Comparison of ultrasonic transverse and longitudinal wave porosity detection in additive manufacturing of AlSi10Mg
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摘要: 随着增材制造在各个领域更为广泛和深入应用，越来越多的增材制造产品需要快速、无损的质量检测.孔隙率作为决定增材制造产品力学性能的重要指标，其检测更是重中之重. 通过调整激光功率、扫描速度改变体积能量密度，得到不同孔隙率的AlSi10Mg试样.分别采用超声横波、纵波对各试样进行检测，得到对应声速与衰减系数.结果表明，横、纵波声速均与孔隙率成反比关系，衰减系数与孔隙率均成正比关系.使用声速对孔隙率进行表征时，纵波声速绝对值变化更大，所以精度更佳.又由于纵波声速相较横波声速所对应的剪切模量变化更大，所以线性程度比横波提高22%；而使用衰减系数对孔隙率表征时，由于同频率横波波长更短，对极化方向更敏感，所以横波精度优于纵波，线性程度相较纵波提高13%.Abstract: With more extensive and in-depth application of additive manufacturing in various fields, non-destructive inspection are in growing needs in additive products for its fast and high quality inspection. Porosity is an important factor determining the mechanical properties of the additive products, so it is very important to characterize it during the inspection process. In this paper, the laser power and scanning speed are adjusted to change the volume energy density, and the AlSi10Mg specimens with different porosities are obtained. The ultrasonic transverse and longitudinal waves were used to test the specimens, and the corresponding sound velocity and attenuation coefficient were obtained. The results show that the transverse and longitudinal sound speeds are inversely proportional to the porosity size, and the attenuation coefficients are directly proportional to the porosity size. When using sound velocity to characterize the porosity, the absolute value of longitudinal sound velocity is more variable, so the accuracy is better. Because the shear modulus of longitudinal sound velocity changes more than that of transverse sound velocity, the linearity is 22% higher than that of transverse sound velocity. When the attenuation coefficient is used to characterize the porosity, the accuracy of transverse wave is better than that of longitudinal wave because transverse wave of the same frequency is shorter in wavelength, and is more sensitive to the direction of polarization, so the linearity is 13% higher than that of the longitudinal wave.
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0. 序言
选区激光熔化(selective laser melting, SLM)作为一种增材制造技术，广泛应用于高自由度、高复杂性、高定制化的航空航天[1-2]、医疗器械[3-4]、模具制造[5-6]等领域.增材制造过程中不可避免会产生孔隙，而孔隙率和孔隙体积大小对于产品的拉伸、疲劳等力学性能起着决定性影响[7]，也是检测产品质量最重要的指标.孔隙率会很大程度上影响试样的声学性质，是超声对于体积型缺陷敏感的根本原因.通过接收超声波在待测试样中传播所产生的缺陷反射、衍射回波，并对声学信息进行数据处理，可以实现缺陷的定位、定性和定量检测.目前，对于增材制造孔隙率检测主要有4种方法，分别为基于相对密度的阿基米德法、基于切割横截面的2D成像法、基于X射线的计算机断层扫描(CT)法和基于声速、衰减系数等参量的超声无损检测方法.
超声检测以其易于便携、穿透深度高、检测无损伤、使用成本低等特点，成为表征材料内部结构最常用的方法[8-9]. Cerniglia等人[10]提出激光超声在线检测技术，研究发现，建立的数值模型可以有效地检测激光熔化沉积铬/镍/铁合金样品中表面附近直径小于0.1 mm的微缺陷和深达0.8 mm的较大缺陷，并通过无缺陷样品对其准确性进行了验证.Javadi等人[11]通过相控阵超声技术，对自动焊接沉积过程中人为制造的缺陷进行连续监测，结果表明，成功验证了缺陷的位置，且实现了高温工作环境下沉积缺陷与无缺陷部位的实时准确区分.Honarvar等人[12]回顾了超声孔隙率检测方法及其原理，结合各超声参量和软件分析，结果表明，可以得到与孔隙率相关的时域图和2D，3D图像，对结合多种无损检测方法产品的健康监测进行了展望.
现有超声实际检测中，由于横波与材料的作用机制不同，需要通过横向振动超声探头或借助特殊的转换晶体才能够产生. 因此，激发横波比激发纵波更困难. 横波较短的波长导致遇到细小缺陷时会产生大量反射和衍射，使信号弱化失真难以采集，所以几乎没有学者使用超声横波检测增材制造金属产品的孔隙率，也未与常用的纵波进行检测方面的对比. 由于增材制造铝合金材料相比铸造拥有更好的性能[13]，因此，文中采用选区激光熔化技术，通过改变扫描速度、激光功率对体积能量密度进行调整，得到不同孔隙率的AlSi10Mg样品.使用不同频率的纵波和横波超声探头获得不同孔隙率试样的声速和衰减系数.建立起体积能量密度、试样孔隙率与各超声参量之间的关系(试样孔隙率由显微超声获得). 最后详细分析对比横、纵波超声检测在不同情况下的各自的优势与劣势.现有纵波检测方法受制于增材制造试样孔隙的复杂性和纵波波长等物理特性.检测精度仍然较低，需要以更优化的算法或建立深度学习模型等方式处理数据，提高精度和线性程度.希望通过结合横波与纵波在孔隙率检测上各自的优势，降低后期数据处理难度，提高检测效率.
