Page 252 - 《应用声学》2023年第2期

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技术多用于宏观缺陷检测，对于材料微观组织结构 其中，ρ、V T 和 V L 分别是材料密度、超声横波声速
和力学性能的无损评价研究相对较少，针对金属增 和纵波声速。Witkin 等 [27] 通过测量超声声速的方
材制件无损评价的应用更是十分困难，原因在于金 法计算铝合金增材样品的弹性模量和泊松比，并对
属增材制件本质上是一个组织各向异性及不均匀 热处理后材料弹性性能的变化做了进一步的分析。
的整体焊接件，超声波的传播速度与其成型方向有 Javidrad 等 [28] 研究铬镍铁合金增材制件不同成型
关，同一成型方向上的不同位置声速也有差异。其 方向上弹性参量的差异，对不同工艺参数成型的多
次，内部晶粒粗大会造成超声波强散射，使金属增材 个增材样品进行声速测量，计算其弹性参量，并基于
制件对超声波具有高衰减性，透射能量随着入射深 测评结果分析工艺参数对成型件弹性参量的影响。
度的增加急剧减小，信噪比也急剧变差。因此，以声 结果表明，随着体积能量密度的增加，各个方向上
速和衰减为主要检测参量的超声无损评价受到很 的超声波声速、杨氏模量和剪切模量均有一定增加，
大限制，相关理论亟待建立。 而泊松比降低，后续研究指出该方法也适用于其他
合金材料增材制件，甚至可作为增材制造工艺的在
线无损评价方法，用于设计和改进工艺参数。
Lockers Optic device
containing
lasers 2.2.2 微观组织结构和其他力学性能
在针对材料微观组织结构和硬度、强度、韧性、
疲劳强度等力学性能的超声无损评价方面，不能简
单地通过测量材料声速或衰减来表征，原因在于材
料的微观组织结构和力学性能与超声检测参量之
间是一种非线性映射关系。因此，采用超声检测的
方法对金属增材制件的微观组织和力学性能进行
Optic device
无损评价时，需综合考虑原材料的化学成分、成型
工艺和热处理工艺的影响，针对不同材料分别设计
标定实验，进行曲线拟合、误差矫正，得到材料微观
组织和力学性能与超声检测参量之间的非线性映
射关系，进而建立超声无损评价与表征模型。董世
运等 [29] 在考虑激光增材制造合金钢样品各向异性
和成型界面对超声纵波传播特性影响的基础上，研
究样品微观组织对超声纵波声速的影响，建立样品
图 10 激光超声在线检测装置 [24]
激光扫描方向上布式硬度、抗拉强度、微观组织与
Fig. 10 The laser ultrasonic setup [24]
超声纵波声速之间的映射关系，同时建立了超声纵
2.2.1 弹性参量 波评价激光增材制造合金钢的布式硬度及抗拉强
在前期探索性的工作中多沿用传统工件的超 度的标定模型，并对标定模型预测误差进行验证，误
声无损评价方法，在不考虑不同成型方向声速差异 差均小于10%。Slotwinski等 [30] 提出可利用超声声
的前提下，金属增材制件的弹性参量如杨氏模量、剪 速监测金属增材制造过程中成型件孔隙率的变化，

切模量和泊松比可以通过测量超声横波和纵波声 通过改变扫描速率和扫描间距制造了不同梯度孔
速来实现无损评价 [26] 。超声声速与杨氏模量 E、剪 隙率的钴铬合金增材样品，分别从不同成型方向上
切模量G和泊松比σ 的关系满足以下公式： 对样品声速进行了测量，进行标定拟合，建立预测模
2
3V − 4V T 2 型，实现了5%范围内样品孔隙率变化的预测。
2
L
E = ρV , (1)
T 2 2 在沿用传统方法计算超声声速、衰减和背散射
V − V
L T
2
G = ρV , (2) 信号特征的基础上，国内外学者综合利用多学科
T
2
2
V /V − 2 专业知识，开始不断探索超声无损评价的新方法。
σ = L 2 T 2 , (3) Turner 等 [31] 提出基于电子背散射衍射 (EBSD) 的
2(V /V − 1)
L T