CN112683933B - 一种增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，属于增材制造多层结构无损检测技术领域，解决了现有技术中增材制造多层结构随射线检测系统设备参数及材料种类的变化射线检测系统灵敏度发生变化；无法可靠地对该种结构进行检测和质量评价的问题。本发明的增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，包括：制作样块的复合材料层、毛毡层和铝合金层；制作含有不同尺寸、深度缺陷的多套增材样块；通过射线检测和金相解剖对样块进行挑选，得比对标准样块；射线扫描；成像分析得到检测图像，分析检测图像确定增材制造多层结构检测射线灵敏度。实现了增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定。

Description

一种增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法

技术领域

本发明涉及增材制造多层结构无损检测技术领域，尤其涉及一种增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，设计和制造的自由度较大。在金属材料增材制造技术中，以激光束、电子束为热源的粉末增材制造技术发展最为迅速，在航空装备及飞行器中得到了越来越多的应用。随着航空装备及飞行器使用环境的日益苛刻，对增材制造材料的内部质量提出了更高的要求。在实际生产及应用中主要采用超声检测、射线检测等方法对增材制造多层结构的熔化缺陷进行无损检测，然而在实际中由于射线检测参数影响及多层结构限制，需要确定增材制造多层结构的射线检测灵敏度，从而更加可靠地对增材制造多层结构产品进行检测和质量评价。

射线检测灵敏度对比试块的几何形状常能代表要检测试件的形状，且参考对比试块的射线衰减特性与待检测试件的射线衰减特性最好相近。而目前射线检测灵敏度的测定主要采用孔型、丝型等类型像质计，像质计只适合贴放在待测产品的外表面对产品进行射线检测灵敏度的评价。然而，增材制造多层结构中内层结构多为封闭式，内腔无法放置像质计，采用表面贴放像质计的方法很难对这种多层结构的内层材料的射线检测灵敏度进行有效评价，因此需要建立能够评价增材制造多层结构内层结构缺陷的射线检测方法，确定射线检测的灵敏度。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，用以解决现有增材制造多层结构中内层结构多为封闭式，无法采用表面贴放像质计的方法对多层结构检测射线灵敏度进行有效测定和评价的问题。

本发明提供一种增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，包括：

步骤1.在多层结构产品增材制造过程中，在多层结构产品内层上设置预制缺陷，制作多套增材样块，每套增材样块中的所有增材样块的预制缺陷均不完全相同；

步骤2.采用CT透射成像多套增材样块，预制缺陷参数相同的增材样块中，确定成像尺寸最接近的两块增材样块，然后对其中一块进行金相解剖，预置缺陷尺寸和金相解剖所测实际尺寸符合时，将另一块增材样块作为比对标准样块；

步骤3.利用射线进行比对标准样块扫描；

步骤4.经成像分析得到检测图像，分析检测图像确定增材制造多层结构射线检测的灵敏度。

进一步地，所述步骤1中的采用增材制造的方法设置预制缺陷。

进一步地，所述步骤1中，多层结构产品内层为材料的2-7层中的任一层。

进一步地，所述步骤1中，每套增材样块中增材样块的数量为多个，在增材制造过程中每个增材样块的预制缺陷设置在相同的多层结构产品内层，每套增材样块中的所有增材样块的预制缺陷的参数不完全相同。

进一步地，所述步骤1中，每个增材样块均为多层空腔交替出现的多层结构，每个增材样块的材料、腔体壁厚、内壁间隔层与层之间的间隔、零件整体尺寸均相同。

进一步地，预制缺陷的参数不完全相同指预制缺陷的深度、形状和尺寸至少有一项参数不同。

进一步地，所述步骤2中，选择三套以上样块中预制缺陷完全相同的所有增材样块为一组，形成与一套增材样块中增材样块数量一致的数组，每组增材样块进行CT透射成像比对，挑选每组样块中，CT透射成像尺寸最接近的两块增材样块。