1. 试验方法
1.1 试验材料
采用SLM在不同工艺条件下制备不同孔隙率的AlSi10Mg试样，设备为易加三维的EP-M260型金属3D打印机.AlSi10Mg粉末粒径为15 ~ 53 μm.2006年，Simchi[14]提出激光体积能量密度描述工艺参数对样品成形质量及性能影响的关系式，现已被国内外学者广泛采用.QV代表SLM 过程中材料单位体积的平均输入能量，即体积能量密度.
$$ {Q_{{\rm{V}}}} = \frac{P}{{{v_{\rm{s}}}h{t_{\text{s}}}}} $$ (1) 式中：P为激光功率；vs为扫描速度；h为扫描间距；ts为金属粉末层厚.
体积能量密度作为增材制造最重要的加工参数，与试样孔隙率生成机制密切相关[2-3].文中采用345，370，395 W 3种不同激光功率，通过调整扫描速度，使得体积能量密度以10 J/mm3为梯度，从33 J/mm3到73 J/mm3依次增加. 扫描间距h和金属粉末层厚ts分别设定为0.12 μm和30 μm. 图1为扫描策略，初始角度为15°层层递加10°达到75°，之后从75°层层递减10°达到15°，依次重复.样品尺寸为50 mm × 30 mm × 12 mm.在不同加工工艺下制造的16组选区激光熔化样品，如图2所示.样品编号为1，2，3 ~ 16组(第16组样品作为验证，工艺与第8组样品相同).改变的SLM加工参数见表1.
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图 2 不同体积能量密度下AlSi10Mg样品Figure 2. AlSi10Mg samples at different volume energy densities表 1 增材制造工艺参数Table 1. Additive manufacturing process parameters试样编号 激光功率
P/W扫描速度
v/(mm·s−1)体积能量密度
QV/(J·mm−3)1 345 1936 33 2 345 1486 43 3 345 1205 53 4 345 1014 63 5 345 875 73 6 370 2076 33 7 370 1593 43 8 370 1300 53 9 370 1088 63 10 370 939 73 11 395 2217 33 12 395 1707 43 13 395 1385 53 14 395 1167 63 15 395 1002 73 1.2 孔隙率检测
为了获得SLM样品中的真实孔隙率，使用传统的广林达-GRD-CS3型扫描声学显微镜，在浸水模式下进行超声扫描.GRD-CS3扫描声学显微镜平面空间分辨率为50 μm，扫描探头频率为15 MHz，扫描速度为300 mm/s，扫描宽度为100 mm，扫描高度为60 mm.通过在超声C扫图像中使用2D图像分析软件NDTS进行二值化处理，可以将试样孔隙率确定为内部标红的多孔面积与试样总面积的比值.为了增强超声测量结果的可信度，采用硬质合金密度仪进行阿基米德排水法对各试样致密度进行检测.
$$ \rho_{\mathrm{r}}=\frac{\dfrac{W_{ {空 }} \rho_{水}}{W_{ {空 }}-W_{水}-W_{ {线 }}}} {\rho_0} \times 100 \%$$ (2) 式中：
$ {\rho _{\text{r}}} $ 为相对致密度；$ {\rho _0} $ 为理论致密度；${\rho _{水}}$ 为水的密度；${W_{空}}$ 为试样在空气中的重力；${W_{水}}$ 为试样在水中的重力；${W_{线}}$ 为悬挂试样细线的重力.1.3 超声检测
超声无损检测原理是通过一定方式激励出某种类型的超声波，超声波与待测试样相互作用过程中会产生折射、反射、透射等现象.超声波声学信息中包含多种物理量，由于不同介质的不同组织结构，不同超声波在不同固体介质中传播时的相关物理量也不尽相同.通过提取不同试样中超声有效参量就可以对孔隙率进行表征.超声横波、纵波都可以在固体介质中传播，若介质尺寸远大于波长，则可以视介质为无限大.
