本發(fā)明涉及在增材制造過程中的各層形成之間發(fā)生的組件的原位激光超聲測試。

背景技術(shù)：

增材制造通常通過將要制造的對象的三維表示切分成非常薄的層而開始，由此創(chuàng)建每一個層的二維圖像。為了形成每一個層，流行的激光增材制造技術(shù)，諸如選擇性激光融合（SLM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS），涉及精確厚度的金屬粉末薄層在水平平面上的預(yù)放置。這樣的預(yù)放置通過使用機(jī)械擦凈器來擦凈粉末的均勻?qū)踊蛘呤箤诱移蕉鴮崿F(xiàn)，在此之后，諸如激光之類的能量射束根據(jù)用于相應(yīng)層的固體材料的二維圖案而跨粉末層編索引。在編索引操作針對相應(yīng)層而完成之后，所沉積的材料的水平平面降低并且過程重復(fù)直到三維部分完成。

所考慮的完成部分的物理特性包括缺陷（空隙、裂縫等）以及殘余應(yīng)力量，這部分地因為殘余應(yīng)力可能引起扭曲和過早斷裂。組件的固體部分中的殘余應(yīng)力量的知識可以使用諸如中心孔鉆削之類的已知技術(shù)來確定。然而，這要求材料移除并且因此至少是半破壞性的。X射線和中子衍射技術(shù)是非破壞性的，但是它們昂貴并且不能夠原位執(zhí)行。此外，這些技術(shù)要求移除組件以用于執(zhí)行評估。磁性測試也是非破壞性的，但是它依賴于鐵磁材料中的磁化和彈性應(yīng)變之間的交互。因此，磁性測試必然受限于鐵磁材料。物理特性的激光超聲檢測在焊劑和鍵合領(lǐng)域中已知，但是在增材制造領(lǐng)域中很少知道，并且這些不與組件的形成并發(fā)地執(zhí)行和/或直接在所形成的組件上執(zhí)行。因而，在現(xiàn)有技術(shù)中存在針對用于檢測諸如殘余應(yīng)力或缺陷之類的物理特性的改進(jìn)的非破壞性過程的空間。

附圖說明

在考慮到附圖的以下描述中解釋本發(fā)明，附圖示出：

圖1描繪了激光增材制造過程。

圖2描繪了激光超聲物理特性檢測過程。

圖3描繪了通過使在增材制造過程期間所使用的參數(shù)不同而在激光超聲物理特性檢測過程之后形成固體沉積層的選項。

圖4描繪了在激光超聲物理特性檢測過程之后執(zhí)行殘余應(yīng)力釋放過程的選項。

圖5描繪了正在固體沉積物上執(zhí)行的激光超聲物理特性檢測過程以及激光增材制造過程。

圖6是描繪了采用激光超聲物理特性檢測過程的增材制造過程的示例性實施例的流程圖。

具體實施方式

如許多制造過程那樣，選擇性激光加熱過程（例如SLM、SLS）導(dǎo)致物理特性，諸如缺陷和/或殘余應(yīng)力的累積。殘余應(yīng)力水平可以為高并且可能影響組件的結(jié)構(gòu)整體性。因此，有益的是知曉所存在的殘余應(yīng)力量以及任何其它缺陷。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，殘余應(yīng)力可以發(fā)生在每一個層內(nèi)并且可以隨著附加層的形成而累積，并且將有益的是在增材制造過程期間標(biāo)識物理特性。

例如在葉尖累積中與殘余應(yīng)力控制相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)有技術(shù)包括從一側(cè)到另一側(cè)交替應(yīng)用激光射束以校平殘余應(yīng)力。這些部分然后可以進(jìn)行熱量處置以便進(jìn)一步緩解殘余應(yīng)力。然而，這些過程未必在組件的形成期間測量殘余應(yīng)力，而是替代地將其存在預(yù)測為預(yù)確定的數(shù)量并且然后調(diào)和/緩解所假設(shè)的殘余應(yīng)力。已知的是，用于在增材制造過程中形成層的熔體池的特性可以通過使用相機(jī)捕獲熔體池的圖像而評估。然而，盡管該技術(shù)提供關(guān)于熔體池的信息，但是它不提供關(guān)于可能在熔體池固化之后存在的物理特性的信息，也不提供熔體池下方的層的信息。

