SAF-MRC：一种用于AM组件微缺陷检测的多分辨率超声方法

《NDT & E International》：SAF-MRC: A Multi-resolution Ultrasonic Method for Micro-defect Detection in AM Components

　　摘要
增材制造过程中的参数会直接影响其能量密度和扫描重叠率，这些因素易导致各种微缺陷的产生，这类缺陷的尺寸从数十微米到数百微米不等，包括气孔、裂纹以及未熔合缺陷。因此，迫切需要一种可靠的超声检测技术来评估增材制造部件的完整性。鉴于传统超声检测存在检测深度有限、信噪比低以及微缺陷定量不准确等问题，本研究开发了一种基于传统超声C扫描系统的新型合成孔径聚焦多分辨率C扫描技术，用于定量检测增材制造部件中的微缺陷。具体而言，通过采用合成孔径聚焦算法提升扫描信号的信噪比以及几何聚焦探头的检测深度；同时引入自适应变带宽分频处理技术，将合成信号分解为多个频率子信号，从而生成多分辨率C扫描图像，突破聚焦探头分辨率固定的局限。此外，还利用探头的波场方向性函数，分析检测到的多分辨率缺陷尺寸与分频频率之间的关系，进而实现微缺陷尺寸的定量评估。该技术能够在较高信噪比和精确度的条件下，定量检测增材制造部件深处存在的微缺陷。研究通过在选择性激光熔化制成的GH4169试样上验证该方法的有效性，该试样含有不同深度及尺寸的平底孔缺陷，检测过程中使用了20 MHz的水浸式聚焦探头。实验结果表明，与传统超声C扫描相比，所提出的SAF-MRC方法可将焦点区域内Φ=198 μm平底孔缺陷的尺寸测量相对误差从108.2%降低至7.1%；而在6毫米离焦距离处，这一误差则从308.1%降至27.8%。对于10毫米离焦距离处的Φ=389 μm平底孔缺陷，其尺寸测量相对误差也从67.1%降至11.8%。这些结果表明，所提出的SAF-MRC方法在检测深度、信噪比以及平面状缺陷的测量精度方面都具有显著优势。

引言
增材制造技术广泛应用于航空、航天、核工程、能源电力等领域，例如飞机引擎的涡轮叶片[1]、火箭发射器[2]等。由于复杂的打印工艺所带来的多重影响[3][4]，增材制造部件很容易出现隐藏的气孔[5][6]、裂纹[7]、未熔合缺陷[6]以及其他微观结构异常。这类缺陷的尺寸通常在数十微米到数百微米之间，被称为微缺陷。微缺陷的存在会显著影响增材制造部件的抗拉强度[8]、疲劳强度[9]以及断裂韧性[10]。随着对增材制造部件性能要求的不断提高，小缺陷的检测标准也日益严格，缺陷量化的精度也在不断提升，从毫米级向亚毫米级乃至微米级发展[11][12][13]。因此，对增材制造部件中的微缺陷进行定量无损检测是其得到广泛应用的前提，同时也是推动增材制造技术进一步发展的关键因素。

目前，已有多种典型的无损检测技术被用于评估增材制造部件的完整性，包括涡流检测、红外热成像、X射线断层扫描以及超声检测。然而，随着增材制造部件向更大、更复杂且结构更为精细的方向发展，传统的无损检测方法在检测和评估这类部件的缺陷时已显得力不从心。例如，涡流检测通常仅能用于检测表面及近表面缺陷；而红外热成像由于受环境温度变化带来的热测量误差影响，无法提供准确的缺陷尺寸。为此，一些新的无损检测技术应运而生，如工业X射线计算机断层扫描[11][14][15][16]以及超声可视化检测[17][18]，并且已在工程中得到成功应用。工业X射线计算机断层扫描因其高检测灵敏度、能够生成详细图像以及具备实时检测功能，而被广泛用于增材制造部件的检测。例如，Maskery等人[15]利用X射线计算机断层扫描技术检测了选择性激光熔化制造的部件中的气孔，其可检测的最小气孔率为0.06%，最小气孔直径也可被定量检测出来，约为260微米。不过，工业X射线计算机断层扫描的扫描和重建过程耗时较长，且对辐射防护要求较高，这给大规模增材制造部件的现场微缺陷定量检测带来了不便[16]。

