金属增材制造缺陷与检测

第1章 绪论 增材制造(additive manufacturing，AM)俗称3D打印(3D printing)，是一门融合材料、机械和控制等多学科的“控形/控性”一体化先进绿色制造技术，具有常规制造技术不能比拟的优势。金属增材制造是增材制造技术中重点发展的方向，包括粉末床熔融(powder bed fusion，PBF)和定向能量沉积(directed energy deposition，DED)两大类。目前在装备制造、粉末材料制备、增材过程监控、缺陷检测等方面都取得了巨大的进步，部分产品已经在航空航天及其他领域获得了应用。但其冶金行为、缺陷形成机理及检测技术有待进一步深入研究，相关技术标准和技术规范需要进一步发展。 1.1 金属增材制造的发展 金属增材制造的出现彻底改变了传统金属部件的加工模式，不再需要昂贵的工具或模具就能生产结构复杂的零件，降低了对加工人员专业技术能力的要求，越来越多地被应用于航空航天、医疗器械、汽车制造和模具制造等领域，成为当前先进制造技术领域的研究前沿和竞争热点。伴随着新一轮科技革命和产业变革，以增材制造为代表的先进制造技术正在不断获得突破性进展，成为制造业产业升级和技术转型的主要发展方向。目前我国正处于从“中国制造”向“中国创造”转型的关键时期，增材制造技术对增强和提升我国产品的自主创新能力、实现从“中国制造”向“中国创造”迈进具有重要意义[1]。 增材制造技术是一种自下而上、逐层递增的材料累加制造方法，自20世纪80年代以来逐步发展，名称各异，如材料累加制造(materials increase manufacturing)、分层制造(layer manufacturing)、实体自由制造(solid free-form fabrication)和3D打印等，从不同的角度反映了增材制造技术的特点。在过去的30余年中，增材制造技术取得了重大进展，包括更低成本并可靠的工业激光器、高性能计算硬件和软件及成熟的金属粉末制造技术等。世界各国纷纷制定相关增材制造战略和具体措施助力产业发展，力争抢占未来科技和产业的制高点。 基于增材制造技术重要的战略地位和广阔的应用前景，欧美国家对其给予了高度的重视。2012年，美国成立了国家增材制造创新研究院(National Additive Manufacturing Innovation Institute，NAMII)并提出了“重振制造业”战略。基于增材制造技术对工业发展的重要促进作用，德国政府分别在《德国高技术战略2020》和《德国工业4.0战略计划实施建议》这两个重要的规划性文件中提出明确支持激光增材制造的研发与创新[2]。澳大利亚政府也倡导成立了增材制造协同研究中心并提出基于企业需求的协作研究。在亚洲，日本实行了以增材制造技术为核心内容的“制造革命计划”，以构建和进一步完善其增材制造材料体系和装备体系，提升其增材制造技术在国际上的竞争力。新加坡投资了5亿美元用于发展增材制造技术。韩国政府则于2014年宣布成立3D打印工业发展委员会，并批准了一份旨在使韩国在金属增材制造领域获得领先地位的总体规划。 中国也高度重视增材制造产业发展，相继在《中国制造2025》《“十三五”国家科技创新规划》《智能制造工程实施指南(2016—2020)》《工业强基工程实施指南(2016—2020年)》等发展规划及实施方案中将增材制造装备及产业作为重要发展方向，以期推动增材制造产业持续快速发展。20世纪90年代初，在科技部等多部门持续支持下，西北工业大学和华中科技大学等高校在增材制造设备、软件和粉末材料等方面的研究以及产业化上获得了重大进展[3]。随后国内大量的高校和研究机构开展了相关的研究。在产业化过程中，涌现出了西安铂力特增材技术股份有限公司等代表性企业，其可针对具体产品提供金属增材制造技术全套解决方案。