在无限大介质中，纵波的声速为
$$ {V_{\text{L}}} = \sqrt {\frac{E}{\rho }} \sqrt {\frac{{1 - \sigma }}{{\left( {1 + \sigma } \right)\left( {1 - 2\sigma } \right)}}} $$ (3) 在无限大介质中，横波的声速为
$$ {V_{\text{S}}} = \sqrt {\frac{G}{\rho }} $$ (4) 式中：E为介质的杨氏弹性模量；G为介质的剪切弹性模量；
$\rho $ 为介质的密度；$\sigma $ 为介质的泊松比.超声波在固体介质中传播时，其声能会随着传播距离的增加而产生衰减.产生衰减的原因有3种，第1种是由于超声波与介质界面相互作用时自身声束的发散产生的扩散衰减[15]；第2种是由于受到位错阻尼、磁畴阻尼、热弹阻尼等影响造成的吸收衰减[16]；第3种是由于晶界、裂纹、第二相、孔隙、夹杂等造成的散射衰减.衰减系数一般来说主要由吸收衰减αα与散射衰减αb共同组成，其中散射衰减占主导地位[17].
$$ {\alpha _{\text{α}} } = {c_1}f $$ (5) $$ \alpha_{\rm{b}}= \begin{cases}c_2 F d^3 f^4, & d< \lambda\\ c_3 F d f^2 ,& d \approx \lambda \\ c_4 F / d, & d> \lambda\end{cases} $$ (6) 式中：f为超声波频率；d为晶粒直径；λ为超声波波长；F为各项异性系数；c1，c2，c3，c4为常数.
通常可以利用脉冲回波反射法来测定其衰减系数，通过读取第m次回波与第n次回波，带入公式，就可以获得其衰减系数.衰减系数计算公式为
$$ \alpha = \frac{{20{\text{lg}}\left( {\dfrac{{{A_m}}}{{{A_n}}}} \right) - \delta }}{{2\left( {n - m} \right)x}} $$ (7) 式中：Am，An为第 m 次和第n次后壁回波的振幅；δ为反射损失，每一次反射的损失值取0.5 ~ 1 dB；x为待测试样的厚度.
文中基于压电超声换能器的脉冲回波方法对声速和衰减系数进行测量.采用单脉冲正弦波信号，该信号能量高、频域窄、谐波信号采集更好，非线性成分引入少.试验装置包括Olympus 5072PR型脉冲发生器/接收器，其使用频率广，且在优化的宽带激励电压下(特别是15 ~ 30 MHz)，具有产生时域恢复效果的优点，一般配置为35 MHz(−3 dB)时检测较为理想. SIGLENT SDS2074X Plus型示波器通过USB端口采集回波信号的数字信息(采样间隔为5 ns，存储长度为100000 pts)，并将其传输至计算机，用于后续的信号处理和特征提取工作.由于试样较厚，纵波测试选用2.5Z14N型2.5 MHz低频压电换能器和5Z14N型5 MHz低频压电换能器.横波测试选用Doppler SN5P6型5 MHz压电换能器.压电换能器通过硅油与试样耦合，并通过压力装置恒压固定.图3为超声装置与检测位置示意图.
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图 3 超声装置与检测位置示意图Figure 3. Schematic diagram of the ultrasonic device and detection position换能器发射的超声信号在厚度为x的材料中传播，采集第6次回波信号，此时行进距离为12x.回波信号中横波、纵波声时计算声速为
$$ V = \frac{{2x}}{{{t_{}}}} $$ (8) 式中：V为声速；t为横、纵波声时.
超声波衰减系数忽略反射损失δ，其计算公式为
$$ \alpha = \frac{{20{\text{lg}}\left( {\dfrac{{{A_m}}}{{{A_n}}}} \right)}}{{2\left( {n - m} \right)x}} $$ (9) 实际进行超声检测时，由于超声波信号固有的频散、多模态的特点，不免会引入噪声对接收信号产生影响.同时由于采集到的数字数据和示波器的显示精度有限，还存在外界信号对测量干扰等问题，采集到的超声信号不免会引入一定程度的噪声.为了尽量减小误差，首先，采用小波降噪输出高信噪比的降噪信号，有效降低回波信号的杂波；其次在每个试样的5个不同位置收集10组信号取平均值，如图3中的右侧所示.其中声速采用互相关算法计算，利用回波信号的整体信息，具有较强的抗噪能力，可以稳定准确地计算出声速.衰减系数采用最值法读取计算.
2. 试验结果与分析
2.1 孔隙率
在3种不同激光功率345，370，395 W下，试样的孔隙率变化规律几乎一致，如图4所示，可以说明体积能量密度是孔隙率大小的决定性因素.当体积能量密度为53 J/mm3时，孔隙率极低，均在0.3%以下.当体积能量密度偏离53 J/mm3，即体积能量密度为43 J/mm3和63 J/mm3时，孔隙率开始逐渐增加.相较43 J/mm3的能量输入，体积能量密度为63 J/mm3时，孔隙率的增加幅度明显更大.当体积能量密度太大(73 J/mm3)或太小(33 J/mm3)时，孔隙率迅速增加，且体积能量密度过大带来的孔隙率增大趋势更为显著.在体积能量密度为73 J/mm3时孔隙率最大达到15.45%.体积能量密度为33 J/mm3时，最大单个孔隙面积达到0.16%.3种激光功率与孔隙率关系如图5所示.