超声可视化检测则具有高灵敏度、图像直观、效率高等优点，且适用场景广泛，非常适合用于增材制造部件的现场自动缺陷检测与量化[17]。当对增材制造部件使用传统超声检测方法时，由于打印材料具有非均匀且分层的结构，来自微缺陷的回波幅度较弱[18]。此外，当缺陷尺寸小于声束直径或一个波长时，很容易被结构噪声淹没，从而导致严重的量化误差，甚至出现缺陷识别错误。许多研究致力于改进超声可视化检测技术，以更好地检测增材制造部件中的微小缺陷，常用的方法包括扩大探头孔径[18][19]、提高检测频率[20]以及优化阈值算法[21]。合成孔径聚焦技术是一种有效的信号处理方法，它通过延迟求和处理，利用小口径探头模拟大口径探头的检测效果，从而提升检测系统的检测深度、信噪比以及分辨率。例如，Chabot等人[19]采用了10 MHz、128元素相控阵探头并结合合成孔径聚焦算法，对线弧增材制造铝合金进行了检测，其检测结果也与CT扫描结果相互印证。该研究指出，合成孔径聚焦技术能够检测直径超过0.6毫米的气孔缺陷。不过，尽管CT扫描显示气孔直径分别为0.68毫米和0.88毫米，但合成孔径聚焦技术得到的定量结果却低于0.6毫米。Lv等人[20]则利用高频激光超声技术，对3D打印的AlSi10Mg合金和316L合金中的近表面缺陷进行了快速、高分辨率的定量检测。他们分别对环形扫描的瑞利波和光栅扫描的剪切波应用合成孔径聚焦算法进行延迟求和处理，最终在检测深度为0.5毫米、直径为0.6毫米的平底孔缺陷时，其深度测定和尺寸量化的相对误差分别仅为1.7%和2.2%。不过，这种方法仅适用于检测近表面缺陷，无法用于检测深层缺陷。Qin等人[21]则试图通过将合成孔径聚焦算法与超声水浸式C扫描检测相结合，实现对具有强散射特性的3D打印部件内部深层且直径较小的缺陷的超声检测，他们提出了一种时域二维合成孔径聚焦C扫描技术，并基于极值统计理论设计了阈值优化算法。使用10 MHz的水浸式聚焦探头，他们成功检测到了深度为12毫米、直径为Φ=0.2毫米的平底孔缺陷，不过他们的研究中并未对该缺陷尺寸进行定量分析。值得注意的是，通过SAFC技术获得的缺陷图像显示的尺寸明显大于设计时的平底孔直径。

上述传统的相控阵超声、激光超声以及结合合成孔径聚焦算法的超声C扫描技术，确实能够有效提升超声检测的深度和成像信噪比。但由于探头孔径或检测频率的固有限制，在实际应用中，受衍射效应的影响，横向分辨率最多只能提升到一个波长λ的水平[22][23]。而微缺陷的尺寸通常小于增材制造部件中的特征波长，这样的分辨率显然不足以实现微缺陷的定量检测[22][23]。为了解决这些问题，本研究借鉴了Yang等人[24]在研究大景深高分辨率光声显微镜时提出的创新思路：通过多波长、相移聚焦的正弦干涉条纹来识别全深度声波的傅里叶谱，从而在较大景深范围内实现高分辨率检测，以此克服传统光声显微镜中聚焦透镜存在的波长限制和景深不足的问题。超声信号在时间域上通常是窄脉冲，在频率域上则表现出多频率特性。根据瑞利衍射原理，如果将各个子频率信号分别解耦并用于成像检测，有望同时获得深度方向上的大景深以及横向（波束截面）上的多分辨率优势。分频处理技术可以将多频率超声信号分解为n个子频率信号，通过利用缺陷回波信号与材料噪声的频率特性差异，借助分频处理将各个子信号分开，从而获得n个具有不同频率特性的子信号[25]。目前，分频处理技术主要被用于提升超声信号的信噪比[26][27]，其去噪效果与滤波带宽b以及分频频率fi这两个参数密切相关[28]。在本研究中，研究者采用了自适应变带宽分频处理技术，将原始超声信号分解为具有不同分频频率的子信号，进而生成一系列多分辨率扫描图像，用于微缺陷的定量检测。

本研究旨在解决增材制造部件中深层微缺陷的超声定量检测存在信噪比低、精度差的问题，因此基于传统超声C扫描系统，提出了一种新型的合成孔径聚焦多分辨率C扫描技术。该方法在微缺陷的定量检测方面具有高信噪比、高精度以及较大检测范围等显著优势。本文结构如下：第二部分阐述了SAF-MRC成像原理以及深层微缺陷的量化方法；第三部分介绍了含有不同深度及微小平底孔缺陷的SLM GH4169试样，并描述了超声C扫描的实验过程；第四部分对比分析了传统超声C扫描、SAFC以及SAF-MRC三种技术在焦点区域和非焦点区域检测平底孔缺陷的效果；第五部分探讨了SAF-MRC方法在扩大检测范围、提升信噪比以及提高检测精度方面的有效性与应用前景。最后给出了本文的结论。李琳：写作——审阅与编辑、监督、资金获取。利益冲突声明? 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。致谢本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号U22B2068，资助号52175496）以及中央高校基本科研业务费（项目编号DUT25Z2522）的支持。同时感谢北京动力机械研究所的康达工程师在3D打印样品及工业高能CT测试方面提供的帮助。马志远|沈浩阳|王凯越|张天旭|李琳中国辽宁省大连市116024，大连理工大学NDT与E实验室