近年来，我国金属零件增材制造技术的研究与应用已达到国际先进水平，北京航空航天大学、西北工业大学和中航工业北京航空制造工程研究所等制造出了大尺寸的金属零件。 金属增材制造技术经历了30余年的发展，目前正处于承上启下的发展阶段，面临许多新挑战和新问题①。当增材制造技术在航空航天、能源和石油化工等领域大型金属构件中应用时，增材制件质量可靠性和评价方法还不完善，特别是金属构件打印过程中、制造完成后和使用过程中质量控制和检测评价方法还需要进一步研究。在金属增材制造中，如果成形零件存在明显的宏观缺陷则会使零件报废，而内部的冶金微观缺陷将会大幅度降低零件的疲劳强度等关键性能[4]。如果构件存在裂纹，在交变应力的长期作用下，裂纹将逐渐扩展，*终有可能引发疲劳断裂事故。特别是在航空航天领域，一旦发生重要部件的疲劳断裂事故，将造成灾难性的后果。因此，增材制件的表面结构、内部组织均匀性、晶体结构、残余应力、力学性能及服役性能等的检测和评价方法还需要进一步完善。国内外关于金属增材制造技术的研究目前主要集中在设备优化、材料合成及打印工艺的完善和应用推广方面，而对缺陷演变和检测技术的系统研究相对较少，缺乏深入系统的探索，尤其对缺陷的形成规律和内在影响机制研究有待进一步加强。目前金属增材制造冶金缺陷演变规律研究和在线检测技术的开发已经成为金属增材制造技术发展的难点，这也是金属增材制造技术进一步充分发挥优势并推广应用的基础。 1.2 金属增材制造技术分类 按照美国材料与试验协会(American Society for Testing Materials，ASTM)标准F2792—2012，增材制造主要分为两个类别，即DED和PBF(表1-1)。根据所利用的热源不同，金属增材制造也可分为高能束(激光、电子束和等离子)、冷喷涂和超声等低温金属固相增材制造技术等。 表1-1 金属增材制造的分类及特点[5] 注：HIP指热等静压(hot isostatic pressing)。 1.2.1 激光选区熔化增材制造技术 激光选区熔化(selective laser melting，SLM)技术是把零部件的三维模型通过切片软件沿一定方向离散成一系列有序的微米量级薄层，然后在制造腔室中以高能量密度的激光为热源，逐层熔化铺好的金属粉末，经冷却凝固而成形的一种直接制造零部件的技术。为了使金属粉末完全熔化，一般要求输入的激光功率密度超过106W/cm2[6]。相较于传统的制造方法，由于所使用的金属粉末粒度小，SLM技术制造的部件可以达到很高的表面尺寸精度和表面质量，能够实现无余量的制造加工，解决复杂金属零部件的加工困难、加工周期长和成本高等问题，实现对传统制造方法无法加工的复杂金属零件的制造。例如，对一些轻质点阵的夹芯结构、空间曲面的多孔复杂结构、内部含复杂型腔流道结构的模具加工等。目前SLM技术在火箭发动机的燃料喷嘴、航空发动机的超冷叶片、轻质接头等方面获得了应用，同时在半导体、医学植入等领域也具有良好的应用前景[7]。 为了保证对金属粉末材料的快速加热和熔化，SLM技术一般需要采用高功率密度的激光器，根据不同的使用需求，光斑直径一般可以聚焦到几十微米到几百微米。目前SLM技术使用的激光器主要有Nd:YAG激光器、CO2激光器和光纤(fiber)激光器等。这些激光器产生的激光波长分别为1064nm、10640nm和1090nm。不同的激光波长与金属粉末的相互作用存在一定的差别。金属粉末对1064nm等较短波长激光的吸收率比较高，而对10640nm等较长波长激光的吸收率较低，因此在金属零件增材制造过程中具有较短波长的激光器使用率比较高。而当采用较长波长的CO2激光器时，其激光能量利用率相对较低。SLM技术目前*常用光纤激光器的功率一般高于50W，功率密度也达到5×106W/cm2以上[6]。在SLM增材制造中，粉末材料一般分两个腔室进行存放，分别为供粉腔室和工作腔室。