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图 4 不同体积能量密度试样显微超声图像Figure 4. Microscopic ultrasound images of specimens with different volume energy densities![]()
图 5 3种激光功率下体积能量密度与孔隙率关系Figure 5. Energy density versus porosity at three laser powers. (a) 345 W; (b) 370 W; (c) 395 W3种激光功率下，最大孔隙率均在体积能量密度为73 J/mm3时出现，主要原因是扫描速度的降低使得熔池中输入能量过高，造成粉末烧蚀重融，干扰铺粉质量，导致气体溶解度增加，形成众多过烧孔隙[18].单个最大孔隙均在体积能量密度为33 J/mm3时出现，主要原因是激光扫描速度的急剧增加导致输入熔池的能量减少，一方面，只有位于扫描路径中心的粉末得到充分熔化，周围未熔粉末在熔池边缘搭接处形成未熔合孔隙；另一方面，熔深的降低导致层间结合紧密度降低，同样造成大体积未熔合孔隙出现[19].
采用硬质合金密度仪进行排水法测试，仪器如图6所示.每个试样重复测试5次取平均值(AlSi10Mg的理论密度为2.68 g/cm3，水的理论密度为1 g/cm3)，测试结果如表2所示. 相较超声扫描所测孔隙率，采用排水法时每次测试误差较大，但总体趋势一致，所以采用超声扫描更为准确，也证明了超声扫描检测孔隙率是可靠的.
表 2 排水法与超声扫描孔隙率数据对比Table 2. Comparison of porosity data from drainage method and from ultrasonic scan试样编号 孔隙率φ(%) 排水法 超声扫描 1 5.86 5.27 2 0.33 0.09 3 0.49 0.12 4 6.54 5.77 5 15.67 15.45 6 7.71 6.97 7 0.64 0.5 8 0.39 0.16 9 2.99 2.73 10 10.14 9.93 11 6.05 5.58 12 0.98 0.85 13 0.34 0.27 14 1.84 1.56 15 14.93 14.42 2.2 声速与衰减系数
表3为各试样检测得到的声速与衰减系数. 需要注意的是，由于每个样品声速在5个位置共10次独立测量计算中得出的误差绝大部分小于0.2%，小于测量的标记尺寸；衰减系数绝对值较小导致同个试样5个位置相比误差较大，但平均值变化较为规律，故图表中未绘制与标记误差.3种不同激光功率试样检测得到的声速和衰减系数拟合优度如表4所示.
表 3 2.5 MHz纵波和5 MHz纵波、横波的声速与衰减系数Table 3. Sound velocity and attenuation coefficients of 2.5 MHz longitudinal wave and 5 MHz longitudinal wave, transverse wave激光
功率P/W体积能量密度
QV/(J·mm−3)试样
编号孔隙率
φ(%)2.5 MHz
纵波声速
VL/(m·s−1)2.5 MHz
纵波衰减系数
αL/(dB·mm−1)5 MHz
纵波声速
VL/(m·s−1)5 MHz
纵波衰减系数
αL/(dB·mm−1)5 MHz
横波声速
VS/(m·s−1)5 MHz
横波衰减系数
αS/(dB·mm−1)345 33 1 5.27 6 324.29 0.049 776 195 6 330.46 0.053 036 164 3239.29 0.202 074 581 43 2 0.09 6 381.00 0.029 240 008 6 345.49 0.034 238 231 3293.01 0.154 700 118 53 3 0.12 6 396.20 0.022 574 055 6 358.34 0.032 837 497 3311.03 0.155 682 368 63 4 5.77 6 325.28 0.037 216 855 6 330.83 0.046 598 099 3265.25 0.198 577 517 73 5 15.45 6 236.40 0.071 554 081 6 259.85 0.078 041 393 3184.24 0.292 398 494 370 33 6 6.97 6 286.55 0.060 941 607 6 275.22 0.072 220 331 3219.39 0.164 013 634 43 7 0.5 6 334.46 0.051 201 379 6 329.22 0.054 968 915 3240.99 0.109 146 431 53 8 0.16 6 338.23 0.049 036 687 6 347.62 0.055 778 072 3242.69 0.107 973 898 63 9 2.73 6 315.65 0.057 988 245 6 307.39 0.064 762 298 3225.49 0.135 846 893 73 10 9.93 6 273.83 0.071 332 259 6 248.35 0.088 635 582 3191.51 0.194 167 173 395 33 11 5.58 6 332.33 0.047 669 728 6 290.89 0.053 704 654 3256.09 0.149 474 507 43 12 0.85 6 359.45 0.038 608 989 6 329.96 0.040 345 026 3276.17 0.078 271 362 53 13 0.27 6 371.39 0.036 710 131 6 341.35 0.038 587 316 3292.19 0.056 573 002 63 14 1.56 6 353.08 0.045 824 802 6 314.89 0.049 587 282 3 269.92 0.098 829 717 73 15 14.42 6287.04 0.078 378 682 6 212.74 0.082 415 785 3 225.56 0.316 490 175 表 4 2.5 MHz纵波和5 MHz纵波、横波各组拟合优度Table 4. Goodness of fit for each group of 2.5 MHz longitudinal wave and 5 MHz longitudinal wave, transverse wave试样编号 2.5 MHz
