备

本钻研选取激光定向能量沉积技术来造作含有内部缺点的增材样件。试验选取自主研发的六自由度同轴送粉激光增材造作试验设备，建设IPG 2000 W激光器。沉积资料为TA15钛合金粉末，粉末粒度为53~150 μm，重要化学成分如表1所示
；逦穸10 mm的TA15板材。

表1 TA15粉末的化学成分

相控阵超声检测试验设备来自奥林巴斯，重要由相控阵整合型仪器设备FPX-1664PR、Focus PC数据采集分析软件、一维线阵换能器组成。试验过程中，换能器频率为5 MHz，晶片数量为64，阵元间距为0.6 mm，激活孔径为38.4 mm，晶片的高度为10 mm。检测选取线性聚焦扫描，聚焦深度10 mm，每次激活16个晶片，如图1所示。选取0度楔块SA12-0L-IHC来
；せ荒芷，超声数据采集所用的编码器分辨率为0.5 mm。对比试块选取铸造TA15资料造作，蕴含直径为2 mm，深度别离为5、15、25、35 mm的平底孔尺度反射体，如图2所示。选取对比试块校准声速及增益，将分歧深度平底孔的超声反射波幅顺次调整到80%。

1.2 检测方向

思考激光增材造作工艺选取由点到线、由线到面、逐层叠加的资料成形工艺，除了导致成形的资料拥有各向异性表，还可能导致产生的缺点拥有方向性。而缺点自身的方向性会导致从分歧方向进行超声检测过程中缺点与声束的相对地位关系会产生分歧，从而对超声检测了局造成影响。故本钻研别离从X（扫描方向）、Y（步进方向）、Z（沉积方向）三个方向对预造缺点进行相控阵超声检测，钻研增材缺点三个方向的超声检测个性，检测方向示意图如图3所示。

1.3 缺点预造

激光增材造作选取的重要工艺参数如表2所示，试验过程当选取氩气作
；た掌，节造氧气含量<0.1‰。拟别离预造含有熔合不良缺点及同化缺点的激光增材造作试验样件，对于含有熔合不良缺点的试验样件（样件1），选取在缺点地位增大扫描间距来实现，如图4a所示，缺点地位的扫描间距设为4 mm。对于含有同化缺点的试验样件（样件2），选取在造作过程中在沉积方向的中央部位嵌入6个直径1~1.2 mm的ZrO?陶瓷球来实现，将其中的4个陶瓷球和2个陶瓷球别离搁置在两个分歧层，如图4b所示。打印沉积实现后选取电火花线切割加工将试验样件从基板上切下，选取电火花线切割及磨削对样件的6个表表进行加工，加工后的表表粗糙度幼于Ra 6.3 μm，加工后样件1和样件2的尺寸别离为（X×Y×Z）：25 mm×23 mm×15.5 mm、25 mm×23 mm×19 mm，如图5所示。

表2 激光增材造作工艺参数

2、缺点检测及验证

2.1 熔合不良缺点检测及验证

选取校准后的相控阵超声检测设备别离从X、Y、Z三个方向对样件1进行检测，检测发现从Y与Z方向进行检测时皆未检测到缺点，但是从X方向检测时发现了两处缺点，注明缺点在X方向的尺寸很幼，而在YZ平面内拥有肯定的尺寸，因而缺点能够从X方向检测到，而从Y或Z方向无法检测到。缺点的超声检测了局如图6所示，从A扫视图、S扫视图及B扫视图中皆可看到两处缺点。A扫视图中纵坐标反映缺点的反射波幅，横坐标反映缺点在X方向的深度。从A扫视图能够看出，两处缺点在X方向相距约9.4 mm，固然两处缺点的反射波幅较大，但并未使底波产生严沉的衰减。在A扫视图中将闸门置于缺点1波幅20%地位处，故C扫视图中仅显示了缺点1在YZ平面内的描摹，为大面积平面状缺点。S扫视图中纵坐标反映了缺点的深度，横坐标暗示相控阵探头带头编码器沿Z方向移动的位移，从而反映了缺点在Z方向的尺寸信息。移动过程中底面全程反射声波，因而底波最长，而2处缺点仅在中央区域反射声波，因而缺点在Z方向的尺寸幼于样件1的尺寸。B扫视图中纵坐标反映了缺点的深度，横坐标反映了缺点在Y方向的尺寸，从B扫视图能够看出缺点在Y方向的尺寸与样件1尺寸相当。因而，可凭据超声检测了局提取缺点在三维方向的尺寸信息，缺点在YZ平面呈平面状，在X方向的尺寸很幼，且两处缺点相距约9.4 mm的距离，在Z方向的尺寸幼于样件1尺寸，在Y方向的尺寸与样件1尺寸相当，所以缺点的检测了局注明预造的熔合不良缺点与图4a中缺点的性质类似。

