激光粉末床熔融合金中微结构耦合效应下的孔隙率超声评估新方法

本文创新性地将超声体波技术应用于激光粉末床熔融（LPBF）合金的孔隙率评估，通过解析孔隙散射与晶粒散射的频域特征差异，提出对两种机制均敏感的光谱协方差参数。结合数值模拟与深度学习（DNN），实现了微结构耦合影响下孔隙率的精准解耦（绝对误差<0.3%），为增材制造（AM）构件结构完整性评估提供了新范式。

　　

亮点

本研究揭示了激光粉末床熔融（LPBF）制备合金中孔隙与微结构对超声响应的耦合作用机制。通过理论分析和数值模拟，首次提出光谱协方差参数可同步捕捉孔隙散射（高频敏感）与晶粒散射（低频敏感）的特征差异，其与孔隙率的关联性显著区别于传统超声衰减参数。

样本制备与表征

采用SLM500设备制备梯度孔隙率的SS316L合金样本（粉末粒径35-45μm），通过调控激光功率、扫描间距等关键参数实现孔隙率0.1%-8%的连续变化。X射线计算机断层扫描（XCT）验证了孔隙形貌与分布特征，为超声信号解耦提供基准数据。

光束扩散校准

实验创新性地引入平面波模型与沉浸式检测数据的映射方法，解决了数值模拟与实测条件差异问题。时域波形提取的衰减参数与频域光谱协方差形成互补表征，为DNN训练提供多维度特征输入。

结论

1. 1.

   光谱协方差参数可有效区分孔隙主导（高频）与晶粒主导（低频）的超声散射机制；

2. 2.

   联合衰减-协方差双参数分析使孔隙率评估范围扩展至0.3%-8%，突破传统单参数法的低孔隙盲区；

3. 3.

   基于混合数据训练的DNN模型在实验样本中实现0.3%绝对误差，显著优于现有超声检测技术。