纵波声速2.5 MHz
纵波衰减系数5 MHz
纵波声速5 MHz
纵波衰减系数5 MHz
横波声速5 MHz
横波衰减系数1组 ~ 5组(345 W) 0.984 9 0.997 4 0.967 8 0.999 8 0.995 3 0.999 7 6组 ~ 10组(370 W) 0.999 3 0.992 0 0.986 9 0.993 6 0.999 4 0.998 3 11组 ~ 15组(395 W) 0.975 9 0.988 0 0.977 0 0.990 9 0.982 2 0.998 8 2.2.1 声速
3种不同激光功率试样均采用2.5 MHz纵波、5 MHz纵波和5 MHz横波探头进行检测.检测结果发现，声速最大值均在体积能量密度为53 J/mm3时，即孔隙率最小时出现；声速最小值均在体积能量密度为73 J/mm3时，即孔隙率最大时出现.纵波、横波声速都与对应孔隙率成明显反比关系，随着孔隙率的增加声速不断降低，这是孔隙率增大导致试样有效弹性模量减小所造成的.图7为5 MHz纵波声速与孔隙率关系(由于2.5 MHz 纵波、5 MHz 纵波、横波3组试样变化规律一致，故文中只提供一组结果).如表3所示，激光功率345 W时，孔隙率从体积能量密度为53 J/mm3时的0.12%增加至73 J/mm3时的15.45%，声速的降幅达到最大.2.5 MHz纵波声速平均值由6 396 m/s降低至6 236 m/s，最大速度差为160 m/s；5 MHz纵波声速平均值由6 358 m/s降低至6 259 m/s，最大速度差101 m/s；横波声速平均值由3 311 m/s降低至3 184 m/s，最大速度差为127 m/s.
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图 7 不同激光功率下5 MHz纵波声速与孔隙率的关系Figure 7. 5 MHz longitudinal sound velocity versus porosity at different laser power. (a) 345 W; (b) 370 W; (c) 395 W超声波速度已被证明与低于5 MHz的传播频率无关[8]，文中试验2.5 MHz纵波声速平均值与5 MHz纵波声速平均值差值均小于1%，与文献[8]结论相符. 从表3中两种纵波在3种激光功率下的拟合优度可以发现，2.5 MHz纵波在单组试样中的表现略优于5 MHz纵波. 若忽略激光功率差异，整体计算1 ~ 15组拟合程度，如图8所示，5 MHz纵波声速线性程度反而优于5 MHz横波. 从纵波与横波声速对比发现，横波声速约为纵波一半，且纵波与横波相比声速绝对值变化幅度更大，整体来看纵波声速与孔隙率之间有着更为线性的拟合关系.
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图 8 1 ~ 15组声速与孔隙率线性关系Figure 8. From group 1 to group 15 linear relationship between sound velocity and porosity2.2.2 衰减系数
由图9可知，与声速相反，3种不同激光功率试样超声衰减系数与孔隙率均成正比关系，随着孔隙率增加衰减系数同样增大. 通过式(9)计算衰减系数(忽略反射损失δ)，激光功率为345 W时，5 MHz纵波衰减系数由第3组试样的0.033增加至第5组试样的0.078，差值为0.045，其对应孔隙率由0.12%增长至15.45%，此时横波衰减系数从0.16增长至0.29，差值为0.13，横波远大于纵波的衰减系数变化值.还可以发现激光功率为370，395 W时，5 MHz横波衰减系数约为5 MHz纵波衰减系数2倍；当激光功率降低至345 W时，横波衰减系数最高可达到纵波衰减系数5倍. 这种现象可能是由于较低的激光功率造成孔隙形貌和大小发生较大改变而导致[9].
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图 9 不同激光功率下，5 MHz横波衰减系数与孔隙率关系Figure 9. 5 MHz transverse wave attenuation coefficient versus porosity at different laser power. (a) 345 W; (b) 370 W; (c) 395 W1 ~ 15组试样5 MHz纵波衰减系数与2.5 MHz纵波相比略微增大，整体线性程度也略有提高. 如图10所示，横波衰减系数线性程度明显优于纵波.
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图 10 1 ~ 15组衰减系数与孔隙率线性关系Figure 10. Linear relationship between attenuation coefficient and porosity from group1 to group152.3 横波和纵波的对比分析
2.3.1 2.5 MHz纵波与5 MHz纵波
从所有测量结果中，5 MHz纵波与2.5 MHz纵波相比声速几乎不变，衰减系数略微升高，分组拟合优度略低，整体线性程度更高.分析发现，5 MHz纵波频率更高、波长更短，根据式(5)和式(6)可知，5 MHz纵波衰减系数更大，与试验结果相符.由于5 MHz纵波波长为2.5 MHz纵波一半，自然对孔隙分辨率更高，同时验证了5 MHz纵波整体线性程度优于2.5 MHz纵波，更适用于孔隙率检测.
