TC4钛合金增材制造组织晶粒度的高频超声无损评价方法及机理研究

Grain size of metal additive manufacturing (AM) is an important microstructural parameter affecting the mechanical performance of metals. Concerning Ti6Al4V（TC4）titanium alloy, the inhomogeneity and obvious anisotropy of microstructures increase the difficulties in nondestructive evaluation of grain size. Therefore, ultrasonic non-destructive methods for the grain size characterization of additively manufactured TC4 titanium alloy are highly desirable. In this present project, we propose to investigate the interaction mechanism between ultrasonic signals and the microstructural characteristics of TC4 titanium alloy AM. Based on the second-order Keller approximation perturbation theory and a comprehensive correction scheme for ultrasonic attenuation in polycrystals with rough surfaces, a theoretical model for the grain size characterization by inversion of the longitudinal wave attenuation coefficient is established. Based on dual-wave mixing interferometry, a highly sensitive laser ultrasonic testing method is proposed, applicable to the rough surface of additively manufactured parts. By using energy attenuation coefficient, the methods for grain size characterization and extraction of large columnar macrograins and crystallites by inversion of ultrasonic signals are proposed. The spatial and temporal response of ultrasonic signals for the microstructural characteristics obtained by different processing parameters, such as laser power and scanning speed, are further studied to establish the constitutive relation of “processing parameters – grain size – ultrasonic characteristics”. The completion of this project will provide the theoretical basis for the closed-loop processing control for grain size and the real-time quality monitoring of of AM. It is of great significance to accelerate the development of the AM technology in China.

金属增材制造材料组织晶粒度是影响其力学性能的重要微观结构参数之一。Ti6Al4V（TC4）钛合金增材制造组织的不均匀性及明显的各向异性给组织晶粒度的无损检测带来了很大的困难，亟需开展检测与评价方法研究。本项目拟研究TC4增材制造组织特征与超声的相互作用机理，基于二阶Keller近似微扰理论，结合表面粗糙度引起的超声衰减补偿算法，建立基于超声纵波衰减系数的组织晶粒度无损评价理论模型；基于双波混合干涉法研制适用于增材制造粗糙表面的高灵敏度激光超声检测技术，利用能量衰减法创建粗大柱状晶及晶内亚组织晶粒度的超声信号分离提取及表征方法；探索不同激光功率、扫描速度等制造工艺参数所获组织特征的超声信号时空响应规律，建立“工艺参数-组织晶粒度-超声参量”的本构关系。本项目的完成将为实现钛合金增材制造材料组织晶粒度的闭环工艺控制和质量实时监测提供理论依据，对加快我国增材制造技术发展有重要意义。

本项目针对金属增材制造材料组织特征评价这一制约增材制造推广应用的技术瓶颈问题，开展了组织晶粒度的激光超声无损检测与评价方法的研究。课题组利用时空不连续迦辽金有限元算法，研究了组织特征与超声信号的相互作用机理；基于Stanke-Kino统一散射衰减理论模型框架，引入伯恩近似，推导并提出了多晶体金属材料中超声散射衰减系数显式理论模型。基于由激光超声散射衰减引起回波中心频率向下偏移的现象，提出了组织晶粒度的高频超声信号提取及表征方法，该方法可以降低波的衍射、反射和透射等引起的误差，从而提高组织晶粒度的超声评价精度。探索了激光熔融沉积成型的TC4/B4C复合材料中B4C粉末加入比例不同时，增材制件组织特征与激光超声声速和回波中心频率偏移的相互关系。理论研究发现，随机区域晶粒散射是由同类波型间的反射/透射引起的，散射衰减仅与沿波传播方向平均晶粒尺寸有关。瑞利区域纵波和横波的散射机制不同，纵波散射主要是纵/横模态转换引起的，而横波散射主要是横波的反射/透射导致的；且瑞利散射衰减主要取决于晶粒体积。对于双相增材制造钛合金材料，当α相细晶微织构团簇各向异性较强时，微织构团簇对散射衰减和频谱中心频率偏移的贡献是主要的，而α相细晶的贡献则可忽略不计。激光超声检测实验结果表明，超声速度似乎对微织构团簇的尺寸并不敏感，而频谱中心点频率偏移与微织构团簇尺寸近似呈线性关系，拟合度（R2）高达0.99。实际上，对于宏观无织构、晶体取向分布较窄的近α钛合金，超声速度与微织构团簇的组织性能无关，相反，中心频率偏移由微织构团簇的尺寸和形貌决定，因此在微织构团簇的粒度评价方面显示出很大的潜力。项目研究成果为实现增材制造微观组织和性能的闭环工艺控制提供了重要理论支撑和实验基础，对于检测与评定钛合金零部件的产品质量及性能、指导改进其生产制造工艺、提高其使用的可靠性和安全性，具有实际应用价值和广阔的应用前景。