[发明专利]一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统及方法

说明书

本发明涉及一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统及方法，将激光增材制造试件在不同热处理制度下进行热处理，得到不同微观组织，采用光纤相控阵超声检测方法对不同热处理试件进行检测，利用传统超声方法测算出超声波的测试参数；将试件通过机械测试的方法计算合金材料参数；基于两种测试结果的比较，建立超声检测参数特征值与材料宏观力学性能指标之间的映射关系，采用PSO算法进行曲线拟合，建立数学模型；建立数学模型及数据库，通过模型来定量预测相同试件的宏观力学性能指标的大小，同时采用微观组织成分、比例和晶粒的大小解释宏观力学指标大小的差异。与现有技术相比，本发明具有效率高，速度快，降低数据拟合之间的误差等优点。

技术领域

本发明涉及激光无损检测技术领域，尤其是涉及一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统及方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术，俗称3D打印、三维打印(ThreeDimension Printing)技术，目前金属增材制造技术逐渐成熟，已广泛应用于航空航天、医疗、汽车、核电等领域。近年来，随着激光增材制造成形技术发展迅猛，成形材料种类不断增多，成形精度不断提高，成形结构日趋复杂。金属构件激光增材制造成形技术作为增材制造成形技术体系中最前沿的技术，在航空航天、汽车船舶、医疗器械等领域广泛应用。在激光增材制造合金钢构件成形过程中，合金钢构件的缺陷控制、力学性能和成形质量好坏直接影响构件后续在役时的运行安全和使用寿命。硬度和抗拉强度作为合金钢的重要性能指标，不仅可以直接反映合金钢的综合力学性能，而且其与断裂性能、抗疲劳性能、抗点蚀性能及塑性性能息息相关，因此合金钢硬度及抗拉强度的评价与表征是材料力学性能测试的重要研究内容，对激光增材制造合金钢构件控形、控性具有重要意义。

激光增材制造金属构件的无损检测评价主要集中在对其缺陷和应力进行检测，对于构件内部的组织合材料力学性能包括弹性模量、密度、屈服强度、拉伸强度、延伸率和冲击韧性主要靠机械破坏的方法获得，不仅对测试样品尺寸有一定的要求同时对测试样品的表面粗造度，测量的设备都有要求。传统的机械检测方法是通过拉伸、压入、冲击等方式进行检测，检测速度慢且容易对测试样品造成破坏，且检测的结果无法实现即时在线获取。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统，该系统包括：

激光超声激发装置，通过光纤脉冲激励激光器激发出脉冲激光，将激光平均分成若干束，并对每路激光束进行放大后，将同源激光相干合束，最后通过聚焦镜聚焦到待测热处理工件上，所述待测热处理工件为激光增材制造试件在不同热处理制度下进行热处理后的试件；

激发控制装置，通过计算机控制光纤脉冲激光的激发，启停功率的调节以及光纤相控阵激发相位的调节；

环境补偿装置，对现场空气温度、湿度、大气压力和材料温度进行实时高精度检测与控制；

激光超声接收装置，与待测热处理工件连接，实现待测热处理工件上超声信号的实时采集；

扫查装置，对激光超声激发装置的激光照射位置进行定位。

所述激光超声激发装置包括高频光纤脉冲激光器、耦合器、光纤放大器和合束器。

进一步地，所述高频光纤脉冲激光器输出激光波长为1064nm，最大脉冲能量为200mj，脉冲宽度为15ns，最大重复频率为30Hz，光束发散角1°的脉冲激光。所述耦合器采用FC光纤适配器。