CN113959798A - 一种激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法，该激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样包括薄板、方形内部流道、螺旋线形内部流道、流道多余物、残余粉末、线型缺陷、孔型缺陷、对比灵敏度试块、楔型试块，薄板沿厚度方向中间部位设计有宽度不同、高度相同的方形和螺旋线形内部流道，方形和螺旋线形内部流道内均设计有不同的形状和尺寸大小的流道多余物和残余粉末，薄板表面设计有对比灵敏度试块、楔型试块、线型缺陷以及不同孔径和孔深的孔型缺陷。本发明提出的对比试样结构简单，可以作为多种典型缺陷的射线检测对比试样，同时可以评价射线检测系统和方法的检出能力和检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于增材制造无损检测范围，具体为一种激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是基于离散/堆积原理，以合金粉末或丝材为原材料，采用高能激光束逐点或逐层堆积材料的方法制造金属制件，被誉为将引领“第三次工业革命”的关键技术之一。与传统减材制造方法相比，金属增材制造尤其适合复杂结构自由设计、复杂零件一体化成形，增材制造技术是目前航空航天研究热点之一。
由于激光-金属交互作用下的非平衡相变及组织演化机理、分层沉积过程中非均匀、多尺度、快速热-组织-应力耦合机制极为复杂，导致热/内应力、内部缺陷控制难，增材制造制件的质量无法保障。尤其是激光选区熔化增材制造复杂结构件，往往含内部流道，容易产生孔隙、未熔粉末颗粒、裂纹、熔合不良等内部缺陷，同时复杂内部流道成形后容易出现多余物和残余粉末等。
射线检测是增材制件内部缺陷及多余物检测的主要手段，但常规X射线检测方法检测内部流道残余粉末时，其检出能力与工件厚度、形状、材料及残余粉末尺寸、方向性有关。工件越厚，材料密度越大，残余粉末尺寸越小，残余粉末越难被检出。目前增材制造正在走向成熟，与其他技术一样，需要一个标准的精度测试试样来提供可追溯性。Waller.J在2015年NASA报告“Qualification of products fabricated via additivemanufacturing using nondestructive evaluation(2015)”中提出了一种对比试块设计方法，在方形试块上设计了若干未熔合和气孔缺陷。美国宇航局与格伦研究中心(GRC)和马歇尔太空飞行中心(MSFC)的研究人员在NASA报告中提出直接金属激光烧结成型技术制备的薄板状试样、立体试样，内部含孔洞、裂纹等缺陷。国内研究人员设计了一种射线检测对比试样，设计了多个不同尺寸的孔、线槽模拟孔型缺陷和线型缺陷。中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司(CN202010319683)提出了一种预制熔合不良缺陷的增材制造方法。
目前对于增材制造技术质量控制问题的研究还不够深入，在增材制造质量检测上缺乏成熟的检测技术，缺少相应的缺陷标准图谱，普遍缺乏无损检测实施方法，相关检测标准正在制定中，急需设计增材制造缺陷对比试样来鉴定射线检测系统检出能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有复杂内部流道结构的金属增材制造典型缺陷对比试样设计与加工方法，以便用于提供射线检测可追溯性和检出能力验证，旨在解决：复杂内部流道结构残余粉末对比试样设计；复杂内部流道结构多余物对比试样设计；孔型缺陷射线检测检出能力对比试样设计；线型缺陷射线检测检出能力对比试样设计；射线检测对比灵敏度试样设计。
本发明的技术方案是：
一种激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法，其特征在于：所述激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样包括薄板、方形内部流道、螺旋线形内部流道、流道多余物、残余粉末、线型缺陷、孔型缺陷、对比灵敏度试块、楔型试块，所述薄板沿厚度方向中间部位设计有宽度不同、高度相同的方形内部流道和螺旋线形内部流道，所述方形内部流道和所述螺旋线形内部流道内均设计有不同的形状和尺寸大小的流道多余物和残余粉末，所述薄板表面设计有对比灵敏度试块、楔型试块、线型缺陷以及不同孔径和孔深的孔型缺陷；
所述激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样的加工方法，包括以下步骤：
S1、沿薄板对比试样厚度方向中间部位设计一个高度与截面宽度相同的螺旋线形内部流道和宽度不同、高度相同的四个方形内部流道，在两种内部流道中设计多个半球形、球形、立方体形的流道多余物，由于设计了复杂的内部流道结构，粉末清理不干净，增材制造成形后内部流道将产生残余粉末缺陷；
S2、在薄板表面设计4个不同深度的平底方孔即对比灵敏度试块，平底方孔采用直接增材制造或机械加工方法制造；
S3、在薄板表面设计一个楔形试块；
S4、在薄板表面设计不同孔径和孔深的孔型缺陷，孔型缺陷采用直接增材制造或机械加工方法制造；
S5、在薄板表面设计N对线对，共2N个线型缺陷，每个线对均采用沟槽结构，N对线对的线槽长度相同，深度相同，线槽宽度不同，线型缺陷采用直接增材制造或机械加工方法制造。
优选的，所述薄板长度、宽度均为200mm，厚度为5mm。
优选的，四个所述方形内部流道高度均为1mm，截面宽度分别为1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm，螺旋线形内部流道高度与截面宽度均为1.0mm；所述半球形、球形流道多余物直径分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm，所述立方体形多余物边长分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm。
