金属增材制造构件离位缺陷检测与表征的无损评估技术综述

《Journal of Manufacturing Processes》：Review of non-destructive evaluation techniques for ex-situ defect detection and characterization in additively manufactured metal components

　　

摘要专业翻译 增材制造（Additive Manufacturing，AM）提供了设计自由度和将多种功能集成于单一构件的能力。然而，AM工艺诱导产生的缺陷，如孔隙率（porosity）、未熔合（lack of fusion）、裂纹（cracks）和残余应力（residual stress），仍然是其广泛应用于安全关键领域的重大障碍。生产过程中的原位（in-situ）评估技术的进步有助于最大限度地减少这些缺陷。然而，可靠的离位（ex-situ）缺陷检测与表征对于预测和确保增材制造构件的质量、可靠性及全生命周期性能至关重要。本研究对金属增材制造（Metal Additive Manufacturing，MAM）中用于离位缺陷检测的无损检测（Non-Destructive Testing，NDT）方法进行了全面综述。该综述并非仅聚焦于单一技术，而是着重强调关键缺陷类型的起源，包括孔隙率、未熔合、裂纹和残余应力，同时讨论了利用既有评估方法的可检测性。最后，本研究指出了当前的局限性、开放性挑战和未来研究方向，以支持开发可靠且可工业化部署的MAM无损检测框架。

论文解读

一、研究背景与问题提出

增材制造（Additive Manufacturing，AM）作为一种颠覆性制造方法，正在重塑制造业格局，在航空航天、能源系统、汽车和工装等领域展现出巨大应用潜力。与传统减材制造相比，AM具有减少材料浪费、缩短制造周期、实现复杂几何结构成型和加快产品开发循环等显著优势。在各类AM材料中，金属及合金因其能够同时满足结构完整性、热稳定性和功能可靠性的综合要求，成为高性能AM中占据主导地位的材料类别。金属增材制造（Metal Additive Manufacturing，MAM）支持轻量化拓扑优化结构、高度集成组件、点阵增强载荷路径以及随形冷却通道等内部特征的制造。

然而，MAM工艺对热历史、熔池动力学、粉末特性和扫描策略高度敏感，容易产生孔隙率、未熔合（lack of fusion，LoF）、裂纹和残余应力（residual stress，RS）等内部缺陷。这些缺陷往往在空间上不均匀分布，且强烈依赖于局部几何形状和成形条件，无法仅通过表面检测可靠识别。在高性能应用领域，这些隐藏缺陷直接威胁疲劳寿命、断裂抗力、密封性和尺寸稳定性。因此，金属和合金在AM中日益增长的主导地位，客观上推动了对稳健无损检测（Non-Destructive Testing，NDT）与评估框架的迫切需求。

现有综述大多聚焦于原位过程监测、单一无损检测技术或AM检测方法的广泛调研，较少基于已完成MAM构件中缺陷的实际特征进行系统性的离位（ex-situ）无损评估（Non-Destructive Evaluation，NDE）对比。原位监测主要识别制造过程中的工艺异常，而工业认证要求对最终构件中残留缺陷进行直接检测和表征。这一区别至关重要，正是本研究开展的核心动因。

二、研究内容与结论

本研究围绕MAM离位缺陷检测的无损评估技术展开系统性综述，主要工作包括：首先对MAM工艺类别进行概述，并将缺陷来源分类为机械驱动、热驱动和材料驱动三大类；随后根据MAM中主要缺陷类型组织既有NDT方法；进而介绍新兴NDT方法；最后总结关键发现并指出研究优先方向。

研究得出以下核心结论：第一，相同宏观缺陷在不同MAM工艺中可由不同机制产生，缺陷的形态、取向和空间分布差异显著，因此缺陷缓解必须针对缺陷起源而非仅针对观察到的缺陷类型。第二，融合基工艺（DED和PBF）的缺陷主要由熔池不稳定性和快速热循环主导，而非融合工艺（MEX和BJT）则以沉积道间/层间空隙、粘结剂分布和非均匀烧结收缩为主要特征。第三，现有NDE研究存在系统对比不足的问题，缺乏基于相同缺陷群体的跨方法比较，难以确定针对特定缺陷类型和零件几何形状最可靠的技术方案。