本發(fā)明人已經(jīng)研發(fā)了一種增材制造過程，其在形成組件時監(jiān)控組件內(nèi)的物理特性并且響應(yīng)于關(guān)于物理特性所了解的內(nèi)容而適配增材制造過程。使用激光超聲物理特性檢測過程來監(jiān)控物理特性（例如殘余應(yīng)力），激光超聲物理特性檢測過程使用遠(yuǎn)離組件設(shè)置的激光器來將波生成激光射束定向到最新形成的固體沉積層的表面上。非接觸式、激光超聲物理特性檢測過程在現(xiàn)有技術(shù)中已知，如通過例如下文描述的：Daniel Levesque等人的Defect Detection and Residual Stress Measurement in Friction Stir Welds using Laser Ultrasonics, 1st International Symposium on Laser Ultrasonics: Science, Technology and Applications, 2008年7月16日-18日, Montreal, Canada。殘余應(yīng)力的激光超聲檢測通過例如下文來描述：Karabutov, Alexander等人的Laser Ultrasonic Diagnostics of Residual Stress, Ultrasonics, 48, 631-635 (2008)。

在這樣的過程中，波生成激光射束使得聲波傳播通過最新形成的固體沉積層以及通過任何底層固體沉積層。超聲能量波在組件內(nèi)反射并且經(jīng)反射的超聲能量波可以由波檢測激光射束使用已知技術(shù)來檢測。分析超聲能量波，并且可以確定最新形成的固體沉積層和/或任何底層固體沉積層中的殘余應(yīng)力和/或缺陷。如果期望，則增材制造過程可以在必要的情況下經(jīng)調(diào)節(jié)以調(diào)和和/或緩解殘余應(yīng)力。調(diào)節(jié)包括改變隨后形成的固體沉積層所形成的方式和/或在形成另一固體沉積層之前在組件上執(zhí)行殘余應(yīng)力釋放過程。

圖1描繪了激光增材制造過程的示例性實施例，其中固體沉積層10形成在之前形成的固體沉積層12上。在增材制造過程期間，加熱激光器14選擇性地朝向粉末18定向激光射束16以加熱粉末18來形成固體沉積層10。激光射束16可以作為選擇性激光燒結(jié)過程的部分而將粉末顆粒燒結(jié)在一起?？商鎿Q地，激光射束16可以將粉末顆粒一起融合到熔體池20中，熔體池20然后固化以形成固體沉積層10。固體沉積層10和之前形成的固體沉積層12構(gòu)成作為所形成的組件（未示出）的部分24的堆疊22。在形成固體沉積層10期間，形成一個或多個固體沉積物28，其在層完成時形成固體沉積層10。一個固體沉積物28可以形成并且連續(xù)地生長直到形成固體沉積層10?？商鎿Q地，可以在任何圖案中形成多個分立的固體沉積物28直到它們聯(lián)合以形成固體沉積層10。

選擇性激光加熱過程可以使用參數(shù)集合而執(zhí)行。過程參數(shù)包括粉末相關(guān)參數(shù)，諸如顆粒大小和層厚度30等。粉末顆粒的大小可以針對整個層而變化或者其可以在層內(nèi)局部地變化。例如，較精細(xì)的粉末顆粒要求較少的加熱能量，而較大的顆粒大小要求較多熱量。顆粒大小然后可以變化以與釋放局部殘余應(yīng)力所需要的局部加熱要求匹配。

