CN108982538A - 一种金属材料增材制造产品的缺陷与金相组织检测方法 - Google Patents

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顾晓春
钱远宏
王帅
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Abstract

本发明属于材料成形质量检测技术领域，具体涉及一种金属材料增材制造产品的缺陷与金相组织检测方法。该方法针对金属材料增材制造产品分别建立了缺陷图谱和无缺陷产品经过不同热处理状态后的金相组织图谱，并在获得实际成形件后与缺陷图谱和金相组织图谱进行对比，判断成形件的质量以及无缺陷产品所接受的热处理状态是否符合要求。本发明明确了金属材料增材制造产品的缺陷种类及经过热处理后的金相组织，有助于完成产品的检测评价。

Description

一种金属材料增材制造产品的缺陷与金相组织检测方法
技术领域
本发明属于材料成形质量检测技术领域，具体涉及一种金属材料增材制造产品的缺陷与金相组织检测方法。
背景技术
作为主要的金属材料增材制造技术，激光选区熔化和激光选区烧结成形技术都是快速、高效制造零件的近净成形技术，该技术具有一步完成、材料利用率高、生产周期短、结构件综合力学性能优异、柔性高、响应快等优点，在航空航天领域具有广阔的应用前景。
采用激光选区熔化或激光选区烧结成形技术制备的零件，其内部质量控制至关重要。成形产品在制备过程中，受粉末状态、成型工艺、成型设备、产品结构等因素影响，内部可能存在孔洞、裂纹等缺陷，严重影响产品质量。同时，不同后处理工艺条件会影响产品金相组织，从而影响成形产品的力学性能。金相组织检测及典型缺陷检测是传统的金属材料检测方法，广泛应用于金属材料组织及缺陷检测。但是，相对于金属材料的传统成形方法，采用增材制造技术制备的金属成形件，由于采用粉末材料分层制造的原理，并且需要对成形件进行特定的热处理，以提高成形件的致密度等性能，所以对于金属材料增材制造产品的内部质量控制的主要关注点转变为是否存在孔洞缺陷和层间熔合不良缺陷，以及经过热处理后不同成形方向的金相组织情况。但是，目前尚未提出针对金属材料增材制造成形产品的缺陷与热处理后不同成形方向的金相组织进行检测的方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提出一种金属材料增材制造产品的缺陷与金相组织检测方法，以解决如何对金属材料增材制造产品的内部缺陷和经过热处理后的金相组织是否符合使用要求进行检测的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述问题，本发明提出一种金属材料增材制造产品的缺陷与金相组织检测方法，该检测方法包括如下步骤：
S1、采用增材制造技术制备金属材料的无缺陷试样和含缺陷试样；其中，每种试样均能够同时反映出在采用增材制造技术制备时，金属材料粉末在横向与纵向两个方向成形时的内部金相组织；含缺陷试样至少包括含孔洞缺陷的试样和含层间熔合不良缺陷的试样；
S2、对含缺陷试样进行金相检测，获得孔洞缺陷和层间熔合不良缺陷的微观形貌，由微观形貌构成缺陷图谱；
S3、对无缺陷试样进行标准热处理，并对经过热处理的无缺陷试样进行金相检测，获得无缺陷试样的金相组织图谱；
S4、采用增材制造技术制备金属材料成形件，对成形件进行金相检测，并与缺陷图谱进行对比，判断成形件是否存在缺陷；
S5、对不存在缺陷的成形件进行成形件热处理，对经过成形件热处理后的成形件进行金相检测，并与金相组织图谱进行对比，判断成形件接受的成形件热处理的状态是否与标准热处理的状态存在偏差。
进一步地，增材制造技术为粉末增材制造技术。
进一步地，粉末增材制造技术包括铺粉式增材制造技术和送粉式增材制造技术。
进一步地，铺粉式增材制造技术包括激光选区熔化技术或激光选区烧结技术。
进一步地，金属材料包括合金材料。
进一步地，合金材料包括钛合金材料。
进一步地，钛合金材料包括TC4钛合金材料。
进一步地，在步骤S3中，标准热处理包括多种不同状态的标准热处理。
进一步地，在步骤S3中，不同状态的标准热处理包括去应力退火、去应力退火+普通退火、去应力退火+固溶时效、去应力退火+热等静压四种不同状态。
进一步地，在步骤S3中，去应力退火为630℃下保温2h，空冷；普通退火为630℃下保温2h，空冷；固溶时效为910℃下保温1h，空冷，490℃下保温4h，空冷；热等静压为930℃，110-140MPa下保温3h，炉冷。
(三)有益效果
本发明提出一种金属材料增材制造产品的缺陷与金相组织检测方法，该方法针对金属材料增材制造产品分别建立了缺陷图谱和无缺陷产品经过不同热处理状态后的金相组织图谱，并在获得实际成形件后与缺陷图谱和金相组织图谱进行对比，判断成形件的质量以及无缺陷产品所接受的热处理状态是否符合要求。本发明明确了金属材料增材制造产品的缺陷种类及经过热处理后的金相组织，有助于完成产品的检测评价。
附图说明
图1为本发明实施例孔洞缺陷的微观形貌；
图2为本发明实施例层间熔合不良缺陷的微观形貌，其中图2(a)为3层层间熔合不良缺陷，图2(b)为5层层间熔合不良缺陷；
图3为本发明实施例无缺陷试样经去应力退火处理后的金相组织：(a)XY方向；(b)Z方向；
图4为本发明实施例无缺陷试样经去应力退火+普通退火处理后的金相组织：(a)XY方向；(b)Z方向；
图5为本发明实施例无缺陷试样经去应力退火+固溶时效处理后的的金相组织：(a)XY方向；(b)Z方向；
图6为本发明实施例无缺陷试样经去应力退火+热等静压处理后的金相组织：(a)XY方向；(b)Z方向。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种针对TC4钛合金激光选区熔化成形产品的缺陷与金相组织检测方法，该检测方法具体包括如下步骤：
