激光选区熔化增材制造缺陷智能监测与过程控制综述

激光选区熔化（SLM）技术被认为是最有应用前景的增材制造技术之一,已应用于航空航天、医疗器械等领域。然而,如何确保构件质量的可靠性和制造的可重复性是SLM面临的最大挑战,已被认为是限制SLM及其他金属增材制造技术发展和工业应用的最大壁垒。其中,主要原因是SLM过程中会产生难以控制的缺陷。因此,对SLM进行过程监测和实时反馈控制是解决这一挑战的重要研究方向,也已成为学术界和工业界的研究热点之一。通过对近十年该领域的文献调研,综述了金属激光增材制造中常见的冶金缺陷及其产生机理,对金属增材制造过程产生的信号及其监测手段,如声信号、光信号及热信号等进行了详细描述;总结了信号数据的处理方法,包括传统的统计处理方法和新兴的基于机器学习的智能监测方法;随后,综述了金属增材制造过程的质量控制方法,包括非闭环控制和闭环控制,并对全文进行了总结,展望了未来SLM智能监测和控制领域值得深入的研究方向。     

航空典型金属材料增材制造组织、缺陷、表面、构型研究进展

增材制造是一种集激光、数字化、材料等学科为一体的新型制造技术,具有降维制造、复杂成型、材料利用率高等优点,是材料加工领域中最具应用前景的技术之一,金属增材制造技术已在航空领域得到广泛研究和应用,国内外学者在航空金属材料增材制造方面的研究不断深入。中国航发增材制造技术创新中心在金属增材制造结构四要素——组织、缺陷、表面、构型方面开展了大量研究并获得一些数据,发现了一些现象和规律,包括组织接续生长特征及其对力学性能的影响;典型材料增材制造常见缺陷（气孔、裂纹、未熔合）特征、形成原因及其对力学性能特别是疲劳性能的影响机制;零件表面粗糙度与成形角度的关系及对疲劳性能的影响;金属增材制造构型的影响因素。在此基础上,总结了金属增材制造发展中存在的问题,对下一步重点提出了建议,并对未来研究工作提出了展望。     

基于激光超声的金属材料晶粒尺寸在线无损检测技术

金属材料的晶粒尺寸是材料力学性能表征的关键参数,实现晶粒尺寸在线检测对提高产品质量、智能工厂的改造升级、智能排产具有重要作用。首先介绍了基于热弹机制的激光超声在线无损检测试验平台;然后分析了基于频域能量衰减计算晶粒尺寸,基于频谱衰减计算晶粒尺寸及分布的建模方法;最后对生产现场可能出现的部分环境干扰进行了试验模拟。实现了基于激光超声方法的晶粒尺寸在线检测,检测精度可达到86%以上。样品运动速度在20 mm/s以内、面外抖动±7 mm及偏转角度在0.8°以内时,能够有效保证检测效果。     

超声能场在金属增材制造组织性能调控中的应用

针对金属增材制造构件存在微观组织缺陷、残余应力及各向异性等问题,各种组织性能调控技术应运而生。结合近年来超声能场对增材制造组织性能调控的研究工作,详细分析了超声能场在增材制造过程中的“液–固”双重效应,总结了超声能场对增材制造金属材料的显微组织及其表面粗糙度、显微硬度、残余应力、耐腐蚀等性能的影响。研究表明,超声能场使材料内部组织晶粒显著细化、孔隙率降低、耐腐蚀性能提高;同时使增材制造构件显微硬度升高,应力状态向有利于构件性能的残余压应力转变。     

复合材料T-形R区超声反射法检测与缺陷判别

R区缺陷的检测是碳纤维复合材料结构中无损检测的焦点,针对此问题,以T-形R区为例,通过研究入射超声波在复合材料结构T-形R区产生回波信号及其特征,在典型超声检测试验验证分析基础上,提出了一种适用于复合材料结构T-形R区在线超声检测方法。系列超声检测与验证结果表明:采用水膜耦合超声检测技术,通过选择不同的声波入射方向,可有效地实现复合材料结构中T-形R区的覆盖检测;根据来自T-形R区的超声回波信号的时域特征可有效地进行缺陷的判别和确定检出缺陷所在铺层位置;表面检测盲区可达0.13mm(即单个复合材料铺层厚度)。解剖验证结果显示了超声检测结果与实际工艺缺陷的良好一致性。     