进一步地，所述步骤2中，将挑选出的CT透射成像尺寸接近的两块增材样块中的一块进行金相解剖；

对预置缺陷的实际尺寸进行测量；

验证增材时预置缺陷尺寸与增材金相解剖后所测实际尺寸的符合性；若尺寸符合，则两块中的另外一块用作比对标准样块，若尺寸不符合，则再制作相同规格尺寸的多块增材样块，并进行CT透射成像和金相解剖，直至尺寸验证符合，得到比对标准样块；

将所有比对标准样块集合得到一套比对标准增材样块，作为增材制造多层结构射线检测的比对标准样块。

进一步地，所述步骤3中，射线照射检测增材样块层面，采集回波信号得到检测数据，通过处理得到射线检测波形图。

进一步地，所述步骤4中，分析检测图像确定可检测到的最小缺陷尺寸，即为增材制造多层结构射线检测的灵敏度。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明以预制缺陷的增材样块作为基准，通过对不同尺寸预制缺陷的增材样块进行测定，以此标定射线检测的检测灵敏度，实现了对增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定。

(2)为防止预制尺寸的增材样块的尺寸和深度数据存在误差对射线灵敏度测定造成影响，本发明制备多套不同尺寸的增材样块，先通过CT透射成像对增材样块进行初步筛选，再通过金相解剖法对预置缺陷的实际尺寸进行测量，验证增材时预置缺陷尺寸与增材金相解剖后所测实际尺寸的符合性，对尺寸符合性差的样块进行重新制作，以此确保得到一套尺寸精确的系列比对标准样块。

(3)本发明的比对标准样块通过CT透射成像和金相解剖法实物测量确保标准样块的缺陷尺寸和深度的精确，采用仪器测量和实际测量相结合的方式，确保了比对标准样块尺寸的精确，避免了因比对标准样块不准确造成射线灵敏度测量精确度的不准确，影响射线灵敏度测定的准确性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明增材制造多层空腔交替出现的多层结构试块示意图；

图2为实施例一方形预制缺陷的增材制造多层结构射线检测成像图；

图3为实施例一圆形预制缺陷的增材制造多层结构射线检测成像图。

附图标记：

1-多层结构试块第一层；2-多层结构试块第二层；3-多层结构试块第三层；4-多层结构试块第四层；5多层结构试块第五层；6-多层结构试块第六层；7多层结构试块第七层。

具体实施方式

增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定需要使用比对标准样块，比对标准样块存在各种深度和规格的不同，使用射线对比对标准样块进行检测，通过寻找射线测试能够有效检测的样品的最低值，该最低值即为射线检测的灵敏度。不同于其他射线检测灵敏度的测定，增材制造多层结构使用的比对标准样块必须通过增材制造多层结构进行制备。通过上述分析，制备具有不同规格尺寸缺陷的热增材层的比对标准样块非常重要。

需要制备具有不同规格尺寸预制缺陷热增材层的比对标准样块，制备增材制造多层结构的比对标准样块还需要考虑制备过程中制备的样品本身的尺寸的精确程度。为了确保制备的比对标准样块的预制缺陷深度和尺寸的精确，先对三套以上增材样块中深度、形状和尺寸完全相同的多个增材样块的CT透射成像比对，挑选缺陷波幅和成像尺寸最接近的两块增材样块。将缺陷波幅和成像尺寸最接近的两块增材样块中的一块进行金相解剖，对预置缺陷的实际尺寸进行测量，验证增材时预置缺陷尺寸与增材金相解剖后所测实际尺寸的符合性。若缺陷尺寸符合，则两块中的另外一块用作比对标准样块。若尺寸不符合，则再制作三块以上相同规格尺寸的工艺样块，并进行射线检测和金相解剖，直至尺寸验证符合，得到比对标准样块。通过上述的CT透射成像和金相解剖，得到深度、形状和尺寸至少有一项不同的比对增材样块，从而组成一套增材制造多层结构射线检测比对标准样块。