2.3.2 5 MHz纵波与5 MHz横波
通过观察图8可以发现，5 MHz纵波声速绝对值变化量、整体线性程度都明显优于5 MHz横波，这意味着若采用声速对孔隙率进行表征，纵波比横波能更敏感识别孔隙且预测效果更好.据公式(3)，(4)可知，纵波声速变化可视为试样弹性模量变化，横波声速变化可视为试样剪切模量变化.虽然已有学者[20]通过多孔材料模型研究孔隙率与杨氏模量间的相关关系，但由于增材制造产品孔隙形貌复杂，包含小型球形气孔、过烧凹坑和大体积未熔合缺陷等诸多孔隙，且分布随机.因此，与理想化模型差距较大.已有研究证明增材制造产品孔隙率对图1中z轴方向力学性能影响大于y轴方向[21]，其杨氏模量变化率也高于剪切模量，一定程度上解释了纵波声速在进行孔隙率检测时优于横波.此外，有学者通过有限元分析和等轴拉伸压缩试验对比研究简单剪切及纯剪切情况下，横波、纵波声速变化情况[19]，发现横波声速只取决于微观结构纹理演变，而纵波声速对点缺陷变化十分敏感，可能也是该现象发生的原因之一.
与声速相反，5 MHz横波衰减系数绝对值变化量、整体线性程度都明显优于5MHz纵波.同频率横波波长是纵波的一半导致横波衰减系数绝对值变化更大，对孔隙率变化更为敏感，线性程度也更好.由于纵波振动方向平行于传播方向，而横波振动方向垂直于传播方向，横向运动对极化方向敏感[22]，横波在评估增材制造产品各向异性方面有着巨大的优势[23]. 因此，另一种可能的解释是由于横波对于增材制造特殊层状结构的剪切和相互作用，所以纵波线性程度更好.
3. 结论
(1)在3种不同激光功率下，通过调节体积能量密度制备15组不同孔隙率的AlSi10Mg试样.体积能量密度以相等梯度增大时，显著地造成孔隙率上升.体积能量密度为53 J/mm3时，试样的孔隙率均小于0.3%；在体积能量密度为73 J/mm3时，出现最大孔隙率；在体积能量密度为33 J/mm3时，出现最大单个孔隙面积.
(2)使用声速表征孔隙率时，纵波相较横波对孔隙率变化更敏感，线性程度更好.横、纵波声速均与孔隙率成反比关系，声速随着孔隙率的增加而减小；使用衰减系数表征孔隙率时，横波较纵波更敏感，线性程度更好.横、纵波衰减系数均与孔隙率成正比关系，衰减系数随着孔隙率的增加而增加
(3) 5 MHz纵波在使用声速和衰减系数对孔隙率进行表征时效果均优于2.5 MHz纵波.
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图 2 不同体积能量密度下AlSi10Mg样品
Figure 2. AlSi10Mg samples at different volume energy densities
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图 3 超声装置与检测位置示意图
Figure 3. Schematic diagram of the ultrasonic device and detection position
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图 4 不同体积能量密度试样显微超声图像
Figure 4. Microscopic ultrasound images of specimens with different volume energy densities
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图 5 3种激光功率下体积能量密度与孔隙率关系
Figure 5. Energy density versus porosity at three laser powers. (a) 345 W; (b) 370 W; (c) 395 W
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图 7 不同激光功率下5 MHz纵波声速与孔隙率的关系
Figure 7. 5 MHz longitudinal sound velocity versus porosity at different laser power. (a) 345 W; (b) 370 W; (c) 395 W
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图 8 1 ~ 15组声速与孔隙率线性关系
Figure 8. From group 1 to group 15 linear relationship between sound velocity and porosity
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图 9 不同激光功率下，5 MHz横波衰减系数与孔隙率关系
Figure 9. 5 MHz transverse wave attenuation coefficient versus porosity at different laser power. (a) 345 W; (b) 370 W; (c) 395 W
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图 10 1 ~ 15组衰减系数与孔隙率线性关系
Figure 10. Linear relationship between attenuation coefficient and porosity from group1 to group15
表 1 增材制造工艺参数
Table 1 Additive manufacturing process parameters
试样编号 激光功率
P/W扫描速度
v/(mm·s−1)体积能量密度
QV/(J·mm−3)1 345 1936 33 2 345 1486 43 3 345 1205 53 4 345 1014 63 5 345 875 73 6 370 2076 33 7 370 1593 43 8 370 1300 53 9 370 1088 63 10 370 939 73 11 395 2217 33 12 395 1707 43 13 395 1385 53 14 395 1167 63 15 395 1002 73 
