合金钢失效分析与质量控制检测要点

合金钢失效分析与质量控制检测要点

肖春明

泰田集团有限公司

摘要：无损检测技术是合金钢构件激光增材制造的重要技术支撑，是保证激光增材制造产品质量和在役安全性的关键技术，是贯穿产品全寿命安全保证的重要技术组成。金属激光增材制造合金钢件成形、组织和力学性能不同于传统技术制造构件性能，使得无损检测技术面临诸多挑战。综述了激光增材制造合金钢成形质量特性，包括成形缺陷和力学性能；基于无损检测技术，论述了无损检测技术在激光增材制造合金钢件质量评价中的应用，重点论述了无损检测技术在激光增材制造构件缺陷和力学性能中的应用现状；提出了基于超声和微磁检测技术评价材料力学性能的原理、标定方法和微磁传感器设计方案；最后总结了无损检测评价技术在激光增材制造合金钢件检测评价应用中面临的挑战和发展趋势。

关键词： 合金钢； 无损检测； 缺陷； 力学性能；

引言

近年来，激光增材制造成形技术发展迅猛，成形材料种类不断增多，成形精度不断提高，成形结构日趋复杂。金属构件激光增材制造成形技术作为增材制造成形技术体系中最前沿的技术，是智能制造领域的重要发展方向之一，在航空航天、汽车船舶、医疗器械等领域应用广泛，具有很大的发展潜力。在激光增材制造合金钢构件成形过程中,合金钢构件的缺陷控制、力学性能和成形质量好坏直接影响构件后续在役时的运行安全和使用寿命，关键结构的缺陷损伤检测和力学性能评价对激光增材制造合金钢构件控形、控性具有重要意义。

1 激光增材制造合金钢构件成形质量特性

激光增材制造合金钢构件制造工艺区别于传统制造工艺，其是兼精确成形(控形)和高 性能成形(控性)需求的一体化制造技术，激光增材制造合金钢件成形缺陷以及由于组织的各向异性引起构件力学性能的差异性具有其自身的特性。

1.1 成形缺陷

(1) 激光增材制造过程属于快速冷却非平衡凝固过程，材料物性和温度不均匀性极强，可能 产生残余应力，导致成形构件变形、翘曲甚至开裂，最终影响构件服役期间疲劳、耐腐蚀、静力学等性能；(2) 熔池流动性差致使熔池内部杂质气泡不能及时逸出，导致构件内部产生夹杂和气孔等缺陷，无法达到构件服役质量要求；(3) 激光增材制造成形过程中激光能量密度高，容易造成合金元素的烧蚀以及元素偏析，从而使构件物相不均匀或脆性相的产生， 导致构件产生裂纹；(4) 激光增材制造热影响区力学性能退化，热循环会引起材料微观组织发生变化，影响晶粒尺寸及均匀性，析出相的种类、大小及分布、元素晶界的偏析程度，最终导致构件的硬度、强度、塑性以及疲劳等力学性能，影响构件服役安全。

1.2 力学性能

以激光立体成形技术为例， 激光增材制造技术是利用 CAD 生成的三维实体模型，利用分层软件分层，每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，激光束扫描粉体材料，打印出指定形状的薄层，层层累积形成实体零件。 由此可知，在激光扫描方向、层堆积方向以及单道搭接方向，由于成形构件组织的各向异性，导致三个方向力学性能指标大小各异， 采用无损检测方法评价激光增材制造合金钢构件力学性能时，这就需要从上述三个方向对激光增材制造合金钢构件的力学性能分别进行评价与表征，相对于机械力学性能测试方法，无损检测手段具有无损、快速、无需制作标准试样等特点。

2 激光增材制造合金钢件无损检测评价

激光增材制造金属构件的无损检测评价目前主要集中在对其成形缺陷和应力进行检测， 对于激光增材制造金属构件的组织和材料力学性能包括弹性模量、硬度、屈服强度、拉伸 强度、延伸率和冲击韧性主要依靠机械的试验方法进行， 采用无损检测的方法对激光增材制造金属构件的组织、 成分和材料力学性能的评价研究甚少。 回顾目前国内外激光增材金属构件无损检测应用研究，对于激光 增材制造金属构件缺陷和应力的无损检测方法主要集中在超声和电磁的方法，还有少量的其他检测与评价方法。