优选的，四个所述平底方孔的边长均为10mm，深度分别为0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm，表征的对比灵敏度分别为1％、2％、3％、4％。
优选的，所述楔形试块倾斜角度为10°，楔形槽最大深度为5mm。
优选的，所述不同孔径和孔深的孔型缺陷包括三列孔，每列包含九种孔径，每种孔径水平方向包含三组不同深度的孔，每组三个孔，共计八十一个孔型缺陷，每一列从下往上孔径分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm，每一列孔的孔径相同，每一组孔的孔深从左到右分别为0.1mm、0.2mm、0.4mm。
优选的，每组包含三个直径相同呈倒三角形排列的圆孔，倒三角形高度为3mm，水平方向孔间距为10mm，垂直方向每组孔之间间距为7mm。
优选的，所述薄板表面设计九对线对，共十八个线型缺陷，九对所述线对的线槽宽度分别0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.35mm、0.40mm、0.45mm，线槽长度均为25mm，线槽深度均为0.5mm。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明设计了内部流道模型，含复杂结构内部流道多余物，增材制造完成后内部流道含残余粉末，缺陷射线检测同时显示了检测灵敏度指标。
附图说明
图1为本发明的激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样的结构设计示意图；
图2为本发明的内部流道多余物设计示意图；
图3为本发明的孔型缺陷设计示意图；
图4为本发明的对比灵敏度试块设计示意图；
图5为本发明的楔形试块设计示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明。
本发明所述的一种激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法，如图1所示，所述激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样包括薄板1、方形内部流道2-5、螺旋线形内部流道6、流道多余物7、残余粉末、线型缺陷8、孔型缺陷9、对比灵敏度试块10、楔型试块11，所述薄板1沿厚度方向中间部位设计有宽度不同、高度相同的方形内部流道2-5和螺旋线形内部流道6，所述方形内部流道2-5和所述螺旋线形内部流道6内均设计有不同的形状和尺寸大小的流道多余物7和残余粉末(增材制造过程产生)，所述薄板1表面设计有对比灵敏度试块10、楔型试块11、线型缺陷8以及不同孔径和孔深的孔型缺陷9；
所述激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样的加工方法，包括以下步骤：
S1、沿薄板对比试样厚度方向中间部位设计一个高度与截面宽度相同的螺旋线形内部流道和宽度不同、高度相同的四个方形内部流道，在两种内部流道中设计多个半球形、球形、立方体形的流道多余物，由于设计了复杂的内部流道结构，粉末清理不干净，增材制造成形后内部流道将产生残余粉末缺陷；
S2、在薄板表面设计4个不同深度的平底方孔即对比灵敏度试块，平底方孔采用直接增材制造或机械加工方法制造；
S3、在薄板表面设计一个楔形试块；
S4、在薄板表面设计不同孔径和孔深的孔型缺陷，孔型缺陷采用直接增材制造或机械加工方法制造；
S5、在薄板表面设计N对线对，共2N个线型缺陷，每个线对均采用沟槽结构，N对线对的线槽长度相同，深度相同，线槽宽度不同，线型缺陷采用直接增材制造或机械加工方法制造。
薄板1内部设计了方形内部流道2-5和螺旋线形内部流道6，方形内部流道2设计高度为1mm，截面宽度为1mm；方形内部流道3设计高度为1mm，截面宽度为1.2mm；方形内部流道4设计高度为1mm，截面宽度为1.4mm；方形内部流道5设计高度为1mm，截面宽度为1.6mm；螺旋线形内部流道6设计高度为1.0mm，截面宽度为1.0mm。
如图2所示，方形内部流道2-5和螺旋线形内部流道6中设计了多个半球形、球形、立方体形的流道多余物7，其中半球形、球形流道多余物7直径分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm，立方体形流道多余物7边长分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm；由于内部流道结构复杂，增材制造过程中金属粉末清理困难，增材制件成形后内部流道将产生不同程度的残余粉末缺陷。
线型缺陷8采用直接增材制造或机械加工方法制造，采用沟槽结构设计九对线对，共十八个线型缺陷8，九个线对的线槽长度均为25mm，深度均为0.5mm，线槽宽度分别为0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.35mm、0.40mm、0.45mm，表面光洁度不低于Ra0.8。
如图3所示，孔型缺陷9采用直接增材制造或机械加工方法制造，共三列孔，每列包含九种孔径，每种孔径水平方向包含三组不同深度的孔，每组三个孔，共计八十一个孔型缺陷；每一列从下往上孔径分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm，从左到右设计了三组孔，每组孔深分别为0.1mm、0.2mm、0.4mm，每一组含三个相同孔径和孔深的孔，三个孔成倒三角形分布，水平方向孔间距为10mm，倒三角形高度为3mm，垂直方向每组孔之间间距为7mm，孔型缺陷9采用直接增材制造或机械加工方法制造。
如图4所示，对比灵敏度试块10采用直接增材制造或机械加工方法制造四个平底方孔，四个平底方孔边长均为10mm，深度分别为0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm，可表征的对比灵敏度分别1％、2％、3％、4％，表面光洁度不低于Ra0.8。
如图5所示，楔形试块11采用直接增材制造或机械加工方法制造，倾斜角度为10°，最大槽深为5mm，表面光洁度不低于Ra0.8。