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表 2 排水法与超声扫描孔隙率数据对比
Table 2 Comparison of porosity data from drainage method and from ultrasonic scan
试样编号 孔隙率φ(%) 排水法 超声扫描 1 5.86 5.27 2 0.33 0.09 3 0.49 0.12 4 6.54 5.77 5 15.67 15.45 6 7.71 6.97 7 0.64 0.5 8 0.39 0.16 9 2.99 2.73 10 10.14 9.93 11 6.05 5.58 12 0.98 0.85 13 0.34 0.27 14 1.84 1.56 15 14.93 14.42
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表 3 2.5 MHz纵波和5 MHz纵波、横波的声速与衰减系数
Table 3 Sound velocity and attenuation coefficients of 2.5 MHz longitudinal wave and 5 MHz longitudinal wave, transverse wave
激光
功率P/W体积能量密度
QV/(J·mm−3)试样
编号孔隙率
φ(%)2.5 MHz
纵波声速
VL/(m·s−1)2.5 MHz
纵波衰减系数
αL/(dB·mm−1)5 MHz
纵波声速
VL/(m·s−1)5 MHz
纵波衰减系数
αL/(dB·mm−1)5 MHz
横波声速
VS/(m·s−1)5 MHz
横波衰减系数
αS/(dB·mm−1)345 33 1 5.27 6 324.29 0.049 776 195 6 330.46 0.053 036 164 3239.29 0.202 074 581 43 2 0.09 6 381.00 0.029 240 008 6 345.49 0.034 238 231 3293.01 0.154 700 118 53 3 0.12 6 396.20 0.022 574 055 6 358.34 0.032 837 497 3311.03 0.155 682 368 63 4 5.77 6 325.28 0.037 216 855 6 330.83 0.046 598 099 3265.25 0.198 577 517 73 5 15.45 6 236.40 0.071 554 081 6 259.85 0.078 041 393 3184.24 0.292 398 494 370 33 6 6.97 6 286.55 0.060 941 607 6 275.22 0.072 220 331 3219.39 0.164 013 634 43 7 0.5 6 334.46 0.051 201 379 6 329.22 0.054 968 915 3240.99 0.109 146 431 53 8 0.16 6 338.23 0.049 036 687 6 347.62 0.055 778 072 3242.69 0.107 973 898 63 9 2.73 6 315.65 0.057 988 245 6 307.39 0.064 762 298 3225.49 0.135 846 893 73 10 9.93 6 273.83 0.071 332 259 6 248.35 0.088 635 582 3191.51 0.194 167 173 395 33 11 5.58 6 332.33 0.047 669 728 6 290.89 0.053 704 654 3256.09 0.149 474 507 43 12 0.85 6 359.45 0.038 608 989 6 329.96 0.040 345 026 3276.17 0.078 271 362 53 13 0.27 6 371.39 0.036 710 131 6 341.35 0.038 587 316 3292.19 0.056 573 002 63 14 1.56 6 353.08 0.045 824 802 6 314.89 0.049 587 282 3 269.92 0.098 829 717 73 15 14.42 6287.04 0.078 378 682 6 212.74 0.082 415 785 3 225.56 0.316 490 175
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表 4 2.5 MHz纵波和5 MHz纵波、横波各组拟合优度
Table 4 Goodness of fit for each group of 2.5 MHz longitudinal wave and 5 MHz longitudinal wave, transverse wave
试样编号 2.5 MHz
纵波声速2.5 MHz
纵波衰减系数5 MHz
纵波声速5 MHz
纵波衰减系数5 MHz
横波声速5 MHz
横波衰减系数1组 ~ 5组(345 W) 0.984 9 0.997 4 0.967 8 0.999 8 0.995 3 0.999 7 6组 ~ 10组(370 W) 0.999 3 0.992 0 0.986 9 0.993 6 0.999 4 0.998 3 11组 ~ 15组(395 W) 0.975 9 0.988 0 0.977 0 0.990 9 0.982 2 0.998 8
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[1] Blakey-Milner B, Gradl P, Snedden G, et al. Metal additive manufacturing in aerospace: A review[J]. Materials & Design, 2021, 209(12): 110008.