2.1 超声检测

超声检测是利用超声波的透射、反射、衍射等特性，通过采集超声波在被测构件中的传播波形、回波、声速、衰减、以及频谱特性的变化来判定构件内部是否存在缺陷或者连续等。 常规超声检测已经广泛应用于金属构件内部及表面缺陷的检测，但是常规超声对于激光增材制造金属构件的检测存在较大困难，一方面是由激光增材制造金属构件组织性能决定，堆积

层界面及晶粒对超声波存在严重的散射信号，影响缺陷的判别；另一方面从超声波可达性角度讲，对于复杂结构的激光增材制造金属构件，常规超声检测技术对特殊部位的缺陷无法检测，存在漏检情况。

2.2 电磁检测

电磁检测方法可以对构件表面近表面缺陷和应力状态进行检测和评价，与超声检测方法相同，采用常规电磁检测方法对激光增材制造金属构件表面近表面缺陷和应力检测比较困难， 原因在于激光增材制造金属构件组织各向异性，这就对检测结果参量产生影响，如何采用磁巴克豪森噪声、增量磁导率、切向磁场强度、 磁滞检测技术以及金属磁记忆等电磁检测方法评价激光增材制造金属构件缺陷及应力是目前无损检测领域研究的难点和热点问题。

2.3 其他无损检测技术

激光增材制造金属构件缺陷和应力检测除了采用超声和电磁检测方法外，其他无损检测 方法也有较少的实际应用。 中国航发西安航空发动机有限公司李泽采用微焦点工业CT对激光增材制造涡轮叶片进行成像检测，能够分辨出100μm 孔洞类缺陷。目前针对激光增材制造合金钢构件无损检测评价主要集中在缺陷和应力评价方面，评价手段主要集中在少数几种无损检测技术，现在急需采用多种无损检测方法，诸如非线性超声检测技术、微磁检测技术、磁滞检测技术对激光增材制造合金钢构件微裂纹缺陷和强度、硬度、疲劳寿命等力学性能指标进行定量评价与表征。

3 力学性能评价方法

对于金属构件的力学性能测试，通常采取机械破坏的方法获得，在线测试金属构件的力学性能非常困难，这就需要一种快速、无损的检 测方式来实现金属构件力学性能检测与表征。对于采用无损检测的方法评价材料力学性能，针对每一种材料要综合考虑上述影响因素建立标定实验，进行曲线拟合，得到材料力学性能与无损检测参量的非线性映射模型， 在控制检测允许误差的情况下，实现对材料力学性能的无损检测评价与表征。上述方式针对的材料均是各向同性的均质材料，对于激光增材制造金属构件的力学性能无损检测评价与表征，目前还没有相关报道和文献，原因在于激光增材制造金属构件属于各向异性材质，沿激光扫描方向、 熔覆层堆积方向以及熔覆层搭接方向其力学性能不同，同时堆积层界面对无损检测信号存在干扰，堆积层内部晶粒尺寸各异，这就对采用无损检测方法评价激光增材制造金属构件的力学性能提出了难度和挑战。文中针对激光增材制造金属构件力学性能的评价与表征， 提出采取高精度的超声检测检测方法和微磁检测方法，建立不同热处理制度下的材料微观组织-材料宏观力学性能参量—超声、电磁无损检测参数之间的映射关系，实现对激光增材制造金属构件材料力学性能的无损检测评价与表征。

4 结束语

采用无损检测评价激光增材制造合金钢构件的缺陷和力学性能在国内外研究较少，可以 借鉴的方法有限，面临众多挑战，同时也迎来难得的发展机遇，激光增材制造合金钢构件控形控性无损检测评价与表征已经成为本领域的研究重点和热点。

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