本发明提供的一种增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，包括：

步骤1.使用增材制造方法制造一套具有多层结构的增材样块，一套增材样块中增材样块的数量为多个，在每个增材样块增材制造过程中，在如图1所示的多层结构产品内层的2-7层中的任一层上设置预制缺陷，预制缺陷采用增材制造的方法设置。在增材制造过程中，每个增材样块的预制缺陷设置在相同的多层结构产品内层，每套增材样块中的所有增材样块的预制缺陷的参数不完全相同。每套增材样块的参数均相同(如所用材料、腔体壁厚、层与层之间的间隔、零件整体尺寸均相同)。其中，预制缺陷的参数不完全相同指预制缺陷的深度、形状和尺寸至少有一项参数不同；

步骤2.重复步骤1，制作两套以上增材样块；

步骤3.对步骤1和步骤2所得多套增材样块采用CT方法进行透射成像；

步骤4.将步骤1和步骤2所得的增材样块中预制缺陷完全相同的所有增材样块为一组，形成与一套增材样块中增材样块数量一致的数组，每组增材样块进行CT透射成像比对，挑选每组样块中，CT透射成像尺寸最接近的两块增材样块；

步骤5.将挑选出的CT透射成像尺寸接近的两块增材样块中的一块进行金相解剖，对预置缺陷的实际尺寸进行测量，验证增材时预置缺陷尺寸与增材金相解剖后所测实际尺寸的符合性。若预置缺陷尺寸与增材金相解剖后所测实际尺寸符合，则两块中的另外一块用作比对标准样块。若预置缺陷尺寸与增材金相解剖后所测实际尺寸不符合，则再制作多块相同规格尺寸的工艺样块，并进行CT透射成像和金相解剖，直至尺寸验证符合，得到比对标准样块；将所有比对标准样块集合得到一套比对标准增材样块，作为增材制造多层结构射线检测的比对标准样块；

步骤6.采用射线检测的方法，通过调整射线设备的检测参数，使用射线对比对标准样块进行射线检测，通过处理得到射线检测图像；

步骤7.经过成像分析得到检测图像，分析检测图像确定可以检出的增材制造多层结构缺陷为可检测到的最小缺陷尺寸，即为增材制造多层结构射线检测的灵敏度。

需要说明的是，在步骤1中，不同的增材样块在增材制造过程中，内层分别设置深度不同、形状和尺寸不同的缺陷，这些增材样块将在筛选后成为比对标准样块。因此，作为比对标准样块深度变化应当呈梯度变化，同时深度越大深度梯度变化越大。从检测准确性上分析，每个深度的差越小越好，但同时考虑到深度差过小会造成试样数量的增加，过多的样块制备将给灵敏度的测定造成步骤更加繁多，工艺更加复杂。同样作为比对标准样块深度变化应当呈梯度变化，同时深度越大深度梯度变化越大。从检测准确性上分析，每个尺寸的差越小越好，但同时考虑到尺寸差过小会造成试样数量的增加，也将给灵敏度的测定造成步骤更加繁多，工艺更加复杂。

缺陷的形状包括平面和曲面，在增材制造多层结构时预先设置的缺陷形状包括方形和圆形，以此涵盖平面和曲面缺陷。

在步骤1中使用增材制造的方法预置缺陷。在增材制造工艺中大部分缺陷在增材制造中由于材料气化形成残留气泡所致，考虑到样品制作的方便，在增材制造材料过程中直接使用增材制造法预置缺陷。

