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X射線斷層掃描技術:分析AM缺陷對性能的影響

來源: 瀏覽: 發布日期:2020-10-26 13:16:51

   X射線斷層掃描技術作為一種具有獨特的功能的無損檢測技術,可以用來分析增材製造(AM)產品的缺陷。缺陷的類型包括氣孔、表麵粗糙不平、尺寸偏差等。其形成的原因由於樣品的不同而有較大的差異。粉末性能、輸送粉末時不均勻、製造過程中的變形、激光束變化時造成的工藝參數的偏離、光學部件和掃描係統的操作等均會造成未熔合氣孔、冶金氣孔、匙孔效應氣孔的生成。這些不同類型的氣孔具有不同的類型尺寸、形狀和3D空間分布,所有類型的缺陷均會對最終產品的機械性能造成影響。采用X射線斷層掃描技術在零件進行機械性能測試前進行無損觀察,可以有助於成版人抖音app黄版更好地理解氣孔缺陷對部件機械性能的影響(也稱之為缺陷的影響)。這些可以為成版人抖音app食色黄提前辨別出有危害的部件提供了可能。由此為成版人抖音d2视频app使用AM產品建立了更大的信心。本文則綜述了當前AM技術對缺陷的影響,並對最近的相關工作做了總結。

X射線斷層掃描儀

  增材製造技術,尤其是鋪粉激光增材製造(LPBF),是一種發展非常迅速的製造技術,可以獲得性能優異的製品、可以製造出的材料的種類比較廣泛,尤其是可以製造形狀複雜的零件和可以進行優化設計是其最大優點,是當今其他製造技術不能或不易實現的。AM技術在當今發展迅速和取得的應用成就為LPBF的應用打開了廣闊的市場。由於AM技術更好的被人們所理解,其應用則在更多的工業場景中更好的得到了應用。個性化定製的人體植入骨如今就得到普遍應用。航空航天和汽車工業中對LPBF的應用也非常感興趣。打印時較高的分辨率且可直接製造的優點在牙科和珠寶工業中也得到了應用。而且,不同的工業部件、工具和傳感器等均屬於應用案例。LPBF尤其適合於原位合金化材料、金屬基複合材料以及個性化定製的產品等。AM技術或3D打印屬於同一範疇,隻是不同的叫法而已。作為一種全新的製造技術,可以實現目標產品的自由設計和製造,其機械性能、疲勞性能、聲學性能,甚至於生物學性能還可以實現定製。AM技術還可以實現自我變形,即依據外部環境的變化而做出相應地改變,這就是人們常說的4D打印。

工業CT

  製造過程中缺陷的存在對製品的機械性能造成了不利的影響,不管是采用何種製造技術(不光AM技術製造是如此,其他製造技術也存在)得到的製品均是如此。因此,非常有必要不斷的改善工藝和降低缺陷的不利影響。隨著X射線斷層掃描技術應用於部件缺陷的檢測,使得依據部件缺陷尺寸或位置來檢查和判斷是否合格成為可能。這一技術應用於鑄造件和焊接件的檢查已經成為常規工藝。X射線斷層掃描技術已經在材料科學、度量衡領域和增材製造領域得到應用。采用X射線斷層掃描技術進行AM製造的分析所花的時間和效益成本是非常有優勢的。顯而易見,工業CT技術可以快速的對大體積的部件進行掃描,同需要進行破壞性測試和耗時較長的金相製造,然後采用金相、掃描電鏡等手段進行分析相比是非常有優勢的。

  隨著LPBF技術的發展和LPBF的不斷應用,越來越明顯地看到氣孔以及氣孔的分布是一個複雜的問題。不同的工藝參數、掃描路徑和製造策略、粉末材料、製造過程中的變形或其他因素均會形成缺陷並使得得到的氣孔形狀和尺寸以及氣孔的體積分數而有所不同。不同類型的氣孔形成的原因已經有較多的文獻給予了報道。同時不同類型的缺陷對製品的機械性能的影響目前並沒能完全掌握。例如,可以預見不規則的未熔合氣孔同尺寸較小的冶金氣孔或氣體逸出造成的氣孔相比,更易成為應力集中的集中源。但對於這一說法並沒能通過實驗去進一步的明確。這是因為新近出現的X射線斷層技術用於缺陷對性能的影響研究才剛剛開始,而且直到今天,控製氣孔的分布還是一個大難題。

  公開報道的金屬AM製造的產品的機械性能差別非常大,尤其是疲勞性能的差別就更大。在大多數的關於LPBF製品的公開報道中,多集中在顯微組織和性能之間的關係研究上以及顯微組織的各向異性上。當然,顯微組織固然重要,但目前缺陷對性能的影響在最近也開始得到人們的廣泛關注和認可,同時急需對其進行詳細的研究。這是因為不同類型的缺陷在整個部件中的含量、最大尺寸、位置和分布(隨機的還是有規則的分布),均取決於製造係統。早期關於LPBF優化的工藝研究指出,密度為87%(氣孔的孔隙率為13%),經過多年的努力,現今可以達到大於99%的密度(孔隙率小於1%),以上數值是采用阿基米德原理法測量和采用金相、掃描電鏡以及X射線斷層技術進行分析測量的結果。同時目前已經可能實現孔隙率降低到0.002%的水平,這表明目前孔隙率的變化範圍可以從13%~0.002%之間變化。尤其可見不同的孔隙率對性能的影響會有多大。

  部件形狀複雜、粉末輸送的異常、粉末尺寸和粉末形狀的隨機分布和不均勻、掃描時粉末的飛濺等、熔池中流體的流動和熔道的不穩定等諸多因素都會造成氣孔的形成。即使對LPBF進行工藝參數優化、適當的改變掃描和製造堆積策略等,不同的缺陷依然會發生。LPBF中的氣孔在目前來說,依然不可避免,並且可以預見,較高的孔隙率必然對機械性能產生非常不利的影響。

  眾所周知,熱等靜壓(HIP)技術是減少氣孔和改善AM組織的一種行之有效的手段。同時HIP對改善塑形和提高疲勞強度也是非常有效的。然而,盡管HIP在上述領域非常有效,但對表麵缺陷在HIP處理時會保留下來,由此會損傷AM製品的性能。研究發現,對電子束AM製造的Ti合金進行HIP處理時,氣孔又重新生成。

  X射線斷層掃描技術為研究氣孔的數量和分布的無損檢測提供了關鍵的信息。比較理想的狀況是在機械性能測試之前清楚的通過X射線斷層掃描技術來獲取缺陷的影響:可能產生不利影響的缺陷類型、位置和分布等。

  材料的機械性能的含義比較廣泛,包括彈性模量、強度(拉伸和屈服強度)、塑形、剛性、硬度等靜態和準靜態性能。對動載荷來說,還包括高周、低周疲勞等。

  本文主要介紹了孔隙率和最近關於孔隙率和機械性能之間的關係。其目的是為了提高大家對氣孔,尤其是關鍵氣孔的認識,機械性能的預測的重要性、最終實現質量控製和質量改進。同時本文主要集中在無損X射線斷層掃描技術在AM技術的應用上。

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