激光重熔对喷射电沉积纳米结构镍涂层性能影响研究

采用喷射电沉积方法在45钢基体表面制备了纳米结构镍涂层,研究了激光重熔工艺对涂层性能的影响。用扫描电镜和X射线衍射仪对涂层表面形貌和晶粒尺寸进行分析,并对涂层做表面显微硬度测试和耐腐蚀性试验。结果表明:在优化的工艺参数下,喷射电沉积制备的镍涂层表面比较平整、结合较致密,由平均尺寸为13.7 nm的纳米晶颗粒组成,但涂层中仍存在一些孔隙及其它缺陷;经过激光重熔后,熔融区内的晶粒尺寸明显减小,涂层致密化程度有所提高并使涂层与基体由机械结合变为冶金结合,因此涂层的表面显微硬度和耐腐蚀性能得到明显的提高。     

一种复材自动铺放过程的铺层表面缺陷在线检测方法

介绍了一种复材自动铺放过程的铺层表面缺陷在线检测方法,该方法基于线激光轮廓扫描仪获取铺层表面的轮廓高度点云数据,利用RANSAC平面拟合算法和DBSCAN聚类算法对点云数据进行处理并编写了上位机软件,实现了铺层表面缺陷的自动在线检测,最后利用实际生产中出现的铺放缺陷对本文方法进行了试验验证。     

高性能金属零件激光增材制造技术研究进展

激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)技术实际上是一种兼顾精确成形和高性能成性一体化需求的先进制造技术.首先介绍了两种典型激光增材制造技术的成形原理及其特点;然后介绍国内外激光增材制造技术的最新研究进展;再重点介绍西安交通大学在激光增材制造技术方面的最新研究进展:(1)超声振动辅助激光熔覆沉积对IN718沉积态组织与性能的影响;(2)感应辅助激光熔覆沉积DD4定向晶修复DZ125L叶片的研究;(3)CuW功能梯度复合材料的激光熔覆沉积工艺研究;(4)送粉气纯度对激光熔覆Fe314修复40Cr组织与性能的影响;最后阐述了激光增材制造技术所面临的挑战.     

民用飞机增材制造结构的适航验证技术研究

本文针对金属增材制造技术应用在民机结构时,适航符合性验证技术研究不充分,安全认知不全面,缺乏统一的适航审查要求和符合性验证方法的问题,开展了民用飞机的金属增材制造结构适航符合性验证技术研究。根据民用飞机金属增材制造技术的特点和适用条款,分析了民用飞机金属增材制造结构的适航符合性验证要求,包括材料、工艺、材料强度性能的确定、特殊系数、零件设计、无损检测和制造数据等方面的要求,并针对每项适航符合性验证要求,研究了符合性验证技术和实施路线,给出了增材制造结构的适航符合性验证方法。以激光选区熔化成形进气道零件为例,给出了金属增材制造结构适航符合性验证具体实施方案。     

金属增材制造格栅零件磨粒流抛光

增材制造(AM)技术对成型复杂结构零件有显著优势,但以选区激光熔融技术为代表的金属增材制造技术固有的"粉末粘附"、"球化效应"所导致的毛糙表面,使零件难以满足使用要求。采用混合粒径磨料介质对增材制造铝合金格栅外表面及细小内孔进行一体化抛光试验研究。通过分析磨粒流加工过程各阶段的微观形貌和表面轮廓测量结果等来研究材料去除过程中零件表面形貌、材料去除和表面粗糙度变化。试验结果表明,磨粒流加工方法能够有效消除"球化效应"导致的零件表面的金属球团簇聚集现象,并能够对增材制造格栅零件外表面和内孔实现有效的抛光,格栅表面粗糙度从初始的14μm降至1.8μm。     