在射线检测工作前，利用激光选区熔化增材制造内部复杂流道制件对比试样对检测系统进行测试，确定不同缺陷类型能够检出的尺寸，以此评价射线检测系统的检测灵敏度。
本发明实施例提供的激光选区熔化增材制造内部流道缺陷对比试样射线检测方法包括以下步骤：
(1)、将激光选区熔化增材制造内部流道缺陷对比试样紧贴胶片或探测器放置，或采用射线放大成像方法。
(2)、使用合适的射线检测透照工艺参数，对缺陷对比试样进行透照，要求射线照相检测底片影像黑度、灵敏度等指标满足标准要求；使用数字射线检测图像结果的灵敏度、归一化信噪比、不清晰度等指标满足标准要求。
(3)、根据检测图像识别缺陷并判断缺陷类型，缺陷类型包括流道多余物、残余粉末、孔型缺陷以及线型缺陷等，可以根据检测结果确定射线检测系统对不同缺陷类型的检测效果。
(4)、根据检测图像结果中对比灵敏度试块、楔形试块的检测结果可以确定射线检测系统对金属增材制件的检测灵敏度指标。
(5)、可在对比试样下放置不同厚度同中材料垫板，改变垫板厚度，可满足不同检测灵敏度的测试要求。
不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法，其特征在于：所述激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样包括薄板、方形内部流道、螺旋线形内部流道、流道多余物、残余粉末、线型缺陷、孔型缺陷、对比灵敏度试块、楔型试块，所述薄板沿厚度方向中间部位设计有宽度不同、高度相同的方形内部流道和螺旋线形内部流道，所述方形内部流道和所述螺旋线形内部流道内均设计有不同的形状和尺寸大小的流道多余物和残余粉末，所述薄板表面设计有对比灵敏度试块、楔型试块、线型缺陷以及不同孔径和孔深的孔型缺陷；
所述激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样的加工方法，包括以下步骤：
S1、沿薄板对比试样厚度方向中间部位设计一个高度与截面宽度相同的螺旋线形内部流道和宽度不同、高度相同的四个方形内部流道，在两种内部流道中设计多个半球形、球形、立方体形的流道多余物，由于设计了复杂的内部流道结构，粉末清理不干净，增材制造成形后内部流道将产生残余粉末缺陷；
S2、在薄板表面设计4个不同深度的平底方孔即对比灵敏度试块，平底方孔采用直接增材制造或机械加工方法制造；
S3、在薄板表面设计一个楔形试块；
S4、在薄板表面设计不同孔径和孔深的孔型缺陷，孔型缺陷采用直接增材制造或机械加工方法制造；
S5、在薄板表面设计N对线对，共2N个线型缺陷，每个线对均采用沟槽结构，N对线对的线槽长度相同，深度相同，线槽宽度不同，线型缺陷采用直接增材制造或机械加工方法制造。
2.根据权利要求1所述的激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法，其特征在于，所述薄板长度、宽度均为200mm，厚度为5mm。
3.根据权利要求1所述的激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法，其特征在于，四个所述方形内部流道高度均为1mm，截面宽度分别为1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm，螺旋线形内部流道高度与截面宽度均为1.0mm；所述半球形、球形流道多余物直径分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm，所述立方体形多余物边长分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm。
4.根据权利要求1所述的激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法，其特征在于，四个所述平底方孔的边长均为10mm，深度分别为0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm，表征的对比灵敏度分别为1％、2％、3％、4％。
5.根据权利要求1所述的激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法，其特征在于，所述楔形试块倾斜角度为10°，楔形槽最大深度为5mm。
6.根据权利要求1所述的激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法，其特征在于，所述不同孔径和孔深的孔型缺陷包括三列孔，每列包含九种孔径，每种孔径水平方向包含三组不同深度的孔，每组三个孔，共计八十一个孔型缺陷，每一列从下往上孔径分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm，每一列孔的孔径相同，每一组孔的孔深从左到右分别为0.1mm、0.2mm、0.4mm。
7.根据权利要求6所述的激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法，其特征在于，每组包含三个直径相同呈倒三角形排列的圆孔，倒三角形高度为3mm，水平方向孔间距为10mm，垂直方向每组孔之间间距为7mm。
8.根据权利要求1所述的激光选区熔化增材制造内部流道缺陷射线检测对比试样设计与加工方法，其特征在于，所述薄板表面设计九对线对，共十八个线型缺陷，九对所述线对的线槽宽度分别为0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.35mm、0.40mm、0.45mm，线槽长度均为25mm，线槽深度均为0.5mm。
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-
2021
- 2021-08-26 CN CN202110985567.9A patent/CN113959798A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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