三、关键技术方法

研究人员综合运用了文献系统分析方法，对2020至2025年间NDT与AM研究图谱进行了关键词聚类分析，识别出四个主要关键词簇：聚合物/复合材料AM与力学性能、金属AM工艺与材料特性、NDE与缺陷表征以及其他弱相关关键词。研究还系统梳理了DED、MEX、MJ和PBF四大类MAM工艺的近期研究文献，涵盖Ti–6Al–4V、316L不锈钢、17-4PH、Inconel 718、AlSi10Mg等多种材料体系，并对比分析了各工艺的缺陷形成机制、缺陷形态特征及NDE可检测性。

四、研究结果

4.1 MAM工艺概述与缺陷起源

研究首先对DED、MEX、MJ和PBF四类主要MAM工艺进行了系统分析。DED工艺中，缺陷形成由熔池不稳定性、热梯度和原料能量耦合主导，残余应力是最持久的问题，热梯度约10?至10? K/m，冷却速率约102至10? K/s，残余应力梯度可达约100 MPa/mm。MEX工艺中，缺陷主要由挤出珠几何形状、层间结合质量和脱脂至烧结致密化过程决定，最终密度通常达到理论密度的96%至99.8%，伴随约12%至20%的可预测收缩。MJ工艺中，缺陷形成由粘结剂-粉末相互作用和烧结收缩主导，残余孔隙率是最持久的限制因素。PBF工艺中，缺陷形成由熔池动力学、粉末-束流能量耦合和热诱导应力积累主导，热梯度约10?至10? °C/m，冷却速率约10?至10? °C/s。

4.2 缺陷来源分类

研究将MAM缺陷起源分为三类：机械驱动缺陷主要源于沉积几何、层间接触、成形取向和约束尺寸变化，在非融合工艺中尤为突出；热驱动缺陷主导融合基工艺，能量输入、熔池稳定性和陡峭热梯度控制缺陷形成；材料驱动缺陷源于原料条件和材料-工艺相互作用，包括粉末形态、污染、粘结剂分布和粉末退化。

4.3 跨工艺缺陷对比

研究表明，融合基工艺（DED和PBF）的缺陷主要由熔池不稳定性和快速热循环产生，典型表现为气体/锁孔孔隙率、不规则LoF和显著残余应力；而非融合工艺（MEX和BJT）则以沉积诱导空隙和烧结致密化为主导，典型表现为拉长的道间/层间缺陷、残余孔隙率和各向异性收缩。

五、讨论与结论

讨论部分总结： 当前MAM离位缺陷检测面临多重挑战。复杂几何结构（内部通道、点阵、封闭空腔）使传统NDT的可达性和信号解读困难；MAM特有的缺陷类型（LoF、锁孔孔隙率、球化、开裂）与铸造/锻造缺陷不同，现有缺陷判据和标准无法直接适用；各向异性微观结构使超声、涡流和热响应随成形方向和局部材料状态变化，增加了校准复杂性；同时，有限的标准和验证数据集阻碍了认证进程和一致性基准测试，高成本工具如CT仍不适用于常规检测，许多可扩展方法假设了简化的零件几何形状。

研究结论： 本研究提供了以缺陷为导向的MAM构件离位NDE技术结构化综述。研究强调，可靠的离位缺陷检测与表征对于预测和确保MAM构件质量、可靠性和全生命周期性能至关重要。未来研究应优先发展多模态检测与数据驱动评估相结合的策略，建立基于相同缺陷群体的系统跨方法比较框架，开发AM专用缺陷判据和标准，并推动可扩展、可工业化部署的无损检测框架，以支持金属构件在工业和安全关键应用中的可靠认证。