航空装备激光增材制造技术发展及路线图

激光增材制造支持结构设计创新、快速研制和验证，是当前航空装备领域最具代表性的增材制造方法，其中激光选区熔化主要应用于复杂精密功能结构的精确近净成形制造，激光直接沉积主要用于大尺寸复杂承载结构的制造。为支撑航空领域增材制造技术发展的战略布局，本文对激光增材制造现状和发展趋势进行梳理，指出增材制造发展重点必然会转向产品的冶金质量、力学性能及其稳定性控制方面，增材制造设备的在线监测、参数自整定控制等智能化功能的研究开发正成为设备的研发热点，基于损伤失效分析、寿命预测研究的增材制件力学行为研究以及基于元件、特征结构的性能考核验证技术，开始引起工程应用部门的关注。在对技术发展趋势分析的基础上，提出2035年航空领域激光增材制造技术发展目标和相应的政策和环境支撑、保障需求，并给出2035年技术发展路线图建议。     

高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题

简要介绍了高性能大型金属构件激光增材制造的技术特点、国内外研究进展及技术发展面临的挑战,分析了大型金属构件激光增材制造的"高性能材料制备"与"复杂结构直接制造"有机融合、"控形/控性"一体化的独特特征。指出高性能大型关键金属构件激光增材制造技术的发展和工程应用,将在很大程度上取决于人们对激光增材制造过程中对激光/金属交互作用行为及能量吸收利用机制、内部冶金缺陷形成机制及力学行为、移动熔池约束快速凝固行为及构件晶粒形态演化规律、非稳态循环固态相变行为及显微组织形成规律、内应力演化规律及构件变形开裂预防方法等材料基础问题的深入研究。     

基于增材制造的异种金属一体化成形关键问题

随着航空航天技术的发展关键部件性能需求逐渐提高,单一材料部件已经无法满足严苛服役条件下的性能需求,而异种金属材料的直接近净成形制备是航空航天、国防及军工等关键领域研究的重点方向。目前传统异种金属材料制备面临加工工艺与材料物性匹配问题、界面缺陷控制以及一体化成形困难等诸多瓶颈,利用增材制造技术制备异种金属部件成为材料成形及增材制造领域的重要发展方向。本文介绍了定向能量沉积、激光选区熔化和电子束熔化在异种金属增材制造中的研究现状,对粉末铺放工艺、高能束与粉层适配性、全互溶合金析出相控制、非互溶材料高能束连接问题及界面成分分布控制进行了梳理与总结,并提出了解决方法。最后,对异种金属增材制造在航空航天领域的未来发展方向进行了展望。     

复合材料紧固孔分层激光超声量化表征试验

提出解决飞机复合材料结构紧固孔分层检测问题的途径。基于激光超声技术,进行复合材料紧固孔分层的量化表征试验。制备碳纤维增强复合材料紧固孔试样,根据复合材料中激光超声的激发参量选取原则,利用材料受脉冲激光辐照作用产生的热弹效应激发超声波,提取表征紧固孔区域分层缺陷的超声信号;分析影响缺陷表征准确度的关键因素,发现脉冲激光光斑尺寸（直径1~5 mm）变化对紧固孔分层的表征不产生显著影响;基于穿透法和脉冲反射法进行激光超声C扫描检测,得到紧固孔区域分层缺陷的形状、尺寸和位置特征。研究结果表明,利用激光超声技术的非接触式激发、接收和高分辨力特点,可以准确测得紧固孔区域分层缺陷导致的波反射和衰减,有效表征飞机复合材料结构的紧固孔分层缺陷。     

电弧熔丝增材及局部塑性变形复合制造技术研究进展

电弧熔丝增材制造是一种适用于大型金属构件快速成形的技术,具有设备成本低、材料利用率高、沉积效率高、自动化水平高和灵活方便等优点,也存在组织性能不良等缺陷。塑性变形是一种改善电弧熔丝增材制造气孔缺陷、组织性能不均匀和残余应力分布的有效方法。由电弧熔丝增材与局部塑性变形结合的复合制造工艺利于实现零件的“控性”,但其复杂的路径规划、复合工具头、振动和压力等增加了形状精度控制难度。总结了层间冷轧、在线热轧、机械冲击、超声冲击、激光冲击等局部塑性变形工艺对电弧熔丝增材制造试件微观组织、残余应力、各向异性和表面质量的影响,分析了复合制造工艺的困境和问题。结合塑性变形对焊接组织的强化规律和电弧增材在线控制,从电弧熔丝增材及局部塑性变形复合制造的“形性双控”的角度展望了未来发展趋势,为电弧增材制备复杂件提供参考。     