在步骤5中，验证增材时预置缺陷尺寸与增材金相解剖后所测实际尺寸的符合性。增材时预置缺陷的面积为S1，增材金相解剖后所测缺陷面积为S2，则对符合性δ的计算方法为：

若δ≥5％或δ≤-5％，则符合性不合格，需要重新制造样块，再进行挑选金相解剖和比对。若-5％<δ<5％，则符合性合格，未金相解剖的样品可以作为比对标准样品。

通过步骤4中CT透射成像对多套样块中预制缺陷深度、形状和尺寸相同的样块进行射线成像比对，通过CT透射成像尺寸对预制缺陷规格相同的三个增材样块进行比对，挑选出CT透射成像尺寸接近的两块增材样块，将预制缺陷规格相同的三块增材样块中，CT透射成像尺寸差距较大的增材样块丢弃。再通过步骤5的金相解剖法将样块实际金相解剖后对缺陷实际尺寸进行测量，符合性合格的用作比对标准样块，符合性不合格的重复前述步骤进行制作，并继续采用CT透射成像并用金相解剖法进行符合性测试，最终选出符合性合格的增材样块作为比对标准样块。由此得到一整套预制缺陷尺寸准确的系列比对标准样块。以此对射线灵敏度进行测定，所测试结果准确、可靠。

具体的，步骤6中，检测参数分别为焦距0.8m至1.2m，探测器距离为0至100mm；曝光量为10mA·min至30mA·min。

曝光量是影响检测效果的重要因素，曝光量过小，则产生射线能量不足，可能造成检测不充分，导致细小缺陷无法进行检测，影响检测的准确性，因此曝光量不能低于10mA·min。但曝光量过大，会造成因过分曝光而无法有效检测。

探测器距离也是检测中的重要参数，探测器距离越远，检测范围越广，但同时检测射线可能造成无法穿透内层中深层缺陷，造成无法有效检测，因此探测器距离不大于100mm。

需要说明的是，本发明试块材料选用钛合金、铝合金、高温合金，树脂、塑料；内腔结构可以为规则曲面或不规则曲面；内腔可为封闭式、半封闭式；内层材料与外层材料相同或不同。

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本发明的一个具体实施例，公开了一种增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法。

具体操作步骤如下：

步骤1.使用Ti60材料，用增材制造方法制造一套具有多层结构的增材样块52块，每个增材样块腔体壁厚为3mm，层与层之间的间隔为20mm，样块整体尺寸为72mm，其中32块，在增材制造过程通过增材制造的方法预留有长度分别为0.2mm、0.5mm、1mm、2mm，宽度分别为0.2mm、0.5mm，深度分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.5mm的方形预制缺陷，如表1所示：

表1方形预制缺陷的尺寸

另外的20块，在增材制造过程中用增材制造的方法预留有直径分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm，深度分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.5mm、1mm的圆形预制缺陷，如表2所示：

表2圆形预制缺陷的尺寸

所有的整套52块增材样块的均在内层第三层设置预制缺陷；

步骤2.重复步骤1，再制作两套增材样块；

步骤3.对步骤1和步骤2所得三套增材样块(156块)采用CT方法进行透射成像；

步骤4.将步骤1和步骤2所得的三套增材样块中预制缺陷完全相同的3块增材样块为一组，共计52组，每组增材样块进行CT透射成像比对，挑选每组样块中，CT透射成像尺寸最接近的两块增材样块；

步骤5.将挑选出的CT透射成像尺寸接近的两块增材样块中的一块进行金相解剖，对预置缺陷的实际尺寸进行测量，验证增材时预置缺陷尺寸与增材金相解剖后所测实际尺寸的符合性。若预置缺陷尺寸与增材金相解剖后所测实际尺寸符合，则两块中的另外一块用作比对标准样块。若预置缺陷尺寸与增材金相解剖后所测实际尺寸不符合，则再制作多块相同规格尺寸的工艺样块，并进行CT透射成像和金相解剖，直至尺寸验证符合，得到比对标准样块；将所有比对标准样块集合得到一套比对标准增材样块，作为增材制造多层结构射线检测的比对标准样块；

步骤6.采用射线照射扫描采样、频域波形分析、建模成像的方法，通过调整射线设备的检测参数，设定焦距1m，探测器距离为50mm；曝光量为20mA·min。使用射线对比对标准样块照射扫描，采集回波信号得到检测数据，通过处理得到射线检测波形图；