[2] Uriondo A, Esperon-Miguez M, Perinpanayagam S. The present and future of additive manufacturing in the aerospace sector: A review of important aspects[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 2015, 229(11): 2132 − 2147. doi: 10.1177/0954410014568797
[3] Jamróz W, Szafraniec J, Kurek M, et al. 3D printing in pharmaceutical and medical applications–recent achievements and challenges[J]. Pharmaceutical Research, 2018, 35(9): 176. doi: 10.1007/s11095-018-2454-x
[4] Salmi M. Additive manufacturing processes in medical applications[J]. Materials, 2021, 14(1): 191. doi: 10.3390/ma14010191
[5] Casalino G, Filippis L A C D, Ludovico A. A technical note on the mechanical and physical characterization of selective laser sintered sand for rapid casting[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 166(1): 1 − 8. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2004.07.102
[6] Kang J, Shangguan H, Deng C, et al. Additive manufacturing-driven mold design for castings[J]. Additive Manufacturing, 2018, 22: 472 − 478. doi: 10.1016/j.addma.2018.04.037
[7] Wang D, Han H, Sa B, et al. A review and a statistical analysis of porosity in metals additively manufactured by laser powder bed fusion[J]. Opto-Electron Adv, 2022, 5(10): 210058 − 210061. doi: 10.29026/oea.2022.210058
[8] Gao W, Glorieux C, Kruger S E, et al. Investigation of the microstructure of cast iron by laser ultrasonic surface wave spectroscopy[J]. Materials Science & Engineering: A, 2001, 313(1): 170 − 179.
[9] Park S, Hong J, Ha T, et al. Deep learning-based ultrasonic testing to evaluate the porosity of additively manufactured parts with rough surfaces[J]. Metals, 2021, 11(2): 290. doi: 10.3390/met11020290
[10] Cerniglia D, Scafidi M, Pantano A, et al. Inspection of additive-manufactured layered components[J]. Ultrasonics, 2015, 62: 292 − 298. doi: 10.1016/j.ultras.2015.06.001
[11] Javadi Y, Mohseni E, Macleod C N, et al. Continuous monitoring of an intentionally-manufactured crack using an automated welding and in-process inspection system[J]. Materials & Design, 2020, 191: 108655.
[12] Honarvar F, Varvani-Farahani A. A review of ultrasonic testing applications in additive manufacturing: defect evaluation, material characterization, and process control[J]. Ultrasonics, 2020, 108: 106227. doi: 10.1016/j.ultras.2020.106227
[13] 奥妮,何子昂,吴圣川,等. 激光增材制造AlSi10Mg合金的力学性能研究进展[J]. 焊接学报, 2022, 43(9): 1 − 19. Ao Ni, He Ziang, Wu Shengchuan, et al. Recent progress on the mechanical properties of laser additive manufacturing AlSi10Mg alloy[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2022, 43(9): 1 − 19.
[14] Simchi A. Direct laser sintering of metal powders: Mechanism, kinetics and microstructural features[J]. Materials Science & Engineering: A, 2006, 428(1-2): 148 − 158.
[15] Sarpuen I H, Kilikaya M S. Mean grain size determination in marbles by ultrasonic first backwall echo height measurements[J]. NDT & E International, 2006, 39(1): 82 − 86.
[16] Du H, Turner J A. Ultrasonic attenuation in pearlitic steel[J]. Ultrasonics, 2014, 54(3): 882 − 887. doi: 10.1016/j.ultras.2013.10.017
[17] Li M, Zhou T, Song Y. Material grain size characterization method based on energy attenuation coefficient spectrμm and support vector regression[J]. Ultrasonics, 2016, 69: 1 − 10. doi: 10.1016/j.ultras.2016.03.004
[18] Hirsekorn S, Van Andel P W, Netzelmann U. Ultrasonic methods to detect and evaluated damage in steel[J]. Nondestructive Testing and Evaluation, 1998, 15(6): 373 − 393. doi: 10.1080/10589750008952880
[19] Tang S H, Wu S, Kobayashi M, et al. Effects of texture evolutions and point defects on ultrasonic waves under simple shear and pure shear[J]. International Journal of Solids and Structures, 2007, 44(3-4): 1277 − 1290. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2006.06.014
[20] Pabst W, Uhlířová T, Gregorová E, et al. Young’s modulus and thermal conductivity of model materials with convex or concave pores–from analytical predictions to nμmerical results[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2018, 38(7): 2694 − 2707. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.01.040
[21] Kim C, Yin H, Shmatok A, et al. Ultrasonic nondestructive evaluation of laser powder bed fusion 316L stainless steel[J]. Additive Manufacturing, 2021, 38: 101800. doi: 10.1016/j.addma.2020.101800
[22] Tanner L E, Wuttig M. Workshop on first-order displacive phase transformations: Review and recommendations[J]. Materials Science & Engineering: A, 1990, 127(2): 137 − 144.
[23] Sol T, Hayun S, Noiman D, et al. Nondestructive ultrasonic evaluation of additively manufactured AlSi10Mg samples[J]. Additive Manufacturing, 2018, 22: 700 − 707. doi: 10.1016/j.addma.2018.06.016
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期刊类型引用(2)
1. 迟大钊，徐智贤，刘海春，李庆生，郭强，苏维刚，贾涛. 基于改进SIFT算法的超声图像拼接方法. 焊接学报. 2024(10): 1-7 . 
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2. 李永佳. 基于适航要求的SLM铝合金机匣的工程应用研究. 热加工工艺. 2024(20): 51-59 . 百度学术
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