CFRP夹层结构超声特征成像检测

采用便携式超声特征成像检测系统全波列采集检测信号,通过对缺陷特征信号的提取和重构,实现自动识别,可适用于曲面等不规则面的检测,定量精度达到0.1 mm。实验结果表明低频窄带超声换能器能够减小铜网对声波的衰减和畸变,超声特征成像层析成像方法可以对表面铜网结构CFRP泡沫夹层中分层、冲击和脱粘缺陷进行识别并精确定位和定量。检测方法快捷准确、重复性好、可靠性高。     

薄板焊缝中超声TOFD检测方法浅析

回顾了超声TOFD检测方法,分析了超声TOFD近表面盲区的形成原因和3种改善近表面检测盲区的方法,包括TOFDW、S-TOFD以及基于希尔伯特黄变换的缺陷信号处理方法,并进行了典型的检测试验分析。利用TOFDW方法,TOFD表面检测盲区可达2mm。     

电子束熔丝增材制造过程在线监测技术研究现状

综述了电子束熔丝增材制造过程在线监控的研究现状,集中讨论成形过程熔池形貌监测、成形过程温度场监测、流动场监测,着重介绍了对熔池形貌的在线监测,并展望了电子束熔丝增材制造过程在线监测未来可能的发展方向:(1)制造过程中电子、离子等信号的在线监测;(2)引入新的信号进行在线监测;(3)对每一层堆积体的质量和层高进行实时跟踪;(4)多信号协同在线监测。     

增材制造Ti–6Al–4V组织的演化与拉伸性能的差异

Ti–6Al–4V适用于多种增材制造技术,但是不同增材技术制造的Ti–6Al–4V组织演变形式不同。以沉积效率最低的选区激光熔化和沉积效率最高的电弧填丝增材制造技术为研究对象,总结了这两种工艺条件下Ti–6Al–4V微观组织的演变形式和拉伸性能的差异。选区激光熔化制造的Ti–6Al–4V组织以α'马氏体为主,使其延展性降低。电弧填丝增材技术制造的Ti–6Al–4V晶粒粗大、存在晶界α相,导致其强度较低。针对这些问题,提出了有效改善性能的方法,同时对这两种增材技术的发展和未来的研究趋势进行了预测。     

工艺参数对铝合金摩擦挤压增材组织及性能的影响

采用6061-T651铝合金圆棒进行摩擦挤压增材制造(friction extrusion additive manufacturing,FEAM)工艺实验研究,探讨和分析不同主轴转速对单道双层增材试样的增材成形、组织特征和力学性能的影响规律。结果表明:对给定横向移动速度300 mm/min,采用主轴转速为600 r/min和800 r/min均能获得完全致密无任何内部缺陷、厚度分别为2 mm和4 mm的单道双层增材试样,增材整体由细小等轴晶粒组成,增材层间实现冶金连接;800 r/min下工具轴肩的摩擦挤压作用降低,增材层间结合界面呈平直状,塑化金属流动不充分,沉积层宽度较窄、表面成形更粗糙;600 r/min下结合界面经历的塑性变形和热循环更为显著,晶粒细化至6.0μm,但增材界面区软化程度较严重,硬度仅为增材棒料母材的52.7%~56.2%,而800 r/min下界面区的硬度能够达到母材的56.0%~61.3%;在600 r/min和800 r/min下,增材试样均具有优良的综合力学性能,抗拉强度分别达到增材棒料母材6061-T651的66%和70%,而断后伸长率明显较高,分别为母材的212%和169%;与目前其他增材工艺力学性能比较均具有明显的优势。