为验证超声检测了局，选取电火花线切割加工将缺点1切开，并对切割表表进行磨抛，选取Zeiss VertA1光学显微镜别离从Y方向、X方向对缺点进行观察。图7a是从Y方向观察的了局，其表表选取体积比为V(HF)∶V(HNO?)∶V(H?O)=1∶6∶7的侵蚀剂进行侵蚀，能够明显地看到打印的纹理，缺点位于两路堆叠层之间，呈不陆续的线状散布，是由扫描间距过大导致的路间熔合不良缺点，且缺点在宽度方向上的尺寸很幼。从图7b中能够看出缺点在YZ平面上呈面状散布，由多个相距较近的熔合不良缺点组成。

预造的熔合不良缺点在YZ平面上呈面状散布，而在XY及XZ平面上呈线状散布，所以该类缺点仅能从X方向检测到，而从Y或Z方向无法检测到。由于缺点拥有不陆续的特点，从X方向检测时拥有肯定的透声性，超声波能够顺次透过缺点1和缺点2达到样件底面，且未对底波造成严沉衰减。

2.2 同化缺点检测及验证

选取校准后的相控阵超声检测设备别离从X、Y、Z三个方向对样件2进行检测，检测了局批注预造的6个同化缺点从三个方向皆能检测到，从分歧方向检测的C扫了局如图8所示，注明预造的同化缺点是体状缺点。但从Z方向检测时缺点的反射波幅最大，如图9所示，故从Z方向检测时缺点更容易被检测到。6个缺点在Z方向上分层散布，其中缺点1和2散布在统一层，深度在6.8~7.1 mm，缺点3~6散布在统一层，深度在13.3~13.6 mm，与图4b中的缺点预造步骤相符。图10为缺点5的A扫超声了局，缺点5的最大反射波幅为38.8%，远幼于样件1中从X方向检测时熔合不良缺点的反射波幅，但缺点5对超声底波有显著的衰减。

选择缺点3~6对超声检测了局进行验证，选取电火花线切割加工将样件2沿着XY平面切开，切割地位距离Z方向检测表表13 mm，之后对切割表表进行磨抛加工，磨抛后观察到的了局如图11所示。图11a为光学相机拍摄的缺点3~6的相对地位，与图8c中的超声检测了局一致，注明相控阵超声检测技术可能对增材缺点的相对地位进行正确鉴别，但观察到的缺点尺寸与超声检测了局存在差距，可能的原因是在线切割及磨抛加工过程中缺点产生了部门迷失，并且缺点的散布深度存在差距，导致无法在统一平面上出现全数缺点的最大尺寸。图11b为在场发射电子显微镜（TESCAN MAIA3）下观察的缺点6的微观描摹，能够看到陶瓷资料已经嵌入到钛合金资料内部，陶瓷资料与钛合金资料拥有显著的天堑，但嵌入的陶瓷资料已经不是规定的圆球形，而是呈不规定的扁平状散布。这注明ZrO?陶瓷资料在增材造作过程中的高温环境下产生了熔融，而熔融的陶瓷资料在激光及
；て沽Φ淖饔孟鲁视爰す馐怪钡谋馄阶瓷⒉，导致缺点在XY平面上的尺寸变大，而在XZ及YZ平面上的尺寸变幼，所以从Z方向进行超声检测时缺点拥有最大的反射波幅，缺点更容易被检测到。而从Y方向或X方向进行检测时部门缺点的最大反射波幅在15%以下，易与噪声信号混叠，可能导致缺点漏检。

3、结论

（1）选取增大扫描间距的步骤成功在激光增材样件内部预造了熔合不良缺点，该类缺点位于相邻两路之间，由多个相距较近的幼尺寸熔合不良缺点组成，缺点呈不陆续散布，有肯定的透声性，不会对超声底波造成严沉的衰减，该类缺点在XY及XZ平面上呈线状散布，而在YZ平面上呈面状散布，所以相控阵超声检测从X方向更易检测到该类缺点，而从Y或Z方向检测时可能无法检测到该类缺点。

（2）选取嵌入ZrO?陶瓷球的步骤成功在激光增材样件内部预造了同化缺点，相控阵超声检测从三个方向都能够检测到该类缺点，并可能对缺点的相对地位进行正确鉴别，但该类缺点在增材造作过程中产生了熔融再凝固，在激光及
；て沽Φ淖饔孟碌贾氯钡阍赬Y平面上呈扁平状散布，所以该类缺点从Z方向更容易被检测到。

（3）路间熔合不良缺点从X方向更容易被检测到，而同化缺点从Z方向更容易被检测到。这注明分歧类型的增材缺点拥有分歧的状态及散布特点，从分歧方向进行超声检测时声束与缺点拥有分歧的相对地位关系，可能导致缺点的检测评定了局产生差距，甚至导致缺点漏检，故增材缺点的超声检测应试虑检测方向对缺点检测评定了局的影响。

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（注，原文标题：TA15钛合金激光增材造作缺点预造及相控阵超声检测）