S1、采用激光选区熔化技术制备TC4钛合金的无缺陷试样和含缺陷试样。制备的无缺陷试样和含缺陷试样均需要能够同时反映出在采用激光选区熔化制备时，TC4钛合金粉末在横向(XY方向)与纵向(Z方向)两个方向成形时的内部金相组织。其中，含缺陷试样至少包括含孔洞缺陷的试样和含层间熔合不良缺陷的试样。
S2、对含缺陷试样进行金相检测，获得各种缺陷的微观形貌。其中，孔洞缺陷的微观形貌，如图1所示。在金相显微镜下，孔洞缺陷呈现为黑色斑点，斑点大小与气孔直径有关。层间熔合不良缺陷的微观形貌，如图2所示。当层间熔合不良程度较轻时，其横截面分布黑色点状或近似三角状形貌，如图2(a)所示；当层间熔合不良程度严重时，其横截面的黑色点状或近似三角状缺陷连成线状，并且边缘存在一定棱角，如图2(b)所示。
S3、根据TC4钛合金激光选区熔化成形件对于致密度等性能提高的需要，对无缺陷试样进行四种不同状态的标准热处理，包括去应力退火、去应力退火+普通退火、去应力退火+固溶时效、去应力退火+热等静压四种不同状态。其中，去应力退火为630℃下保温2h，空冷；普通退火为630℃下保温2h，空冷；固溶时效为910℃下保温1h，空冷，490℃下保温4h，空冷；热等静压为930℃，110-140MPa下保温3h，炉冷。对经过四种不同状态的标准热处理之后的无缺陷试样进行金相检测，获得无缺陷试样经过不同标准热处理后的金相组织图谱。
其中，图3为无缺陷试样经去应力退火处理后的的金相组织：(a)XY方向；(b)Z方向；图4为无缺陷试样经去应力退火+普通退火处理后的金相组织：(a)XY方向；(b)Z方向。图3与图4的组织形貌相同，为转变β组织。试样制备过程中组织受成形方向的影响，Z方向组织呈现方块形貌。图5为无缺陷试样经去应力退火+固溶时效处理后的的金相组织：(a)XY方向；(b)Z方向；图6为无缺陷试样经去应力退火+热等静压处理后的金相组织：(a)XY方向；(b)Z方向。图5与图6的组织形貌相同，为均匀的转变β组织。
S4、采用激光选区熔化技术制备TC4钛合金成形件，对成形件进行金相检测，并与缺陷图谱进行对比，判断该成形件是否存在缺陷。
S5、对不存在缺陷的成形件进行成形件热处理，对经过成形件热处理后的成形件进行金相检测，并与金相组织图谱进行对比，判断成形件接受的成形件热处理状态是否与标准热处理状态存在偏差。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属材料增材制造产品的缺陷与金相组织检测方法，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：
S1、采用增材制造技术制备金属材料的无缺陷试样和含缺陷试样；其中，每种所述试样均能够同时反映出在采用增材制造技术制备时，金属材料粉末在横向与纵向两个方向成形时的内部金相组织；所述含缺陷试样至少包括含孔洞缺陷的试样和含层间熔合不良缺陷的试样；
S2、对所述含缺陷试样进行金相检测，获得所述孔洞缺陷和所述层间熔合不良缺陷的微观形貌，由所述微观形貌构成缺陷图谱；
S3、对所述无缺陷试样进行标准热处理，并对经过所述热处理的所述无缺陷试样进行金相检测，获得所述无缺陷试样的金相组织图谱；
S4、采用增材制造技术制备金属材料成形件，对所述成形件进行金相检测，并与所述缺陷图谱进行对比，判断所述成形件是否存在缺陷；
S5、对不存在缺陷的所述成形件进行成形件热处理，对经过所述成形件热处理后的所述成形件进行金相检测，并与所述金相组织图谱进行对比，判断所述成形件接受的所述成形件热处理的状态是否与所述标准热处理的状态存在偏差。
2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述增材制造技术为粉末增材制造技术。
3.如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述粉末增材制造技术包括铺粉式增材制造技术和送粉式增材制造技术。
4.如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述铺粉式增材制造技术包括激光选区熔化技术或激光选区烧结技术。
5.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述金属材料包括合金材料。
6.如权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述合金材料包括钛合金材料。
7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述钛合金材料包括TC4钛合金材料。
8.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述标准热处理包括多种不同状态的标准热处理。
9.如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述不同状态的标准热处理包括去应力退火、去应力退火+普通退火、去应力退火+固溶时效、去应力退火+热等静压四种不同状态。
10.如权利要求9所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述去应力退火为630℃下保温2h，空冷；所述普通退火为630℃下保温2h，空冷；所述固溶时效为910℃下保温1h，空冷，490℃下保温4h，空冷；所述热等静压为930℃，110-140MPa下保温3h，炉冷。
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