基于高阶兰姆波的金属增材制件中残余应力的无损检测原理和技术

Metal additive manufacturing technology is developing towards large-size components, among which deformation and cracking problem has become the bottleneck problems, leading to a technical bottleneck of material manufacturing process and quality control. The deformation and cracking often results from the uneven distribution of residual stress, therefore, it is of desirable to build a nondestructive testing system based on acoustoelastic Lamb wave to measure both global and local residual stress in the additive manufactured metals. In this project, the objective is focused on the residual stress distribution in metal additive manufacturing, and fundamental research is carried out on the wave propagation of ultrasonic high-order Lamb wave in the metal plate from the additive manufacturing. The main contents include: acoustoelastic Lamb wave propagation in the additive manufactured metal, high-order Lamb wave based residual stress measurement for large-scale parts, zero-group-velocity mode for local stress measurement, and calibration technology for residual stress measurement. This project aims to eventually form the theory of residual stress evaluation based on ultrasonic lamb wave technology, the technological system and the technical specification, in order to evaluate the residual stress distribution inside the additive manufactured parts and ensure its quality, safety performance and service reliability.

金属增材制造技术正在向大尺寸构件制造技术发展，其中变形和开裂问题是一直制约金属增材制造的瓶颈性难题，已经成为增材制造工艺和质量控制中不可逾越的技术瓶颈。而变形和开裂往往是由于构件内部残余应力分布不均匀造成的，因此，需要构建一套基于声弹性原理的全局和局部超声残余应力检测技术。本项目以金属增材制件中的残余应力分布为研究对象，对金属增材制件中应力场作用下超声波的非线性波动规律进行基础科学研究。具体内容包括：应力场对金属增材制件中超声波各模态的影响规律、基于高阶兰姆波的大尺寸金属制件中残余应力的检测技术、基于零群速模态的局部残余应力检测技术以及残余应力超声无损检测的校准技术。本项目旨在最终形成基于高阶超声兰姆波的全局-局部残余应力检测理论、技术体系和技术规范，解决金属增材制件内部残余应力分布，保证增材制件质量、安全性能和服役可靠性。

变形和开裂问题是一直制约金属增材制造的关键难题，已经成为增材制造工艺和质量控制中不可逾越的技术瓶颈。本项目针对增材制件材料组织的各向异性和内部不均匀分布残余应力特性，开展了基于超声兰姆波的全局和局部残余应力检测研究。首先，基于双模式超声换能器对SLM 316L不锈钢制件的不同方向弹性常数及其分布进行表征研究，验证了金属增材制件存在明显的各向异性，并讨论了加工过程中扫描速度和扫描间距等工艺参数对弹性参数的影响。基于Floquet-Bloch理论和默纳汉超弹性材料模型建立了兰姆波声弹性效应数值分析模型，分析了不同模态兰姆波对应力的敏感度。搭建接触式与非接触式兰姆波应力测量试验系统，成功在薄板中激励出了高信噪比的低阶和高阶兰姆波模态，并通过拉伸试验验证了接触式高阶兰姆波模态的应力测量的有效性。针对局部应力问题，提出采用S1零群速模态进行薄板应力的精确局部测量，实现了薄板的应力分布测量，所获得的测量应力分布与实际情况高度吻合。通过标准拉伸试验施加标准载荷，获得超声传播时间与均匀应力之间的关系，实现了变截面试样不均匀应力分布测量，测量误差小于15 MPa。在此基础上开发了一款便携式高度集成化的三维残余应力与弹性模量超声检测仪，验证了本项目的有效性。基于上述研究成果，本项目发表相关学术论文13篇，其中SCI论文6篇，EI论文2篇，申请国家发明专利3项，授权2项，以该项目为依托培养硕士研究生7名，基本完成了项目的计划内容和预期研究目标。本项目所形成的的声弹性理论分析模型与应力测量技术，可以为金属结构内部应力提供理论与技术支撑，保证结构的质量、安全性能和服役可靠性。