钛合金增材制造构件的阵列超声检测技术基础研究

Additive manufactured titanium alloy is widely utilized for rapid prototyping of the complex components in aviation and aerospace industries. Its’ special manufacturing process makes complex material structures which are difficult to be inspected using the existing ultrasonic testing methods due to the significant wave distortion and strong wave attenuation. Aiming to solve this changing problem, the proposed project implants an ultrasonic array testing technology into the inspection of additive manufactured titanium products. An acoustic model used in the inspection of additive manufactured titanium alloys will be developed. The relevant parameters used in the array imaging algorithm will be investigated based on the study of the microstructure and acoustic properties of the additive manufactured titanium alloy. The project will be also focused on the relevant issues such as the wave propagation characteristics, distortion correction algorithm, attenuation characteristics, the compensation method of the array ultrasonic beams, the defects recognition method and optimization of the detection parameters. The project will finally delivery an efficient ultrasonic array testing technology for additive manufactured titanium alloy products and this has a broad application prospect in other additive manufactured products.

钛合金增材制造结构越来越广泛地应用于航空航天等领域复杂构件的直接成型，其制造工艺的特殊性使得声波在其内部传播时会产生扭曲和强衰减，现有超声检测方法难以快速准确检测出此类构件内部的全部缺陷。为了解决这一问题，本项目立足于发展钛合金增材制造构件的阵列超声检测相关理论和技术，通过研究钛合金增材制造构件的内部组织及其声学特性、阵列超声合成声束的传播特性和其扭曲修正控制算法、衰减特性和其补偿处理技术、缺陷特征识别和检测参数优化方法等，建立适用于钛合金增材制造构件的声学检测模型和阵列超声成像检测的关键参数和核心算法。项目研究成果将为钛合金增材制造构件内部缺陷的高分辨率、高效率检测提供理论和技术基础，在其他材料增材制造构件的质量检测中亦有重要的参考应用价值。

钛合金增材制造技术由于其具有可设计性强、材料利用率高等优势，逐步应用于航空航天等领域中复杂构件的快速成形制造。然而，由于制造工艺特殊，导致其材料内部不均匀，声学衰减性高，在采用常规超声检测方法时存在检测效率低、成像结果差等问题。为实现增材制造钛合金材料内部缺陷的准确有效检出，项目从典型增材制造钛合金材料特性出发，开展增材制造钛合金材料的阵列超声检测技术原理和工艺研究。首先，提出了钛合金增材制造材料的声学各向异性和衰减特性的测量及表征方法，基于波动方程和Green函数建立了不同阵列超声换能器三维声场能量分布仿真模型，探究了钛合金增材制造材料的超声传播特性。其次，研究了基于钛合金增材制造材料晶粒特征的阵列超声仿真方法，分析了试样整体的各向异性和噪声水平具有差异的原因，基于仿真和实验测量结果，提出了双层介质下的阵列超声全聚焦成像校正算法，并采用TC14增材制造试样进行了检测实验验证。再次，针对钛合金增材制造梯度材料展开研究，建立了钛合金增材制造材料宏观层状性的超声传播模型以及阵列超声声束路径计算方法，能够有效提高其内部缺陷的检测信噪比和定量精度。再后，探究了基于环形阵列超声换能器的阵列超声检测方法，提出了环阵超声全聚焦成像方法和变孔径动态聚焦方法，改善了缺陷成像畸变问题，可对φ0.8mm以上当量平底孔进行准确的定量与评价，并基于阵列超声全波体数据，实现了材料内部缺陷的三维检测显示。最后，基于所提出的阵列超声检测工艺方法，构建了多自由度阵列超声检测C扫描系统，支持线阵、面阵以及环阵的检测扫查。项目研究成果将为大厚度、高衰减的钛合金增材制造结构提供高精度、高效率的超声无损检测方法，有效保障钛合金增材制造关键零部件的安全和可靠，在航空航天、武器装备和核电等高科技领域具有广阔的应用前景。