這些過程參數(shù)還可以包括激光相關(guān)參數(shù)，諸如激光射束橫穿方向32、激光射束能量、激光射束直徑34、激光射束橫穿速率（跨粉末）。在脈沖激光的情況下，激光特性可以包括脈沖特性，諸如頻率和持續(xù)時間等。此外，在形成固體沉積層10時所采取的激光路徑可以變化。例如，代替于遵循從所沉積的粉末18的一端到另一端的路徑來形成固體沉積層10，激光射束16可以從所沉積的粉末18中的一個位置至另一遠(yuǎn)程位置跳來跳去（jump around）。在這樣的實例中，激光射束16可以首先以對于釋放已經(jīng)檢測到的殘余應(yīng)力而言有效的方式來處理粉末18中的一個或多個位置，并且然后處理粉末18的其余部分以完成固體沉積層10。

圖2描繪了激光超聲物理特性檢測過程。該過程可以在固體沉積層10的完成之后實現(xiàn)，在該情況下，波生成激光器40發(fā)射波生成激光射束42，其朝向最新形成的固體沉積層46的表面44定向。可替換地或者此外，過程可以在固體沉積層10的形成期間實現(xiàn)。在該示例性實施例中，波生成激光器40朝向固體沉積物的表面44發(fā)射波生成激光射束42，固體沉積物是部分形成的固體沉積層10的固體部分。過程在本文中一般關(guān)于固體沉積層10來描述，但是原理理解為適用于形成固體沉積層10的經(jīng)固化部分（例如固體沉積物）。

波生成激光器40可以在該過程期間遠(yuǎn)離表面定位（即沒有與表面44接觸）。當(dāng)波生成激光射束42與表面44接觸時，生成超聲能量波48。這些超聲能量波50傳播通過最新形成的固體沉積層46并且可以由任何數(shù)目的特征反射。這些特征包括界面52，諸如最新形成的固體沉積層46與相鄰底層沉積層54之間的界面52、堆疊22的底表面56、或者諸如空隙或裂縫之類的缺陷58。在遇到這些特征時，超聲能量波48可以被反射，由此創(chuàng)建經(jīng)反射的超聲能量波60。經(jīng)反射的超聲能量波60傳播通過堆疊22直到最終到達(dá)表面44。波檢測激光器70生成波檢測激光射束72，其朝向表面44定向并且朝向波檢測激光器70反射回來，與它一起承載關(guān)于經(jīng)反射的超聲能量波60的信息?？商鎿Q地，一些超聲能量波50可以不受阻礙地行進(jìn)通過最新形成的固體沉積層46直到被波檢測激光器70所檢測。因而，由波檢測激光器70所檢測的傳播能量波62可以包括不受阻礙的超聲能量波50和/或經(jīng)反射的超聲能量波60。

在示例性實施例中，加熱激光器14、波生成激光器40和波檢測激光器70可以是分離的激光器?？商鎿Q地，單個激光器可以是激光器14,40,70中的任何兩個或全部三個。例如，單個激光器可以用于處理粉末18并且然后抨擊表面44以生成超聲能量波50。該相同單個激光器還可以用于檢測所傳播的能量波62，或者分離的激光器可以用于檢測所傳播的能量波62。當(dāng)檢測所傳播的波時，波檢測激光器70可以與例如干涉計結(jié)合地使用，如本領(lǐng)域中所已知。

能量波通過其傳遞的材料的物理特性可以改變能量波的特性。因而，所傳播的能量波62承載關(guān)于最新形成的固體沉積層46和/或之前形成的固體沉積層12的物理特性的信息。所傳播的能量波62的特性的分析使得能夠做出關(guān)于物理特性的確定，包括某些特征是否存在（例如空隙和/或裂縫）以及所存在的殘余應(yīng)力量。

可以直接從所傳播的能量波62的特性收集信息。例如，如果所傳播的能量波的特性（例如幅度等）跌至閾值的一側(cè)或另一側(cè)，則可以采取預(yù)確定的動作，諸如在增材制造過程中的改變以緩解或補償殘余應(yīng)力?？商鎿Q地或者此外，所傳播的能量波62的特性可以被評估并且從評估推得物理特性。這些物理特性然后可以針對可接受性來評定并且如果不可接受，則可以采取動作，諸如增材制造過程中的改變以緩解或者補償殘余應(yīng)力。在找到缺陷的實例中，增材制造過程可以暫停以改寫并且然后完成該部分，或者以廢棄該部分。

