超聲波金屬探傷新方法 將3D打印部件凍結(jié)在冰塊里

近年來，采用3D打印的金屬部件已經(jīng)越來越多，它們被廣泛地用于航空等領(lǐng)域。但即便是一個細(xì)微的缺陷，都有可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。為此，在安裝3D打印技術(shù)部件之前，必須對其進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)缺陷檢驗。有趣的是，最佳的檢測方案竟然是——將其凍結(jié)在冰塊里。

據(jù)悉，通常這些部件是通過沉積或融化連續(xù)的金屬粉末堆層制成的，因此固體材料的檢查只能在部件制造完成后才能進(jìn)行。

圖片來源：Corrie Stookey / CEAS Marketing，via New Atlas

作為對比，傳統(tǒng)工藝是將一個較大的固體金屬塊加工成較小的零部件，因此能夠相對輕松地對其展開超聲波檢查，以防止其中有裂縫或其它不規(guī)則的瑕疵。

遺憾的是，若嘗試對3D打印金屬部件進(jìn)行超聲波檢查，那些聲波可能被其表面的曲線以一定的角度反彈開，結(jié)果導(dǎo)致內(nèi)部的缺陷被掩蓋。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，若將3D打印金屬部件浸入與其密度相似的材料中，超聲波就可以無阻礙地穿越表面，而僅反射出其中的缺陷。

辛辛那提大學(xué)航空航天工程教授Francesco Simonetti發(fā)現(xiàn)，冰塊可以作為一種耦合介質(zhì)（coupling medium）。在實驗室中，他成功地借助網(wǎng)購的現(xiàn)成鉆臺進(jìn)行了測試。

首先，他們將3D打印金屬物體凍結(jié)在冰塊中，然后通過超聲波穿過該“圓筒”去探查金屬部件的“內(nèi)傷”。不過需要指出的是，冰塊不能包含任何不規(guī)則的裂縫或氣泡，其本身必須是晶瑩剔透的。

在試驗中發(fā)現(xiàn)，裂縫通常會在水中從容器外部向內(nèi)凍結(jié)時產(chǎn)生。由于核心部分會反向凍結(jié)和膨脹，導(dǎo)致圍繞液芯的冰殼出現(xiàn)碎裂縫隙。

為防止這種情況的發(fā)生，Simonetti先將3D打印部件置入空的圓筒，用水進(jìn)行填充。然后在圓筒底部使用金屬板，從底部向上對水進(jìn)行冷卻。

結(jié)果就是，水從底部開始凍結(jié)（而不是側(cè)面），膨脹到容器的開放和非約束的頂部。這樣很好的消除了內(nèi)部的壓力，因此沒有形成裂縫。

此外為了防止氣泡的形成，需要在冷卻的過程中對水進(jìn)行機械攪拌，使得水中溶解的空氣不會沿著“冷凍的前沿方向”形成氣泡（這是剛形成的冰與仍然液態(tài)的水相遇的區(qū)域）。

需要指出的是，盡管這樣產(chǎn)生的超清冰作為耦合介質(zhì)的效果已經(jīng)很不錯，但還不夠完美。為此，Simonetti計劃嘗試在水中添加納米顆粒懸浮液，從而產(chǎn)生重量和強度更高、更接近于金屬密度的冰。

有關(guān)這項研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《NDT＆E International》期刊上。原標(biāo)題為：《Experimental methods for ultrasonic testing of complex-shaped parts encased in ice》

來源：Science科學(xué)