步骤7.经过成像分析得到检测图像，如图2和图3所示，图2所示检测图像左上、右上、左下、右下顺序依次为长×宽×深尺寸为1mm×0.2mm×0.3mm、1mm×0.2mm×0.5mm、0.5mm×0.2mm×0.3mm、0.5mm×0.2mm×0.5mm的缺陷成像；图3所示检测图像左上、右上、左下、右下顺序依次为直径×深度尺寸为0.5mm×0.5mm、0.3mm×0.5mm、0.5mm×0.3mm、0.3mm×0.3mm的缺陷成像。

分析检测图像确定可以检出的增材制造多层结构缺陷为可检测到的最小缺陷尺寸即方形最小缺陷尺寸为长×宽×深度0.5mm×0.2mm×0.3mm，圆形最小缺陷尺寸为直径×深度0.3mm×0.3mm，即为增材制造多层结构射线检测的灵敏度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，其特征在于，包括：

步骤1.在多层结构产品增材制造过程中，在多层结构产品内层上设置预制缺陷，制作多套增材样块，每套增材样块中的所有增材样块的预制缺陷均不完全相同；

每套增材样块中增材样块的数量为多个，在增材制造过程中每个增材样块的预制缺陷设置在相同的多层结构产品内层，每套增材样块中的所有增材样块的预制缺陷的参数不完全相同；

不同的增材样块在增材制造过程中，内层分别设置深度不同、形状和尺寸不同的缺陷，深度变化呈梯度变化，深度越大深度梯度变化越大；

每套增材样块的参数均相同；

步骤2.采用CT透射成像多套增材样块，预制缺陷参数相同的增材样块中，确定成像尺寸最接近的两块增材样块，然后对其中一块进行金相解剖，预置缺陷尺寸和金相解剖所测实际尺寸符合时，将另一块增材样块作为比对标准样块；

步骤3.利用射线进行比对标准样块扫描；

步骤4.经成像分析得到检测图像，分析检测图像确定增材制造多层结构射线检测的灵敏度。

2.根据权利要求1所述增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤1中的采用增材制造的方法设置预制缺陷。

3.根据权利要求1所述增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤1中，多层结构产品内层为材料的2-7层中的任一层。

4.根据权利要求1所述增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤1中，每个增材样块均为多层空腔交替出现的多层结构，每个增材样块的材料、腔体壁厚、层与层之间的间隔、零件整体尺寸均相同。

5.根据权利要求1所述增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，其特征在于，预制缺陷的参数不完全相同指预制缺陷的深度、形状和尺寸至少有一项参数不同。

6.根据权利要求1所述增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤2中，选择三套以上增材样块中预制缺陷完全相同的所有增材样块为一组，形成与一套增材样块中增材样块数量一致的数组，每组增材样块进行CT透射成像比对，挑选每组增材样块中，CT透射成像尺寸最接近的两块增材样块。

7.根据权利要求6所述增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤2中，将挑选出的CT透射成像尺寸接近的两块增材样块中的一块进行金相解剖；

对预置缺陷的实际尺寸进行测量；

验证增材时预置缺陷尺寸与增材金相解剖后所测实际尺寸的符合性；若尺寸符合，则两块中的另外一块用作比对标准样块，若尺寸不符合，则再制作相同规格尺寸的多块增材样块，并进行CT透射成像和金相解剖，直至尺寸验证符合，得到比对标准样块；

将所有比对标准样块集合得到一套比对标准增材样块，作为增材制造多层结构射线检测的比对标准样块。

8.根据权利要求1所述增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤3中，射线照射检测增材样块层面，采集回波信号得到检测数据，通过处理得到射线检测波形图。

9.根据权利要求1所述增材制造多层结构检测射线灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤4中，分析检测图像确定可检测到的最小缺陷尺寸，即为增材制造多层结构射线检测的灵敏度。

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