激光超聲物理特性檢測過程在最新形成的固體沉積層46（在它處于固體狀態(tài)的情況下）上執(zhí)行。例如，激光超聲檢測過程可以在整個最新形成的固體沉積層46已經(jīng)形成并且冷卻到環(huán)境溫度之后執(zhí)行。激光超聲檢測過程可以在已經(jīng)利用激光處置粉末18之后立即執(zhí)行，在該情況下，所處理的材料將相對溫暖。在選擇性激光融合的情況下，材料可以接近其融合溫度。由于特性以及殘余應(yīng)力量在材料冷卻時改變，所以在后一實例中所檢測的殘余應(yīng)力與一旦組件完成并且處于環(huán)境溫度下將具有的殘余應(yīng)力不相同。

參數(shù)數(shù)據(jù)可以用于繪制在相對溫暖溫度下所檢測的殘余應(yīng)力與在進(jìn)一步冷卻之后將具有的殘余應(yīng)力之間的關(guān)聯(lián)。當(dāng)相比于等待該部分冷卻并且然后執(zhí)行激光超聲檢測過程所花費的時間時，在激光處置完成之后很快執(zhí)行激光超聲檢測過程可以節(jié)省大量時間。這還可以允許較少劇烈校正動作，其可以搶先形成預(yù)測要在激光超聲檢測過程后面的冷卻期間形成的殘余應(yīng)力。參數(shù)數(shù)據(jù)可以通過在變化的溫度和完成狀態(tài)等下實際測量組件中的殘余應(yīng)力并且將該數(shù)據(jù)應(yīng)用于所測量的數(shù)據(jù)而發(fā)展?？商鎿Q地或者此外，冷卻時的殘余應(yīng)力可以通過各種建模算法等預(yù)測。

在示例性實施例中，激光超聲檢測過程可以像每一次形成固體沉積層10那樣頻繁地發(fā)生。可替換地，激光超聲檢測過程可以在預(yù)確定的間隔處發(fā)生，該間隔諸如每一個其它固體沉積層10或者每三個等?？梢栽谟糜诖_定激光超聲檢測過程應(yīng)當(dāng)何時發(fā)生的過程中包括其它因素，包括組件和/或固體沉積層10的幾何形狀。例如，在形成應(yīng)力梯級（諸如嵌邊）或者形成在冷卻時經(jīng)受高殘余應(yīng)力的任何幾何形狀的情況下，激光超聲檢測過程可以在組件形成期間更頻繁地發(fā)生。相反，當(dāng)幾何形狀較不易于殘余應(yīng)力時，激光超聲檢測過程可以在組件形成期間較不頻繁地發(fā)生。

當(dāng)激光超聲檢測過程發(fā)生時，可以將默認(rèn)圖案內(nèi)置到增材制造過程中。然而，增材制造過程可以在增材制造過程期間響應(yīng)于在增材制造過程期間所檢測的殘余應(yīng)力而修改默認(rèn)圖案。例如，如果默認(rèn)圖案是基于在增材制造過程期間的給定點處的某一預(yù)期殘余應(yīng)力水平，并且如果該給定點處的實際殘余應(yīng)力較小，則可以修改默認(rèn)圖案使得可以在下一激光超聲檢測過程之前形成比原本將以默認(rèn)圖案形成的更多固體沉積層10。例如，如果激光超聲檢測過程在最新形成的固體沉積層46之后發(fā)生，并且再次僅在形成三個更多的固體沉積層10之后發(fā)生，并且如果激光超聲檢測過程確定殘余應(yīng)力低于在測試最新形成的固體沉積層46時所預(yù)期的殘余應(yīng)力，則可以修改默認(rèn)圖案以在形成四個或五個或更多的固體沉積層10之后安排下一激光超聲檢測過程。