粉末储存在供粉腔室中，经铺粉辊移动到工作腔室。铺粉结束后，激光经过激光器发出，通过聚焦透镜聚焦，然后进入可快速运动的振镜，通过振镜改变激光在工作腔室中的扫描位置实现打印过程(图1-1)。 图1-1 SLM技术原理示意图② SLM增材制造技术由激光选区烧结(selective laser sinter，SLS)技术发展而来。随着激光技术的发展及高亮度光纤激光器的出现，国内外金属SLM增材制造技术发展突飞猛进。德国是SLM技术研究*早与*深入的国家，**台SLM系统于1999年在德国研制成功，由Fockele&Schwarze(F&S)公司与德国弗朗霍夫研究所共同研发，主要应用于不锈钢粉末的成形。目前国外已有多家SLM设备制造商，比较大的如德国EOS公司、SLM Solutions公司和Concept Laser公司③。国内增材制造技术和装备也获得了很大的进步。例如，华南理工大学于2003年开发出国内的**套SLM设备DiMetal-240，随后在2007年又开发出DiMetal-280，2012年开发的DiMetal-100目前已经进入商业化阶段。华中科技大学于2016年研制出成形尺寸为500mm×500mm×530mm的SLM增材制造装备，它由4台500W光纤激光器和4台振镜分区同时扫描粉末进行成形，成形效率和尺寸为当时同类设备中*大④[8]。 SLM基本工艺流程如下： (1)将需要制造的目标零部件在计算机上通过CAD软件设计出三维模型，然后将三维模型转化为3D打印所需的三维图形文件格式——STL(stereolithography)格式[7]。 (2)利用3D打印软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的二维轮廓数据，将这些数据导入3D打印设置中，计算机按照设置的扫描方式类型，将二维轮廓之间的封闭区域填充上一定间隙的线条[7]。 (3)启动3D打印机，把STL格式的模型进行切片得到G-code文件并传送给3D打印机，同时装入3D打印粉末材料，调试打印平台，设定打印参数。激光束开始扫描前，先在工作台面装上金属零件生长所需的基板，将基板调整到与工作台面水平的位置，供粉腔室先上升到高于铺粉辊底面一定高度，铺粉辊滚动并将粉末带到工作台面的基板上，形成一个均匀平整的粉末层。随后3D打印机开始工作，逐层完成打印工作[9]。 (4)3D打印机完成工作后，取出物体，做后期处理。例如，在打印一些悬空结构的时候，需要有一个支撑结构顶起来，然后才可以打印悬空部分。因此，后期处理需要去掉这部分多余的支撑结构。又如，有时候3D打印出来的物品表面比较粗糙，需要后续抛光。抛光的办法通常是砂纸打磨(sanding grinding)、珠光处理(bead blasting)和蒸汽平滑(vapor smoothing)这三种技术。对于性能要求高的零部件，需要做后续的热处理等才能*后得到所需的工件。 SLM技术的优点如下： (1)可以由CAD模型直接制成*终的产品，不需要复杂的后处理技术。 (2)适合制造各种复杂形状的工件，尤其是内部有复杂连通结构的部件。 (3)一般可以得到过饱和固溶体及细晶粒金相组织，致密度接近100%，其性能和锻造工艺基本相当。 (4)高功率小光斑技术的应用使加工出来的金属零件具有很高的尺寸精度和低的表面粗糙度(Ra=30～50m)。 (5)可以采用较低功率熔化高熔点金属，可以使用单一成分的金属粉末来制造零件，由于粉末种类多，大大拓展了其应用领域[6]。 1.2.2 激光定向能量沉积增材制造技术 激光DED增材制造技术是在快速成形技术和激光熔覆技术的基础上发展起来的一种先进快速制造技术。该技术的思路与SLM技术比较类似，也是基于离散/堆积原理。首先通过对所需打印零部件的三维CAD模型进行分层处理，随后获得各分层截面的二维轮廓信息，在此基础上生成加工路径，*后在惰性气体