几何精度和残留粉末对 L-PBF 和 EDM 制造的超声参考反射体的影响

《Ultrasonics》：Effects of geometric accuracy and residual powder on ultrasonic reference reflectors produced by L-PBF and EDM

　　

# 摘要

本文评估了使用激光粉末床熔融（L-PBF）和电火花加工（EDM）制造的平底孔（FBHs）作为超声参考反射体的性能。制备了具有不同直径和深度的闭合式和开放式FBHs试样，并使用X射线计算机断层扫描（CT）对其几何形状和表面状况进行了分析。多名检验人员使用距离-增益-尺寸（DGS）方法确定了等效反射体尺寸（ERS）。总体而言，尽管L-PBF FBHs由于部分熔化粉末导致表面较为粗糙，但其与标称尺寸的吻合度优于EDM FBHs。闭合式FBHs中残留的粉末降低了CT对比度，导致DGS测量所得的FBH尺寸小于开放式FBHs。直径最小的0.6 mm FBHs检测结果不一致，表明在该反射体尺寸下超声可检测性有限。反射体表面附近的孔隙与FBH尺寸相关，且在闭合式FBHs中更为常见。然而，由于其尺寸较小且靠近反射体表面，其单独的超声响应无法与FBH回波区分开来。这些发现表明，L-PBF在制造几何精度高的嵌入式参考反射体方面具有潜力，同时也突出了残留粉末对回波响应的影响以及靠近显著更大反射体的孔隙的可检测性有限的问题。

# 引言

增材制造（AM），如激光粉末床熔融（L-PBF），通过逐层制造方法实现了几何复杂部件的生产[1], [2]。该方法使得复杂的外部几何形状和内部几何形状成为可能，例如内部通道，而传统制造工艺只能有限地或以较大工作量生产这些特征[3], [4], [5], [6]。此外，L-PBF支持功能集成和拓扑优化的轻量化结构的生产[6], [7]。这些能力推动了L-PBF在航空航天、汽车、工装、化学加工和医疗设备制造等多个工业领域的应用[8], [9]。先前的研究已证明其在生产专用部件方面的潜力，包括患者特异性植入物、轻量化结构以及带有集成冷却通道的涡轮部件[10], [11], [12]。这些应用展示了L-PBF在结合几何复杂性、功能集成和材料高效设计方面的潜力。尽管具有这些优势，逐层构建策略和相关的局部热循环对部件质量带来了挑战。由此产生的热条件可能促进过程诱发的不规则缺陷的形成，如气孔、匙孔孔和未熔合缺陷[13], [14], [15]。此外，高热梯度和定向凝固可能导致各向异性微观结构，而熔池、粉床与先前凝固层之间的相互作用可能会增加表面粗糙度[16], [17], [18]。

因此，工业应用需要可靠的无损检测（NDT）方法，特别是对安全关键部件而言。增材制造部件的无损检测包括过程监控和过程后无损检测。过程方法，如熔池和声学监控，旨在识别制造过程中的过程不稳定性[19], [20]，而基于X射线的原位研究提供了熔池和匙孔动力学的详细见解[21]。然而，过程后检测仍然是评估成品部件完整性的必要条件。适用的方法包括目视检测、涡流检测、红外热成像检测、声学发射检测、计算机断层扫描（CT）和超声检测（UT）[9], [22], [23]。在这些方法中，CT和UT尤其适用于金属L-PBF部件的体积检测。虽然CT能够实现内部特征的三维表征，但UT提供了一种灵活的体积检测方法，还可应用于尺寸或检测环境限制CT使用的部件。Duarte等人[24]在几何复杂的增材制造部件上制造的缺陷中比较了多种无损检测方法。他们强调了无损检测需要进一步发展以提高增材制造部件无损检测的可靠性。

超声检测依赖于通过分析弹性波的折射和反射来检测和表征缺陷，并将测量信号响应与已知参考反射体的响应进行比较。平底孔（FBHs）被认为是理论上理想的反射体，通常用于此目的。因此，超声检测需要用于校准和验证的测试块。校准块的传统制造路线——通常是钻孔或电火花加工（EDM）——不可避免地引入了一个开放的钻孔通道，该通道充当非预期的强反射体，因此不能代表嵌入式缺陷。此外，制造过程本身也影响反射体几何形状；例如，EDM过程中的电极磨损导致FBHs呈圆弧形而非理想的平面[25]。AM提供的几何设计自由度可用于开发先进的无损检测参考试样。例如，L-PBF能够制造没有开放钻孔通道的闭合式反射体，并具有更精确的几何精度。此外，通过反向工程，反射体可用于类部件试样中，以评估AM特异性缺陷的可检测性。然而，为此重要的是要彻底了解材料参数、几何约束和测试方法如何影响缺陷的可检测性。