相反地，如果預(yù)期殘余應(yīng)力比所預(yù)想的更大，并且如果下一激光超聲檢測過程僅在形成三個更多的固體沉積層10之后安排，則可以修改默認(rèn)圖案使得激光超聲檢測過程發(fā)生在形成每一個固體沉積層10之后。

圖3和4示出了如果所檢測的殘余應(yīng)力超出預(yù)確定的閾值并且在途中對增材制造過程的改變或者殘余應(yīng)力釋放和/或緩解被認(rèn)為是必要的，則可獲得的選項。圖3描繪了通過在激光超聲檢測過程之后形成固體沉積層10并且通過使在增材制造過程期間所使用的參數(shù)變化來調(diào)和殘余應(yīng)力的選項。例如，如果檢測到殘余應(yīng)力并且確定其可以在形成即時固體沉積層10時得到補償，則補償可以在形成即時固體沉積層10時發(fā)生?？商鎿Q地或者附加地，補償可以在如何形成隨后的固體沉積層80中發(fā)生。可以調(diào)節(jié)與固體沉積層10的形成相關(guān)聯(lián)的任何、多個或者全部過程參數(shù)，并且調(diào)節(jié)可以發(fā)生在即時和/或隨后的固體沉積層中。這些過程參數(shù)包括以上所公開的粉末相關(guān)參數(shù)和激光相關(guān)參數(shù)，以及對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所已知的任何其它參數(shù)。

在示例性實施例中，所處理的固體沉積層10中的殘余應(yīng)力形成可以在殘余應(yīng)力達(dá)到閾值之前檢測，并且可以調(diào)節(jié)過程參數(shù)以防止殘余應(yīng)力水平中的進(jìn)一步增大。在另一示例性實施例中，殘余應(yīng)力可以有意地形成在最新形成的固體沉積層46或者其固體沉積物28中以抵消之前形成的固體沉積層12中的一個或多個中的殘余應(yīng)力。這使殘余應(yīng)力局域化，如與可能地在其上建立相反。因而，在所處理的層中發(fā)展的殘余應(yīng)力可以停止，和/或之前形成的殘余應(yīng)力可以經(jīng)由適配過程參數(shù)而抵消。

圖4描繪了在激光超聲應(yīng)力檢測過程之后執(zhí)行殘余應(yīng)力釋放過程的選項。殘余應(yīng)力釋放過程包括本領(lǐng)域中所已知的那些技術(shù)，諸如珠擊（例如激光珠擊）、激光再加熱和激光處置（例如感應(yīng)熱處置）。代替地，或者除改變與隨后固體沉積層80的形成相關(guān)聯(lián)的參數(shù)以減少殘余應(yīng)力之外，堆疊22可以留在適當(dāng)?shù)奈恢没蛘弑灰瞥员銏?zhí)行應(yīng)力釋放過程。

在示例性實施例中，堆疊22留在適當(dāng)?shù)奈恢靡杂糜趹?yīng)力釋放過程。激光珠擊過程適用于原位應(yīng)力釋放，因為所使用的激光可以位于相同的過程腔室/環(huán)境中，并且可以是處理粉末的相同加熱激光器14。在激光珠擊中，激光射束16可以定向在最新形成的固體沉積層46或其固體沉積物28的表面44處以執(zhí)行珠擊過程。激光再加熱可以在必要的情況下使用加熱激光器14來加熱最新形成的固體沉積層46或其固體沉積物28中的一些或全部以便緩解殘余應(yīng)力。感應(yīng)熱處置可以在加熱線圈位于相同過程腔室/環(huán)境中時原位執(zhí)行。感應(yīng)加熱然后可以在必要的情況下簡單地通過激活加熱線圈而執(zhí)行。此外，為了減少殘余應(yīng)力，加熱線圈可以用于控制熔體池20和/或經(jīng)固化的沉積層10冷卻的速率。這些和其它殘余應(yīng)力釋放過程中的任一個或全部可以彼此結(jié)合地使用。另外，它們可以在經(jīng)固化的沉積層10形成之后或者在經(jīng)固化的沉積層形成時使用。

圖5描繪了在固體沉積層10的形成期間實現(xiàn)的激光超聲過程的可替換示例性實施例。兩個過程被示出為同時發(fā)生。可替換地或者此外，它們可以順序地執(zhí)行。在該示例性實施例中，波生成激光器40朝向固體沉積物28的表面44發(fā)射波生成激光射束42，固體沉積物28是部分形成的固體沉積層10的固體部分。因而，以上公開的原理適用于部分形成的固體沉積層10的固體沉積物28。激光超聲過程可以在形成固體沉積層10的固體沉積物28上執(zhí)行，并且原位殘余應(yīng)力釋放過程中的一個或多個可以在固體沉積物28或者堆疊24的任何其它部分上形成。因此，激光加熱過程、激光超聲過程和殘余應(yīng)力減少過程可以以任何次序并且按照所需要的頻率而在固體沉積層10上、在形成固體沉積層10的一個固體沉積物28上和/或在固體沉積層10的多個分立固體沉積物28上執(zhí)行，以便適配增材制造過程來調(diào)和殘余應(yīng)力。

在執(zhí)行應(yīng)力釋放過程之后，另一激光超聲檢測過程可以可選地執(zhí)行以便評估應(yīng)力釋放過程的有效性。如果滿意，則可以使用與在其它固體沉積層10,12上使用的相同或者不同參數(shù)而形成隨后的固體沉積層80。如果不滿意，則可以執(zhí)行另一應(yīng)力釋放過程。該過程可以如所必要的那樣重復(fù)許多次以達(dá)到期望的殘余應(yīng)力水平，并且可以在必要的情況下并入對隨后固體沉積層80的改變和應(yīng)力釋放過程的任何組合。

圖6是描繪了采用激光超聲檢測過程的增材制造過程的示例性實施例的流程圖。在步驟100中，形成固體沉積層10。在步驟102中，執(zhí)行激光超聲檢測過程。在步驟104中，從激光超聲檢測過程推得殘余應(yīng)力。在步驟106中，做出殘余應(yīng)力是低于、等于還是超出閾值的確定。如果殘余應(yīng)力沒有超出閾值（例如堆疊22通過測試），則在步驟108中做出關(guān)于在再次執(zhí)行另一激光超聲檢測過程之前可以形成多少個更多的固體沉積層10的確定。在步驟110中，形成所確定數(shù)目的固體沉積層10，在此之后過程返回到步驟102。

如果殘余應(yīng)力沒有超出閾值（例如堆疊22沒有通過測試），則執(zhí)行步驟112或步驟114。在步驟112中，可以使用用于激光加熱過程的不同參數(shù)來形成隨后的固體沉積層80。在步驟114中，在堆疊22上執(zhí)行殘余應(yīng)力減少過程。步驟114可以跟隨有步驟112或步驟116。在步驟116中，可以使用與形成之前形成的一個固體沉積層12時所使用的相同參數(shù)來形成隨后的固體沉積層80。步驟112和116可以跟隨有步驟102。

從上文可以看出，發(fā)明人已經(jīng)將最新的技術(shù)應(yīng)用于增材制造過程以準(zhǔn)許針對物理缺陷和殘余應(yīng)力的組件的原位、在線、非破壞性測試。過程使得能夠校正某些條件，從而節(jié)省成本并且縮短與將不滿足該過程所啟用的標(biāo)準(zhǔn)的部分相關(guān)聯(lián)的壽命。因而，這表示在現(xiàn)有技術(shù)中的改進(jìn)。

盡管已經(jīng)在本文中示出和描述了本發(fā)明的各種實施例，但是將顯而易見的是，這樣的實施例僅作為示例而提供。可以做出眾多變化、改變和替換而不脫離于本文中的發(fā)明。因而，本發(fā)明意圖僅由隨附權(quán)利要求的精神和范圍所限制。