几项研究已检查了用于超声检测的增材制造参考试样。Riahi等人[26]制造了包含各种缺陷类似特征的测试块，并证明了它们的超声可检测性。Ebert等人[27]分析了ISO/ASTM星形参考试样[28]，并表明L-PBF 316 L中的CAD播种不连续性可以使用先进的超声成像方法进行检测和表征，尽管检测响应强烈依赖于缺陷几何形状和方向。增材制造试样也被提出用于无损检测培训和先进成像技术（如全聚焦方法[29], [30]）的校准。专门研究增材制造盘形反射体的研究报告了标称反射体尺寸与基于距离-增益-尺寸（DGS）的等效反射体尺寸之间存在显著差异。对于倾斜的闭合式反射体，观察到高达74%的偏差，标称直径为2 mm对应于等效反射体尺寸仅为0.51 mm。论文中未确定这些偏差的原因[31]。后续调查确定反射体方向是影响超声响应的主要因素，而层厚的影响较小且取决于反射体尺寸[32]。这些发现表明，仅凭标称尺寸不足以预测增材制造参考反射体的超声响应。

先前的研究调查了包含EDM制造的表面开放L-PBF FBHs的校准试样，这些FBHs具有不同的直径和距测量表面的距离[33]。两种制造方法都产生了几何偏差，而L-PBF反射体与预期尺寸的吻合度优于EDM制造的FBHs。然而，该研究未进行CT表征，因此无法评估三维反射体几何形状和局部孔隙。因此，完全闭合的L-PBF反射体的超声响应以及残留粉末、反射体几何形状和局部孔隙的潜在影响仍有待研究。

在前述研究的基础上，本工作系统比较了EDM制造的、表面开放的L-PBF和完全闭合的L-PBF FBHs，这些FBHs具有不同的直径和距测量表面的距离。它调查了制造路线是否影响FBHs的几何精度和超声响应，残留粉末是否影响完全闭合的FBHs的反射率，以及实际反射体尺寸与超声确定的反射体尺寸之间的差异在多大程度上可以归因于反射体几何形状、表面状况和局部孔隙。由此评估了完全闭合的L-PBF FBHs作为超声校准和验证参考反射体的潜力和局限性。

# 各章节摘要

## 试样制备

在实验研究中，制备了八个包含FBHs的测试试样。其中四个试样包含表面开放缺陷，已在先前的研究[33]中制造和表征，其中比较了它们的超声反射行为，并使用DGS方法确定了等效反射体尺寸。本研究在此基础上增加了包含闭合的、内部制造的L-PBF FBHs的试样。这使得能够评估

## 相对密度和微观结构

所选工艺参数产生了近全致密的微观结构，几乎无残余孔隙。对50倍放大率下抛光截面的图像分析，覆盖约90 mm2的分析面积，在排除表面和轮廓区域后，得出相对密度为99.97%。

图3展示了所制造立方试样抛光横截面的微观照片。图3a)展示了整个截面的概览。在内部

## 反射体尺寸测量的准确性

系统地研究了不同制造方法、不同反射体几何形状和位置对UT和CT结果的影响。

1 mm和1.5 mm EDM FBHs观察到的明显单侧几何偏差可归因于EDM过程中的定位不准确，且不影响DGS方法的适用性。对于2 mm EDM FBH，凹面相对于平面具有更好的反射性，部分补偿

## 结论

本研究评估了L-PBF和EDM生产的平底孔的几何精度和超声反射特性。X射线计算机断层扫描和距离-增益-尺寸分析为制造反射体的几何特征和超声响应提供了互补见解。

CT分析揭示了EDM FBHs中的底部圆角和局部几何偏差。虽然总孔径直径部分大于标称直径，但

## 生成式AI和AI辅助技术在稿件准备过程中的声明

在本工作修订过程中，作者使用ChatGPT（OpenAI）辅助语言编辑并提高修订段落的清晰度和结构。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

## CRediT作者贡献声明

Stefan Keuler：撰写 – 初稿、可视化、验证、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。K. Sophia Ungermann：撰写 – 审阅与编辑、验证、监督、资源、方法论、概念化。Anne Jüngert：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源、概念化。Sven Sewalski：撰写 – 审阅与编辑、资源、概念化。Jajnabalkya Guhathakurta：撰写 – 审阅与编辑、资源。

## 资助

本研究得到了联邦环境、气候行动、自然保护和核安全部（BMUKN）资助，项目编号1501654。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本研究报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

## 致谢

验证测量由无损检测实验室成员完成：Tobias Kurz、Stefan Berner、Adam Gyula和Oliver Jacobs。

Stefan Keuler | K. Sophia Ungermann | Anne Jüngert | Sven Sewalski | Jajnabalkya Guhathakurta | Stefan Weihe | Martin Werz
斯图加特大学材料测试研究所（MPA），德国