综述：同步X射线成像和衍射在增材制造中的应用 （一）

综述：同步X射线成像和衍射在增材制造中的应用 （一）

　　笔记本录屏软件,淘宝抠图软件,吉他编曲软件增材制造(AM)是一种基于离散累积思想的快速成型技术，具有在快速设计到制造周期内经济地制造具有复杂几何结构的零件的优点。然而，由于激光/电子束-粉末相互作用、快速熔化和凝固过程以及组织演变的复杂性，AM过程中不可避免地会出现各种内部缺陷，如球化、裂纹、残余应力和气孔等。气孔缺陷的存在会潜在地恶化选择性激光熔化(SLM)构件的力学性能，如材料的刚性、硬度、抗拉强度以及抗疲劳性能等。同步X射线成像和衍射是精细表征AM零件内部缺陷特征和力学性能的重要无损手段。本文综述了同步辐射X射线在鉴别和验证AM零件质量和要求方面的应用。综述了利用同步辐射X射线成像和衍射技术表征印刷构件的缺陷、显微组织和力学性能。随后，本文还详细阐述了利用同步辐射X射线成像在线表征AM过程中显微组织的演化，并介绍了利用X射线衍射(XRD)测量AM应力的方法。最后对同步辐射X射线表征在AM中未来的应用进行了展望。

　　关键词：增材制造；同步X射线成像；X射线衍射；缺陷形成；力学性能；残余应力。

　　增材制造，俗称3D打印，是20世纪90年代发展起来的主要快速成型技术之一。它通常以金属粉末为原料，通过计算机辅助设计(CAD)模型的预铺层过程将粉末材料预铺在基板区域，然后利用高能束逐层熔化金属粉末，最终形成构件[2,3]。增材制造技术不仅可以满足制造过程中特殊零件的加工要求，而且可以不受零件几何形状的限制，快速生产新产品的样品、模具或模型，提高生产效率。因此，AM的出现为航空航天、铸造工业、建筑、医疗设备等诸多领域的制造技术发展提供了新的动力。

　　然而，由于对AM的基本物理和冶金过程缺乏充分了解，AM生产无缺陷构件仍然具有挑战性。该过程通常受到激光能量输入和扫描速度、扫描策略、粉末材料、粉末尺寸和形貌等诸多因素的影响。上述因素可能导致气孔、未完全熔合孔、裂纹、杂质等缺陷的形成。这些缺陷在其机械和物理性能方面对制造零件有害，这反过来又限制了AM的应用[4,5]。制造零件内部缺陷的精确表征被寄予厚望。此外，增材制造零件的结构通常比较复杂，导致传统检测过程中存在较大的检测盲区。对于AM零件，传统的破坏性检测已经不能满足要求。先进的无损检测方法是非常需要的，特别是对于具有复杂结构和高精度的零件。然而，零件显微组织的不均匀性和缺陷的各向异性给定性和定量检测带来了挑战。

　　无损检测包括传统的超声波检测、X射线检测、涡流检测等。其中，X射线检测对于通过射线D)检测复杂样品具有优势，如图1所示。二维成像包括直接照相，利用不同厚度或密度的材料在X射线吸收上的差异，显示显示屏上零件的结构和缺陷。而3D断层扫描又称X射线计算机断层扫描(XCT)，它通过将整套2D投影重建成一系列包含构件微观/宏观结构信息的切片，从而获得三维体或面绘制。它能够直观、准确地表征物体的结构，在孔隙表征、尺寸测量和逆向建模等方面有着广泛的应用。

　　由于增材制造本质上是一个非平衡态的热力过程，零件在快速加热和冷却过程中不可避免出现组织不均匀、冶金缺陷、残余应力和裂纹等问题。高残余应力梯度也会导致变形或微裂纹，影响打印组件的性能[10,11]。测量残余应力仍然是一个挑战，目前还没有直接测量其值的方法。构件中的残余应力主要通过间接方法进行评估，即通过晶格畸变引起的物理性质的变化来了解残余应力。但由于增材制造零件的残余应力状态复杂，需要采用无损检测技术，包括X射线衍射(XRD)、同步辐射、中子衍射、超声等。其中，XRD因其定量测量、准确、成本低等优点，被认为是测量残余应力最有效、最广泛的方法。此外，XRD在鉴定晶体材料、AM部件的择优取向、颗粒尺寸和结构随机性方面也发挥着重要作用[15,16]。

　　本文概述了同步辐射X射线成像和衍射在AM中的应用，共分为4个部分。第一节简要介绍了XCT对金属粉末、显微组织、尺寸计量、缺陷和AM零件力学性能的表征。第二节汇集了在原位分析AM过程中组织演变的研究。第三部分介绍了用X射线衍射仪测量AM零件的残馀应力。最后，将在论文的最后部分讨论当前的挑战和未来的应用。

　　AM工艺中，原料金属粉末的性能在一定程度上影响零件的极限性能。因此，对原料粉末材料的特性进行研究，从而优化AM工艺，提高AM零件的质量。目前对金属粉末的研究主要集中在粉末的制备工艺、显微组织的粒径和杂质含量、粉末的形貌和相等方面。然而，常用的表征方法如扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、差示扫描量热法(DSC)只能表征粉末某一截面的微观形貌和显微组织，无法全面分析粉末的整体性能。因此，利用同步辐射或实验X射线断层扫描可以更好地表征粉末的三维显微组织，从而促进后续的形成过程。

　　Zhao等人[17]利用同步辐射X射线成像技术对气体雾化Ti6Al4V合金粉末的表面和内部孔隙进行了表征。结果表明，随着粉末粒度的减小，粉末表面由凹陷、波峰逐渐变为光滑表面，粉末内部孔隙逐渐减少。此外，粉体的孔隙度和孔径随着粉体粒径的增大而增大，如图2所示。同时表明粉末的3D形貌有助于准确表征缺陷的位置和尺寸，并可以计算出体积、表面积等信息。

　　此外，Zhou等人[18]通过XCT和SEM表征了粉末形貌。结果表明，与二维切片相比，XCT结果与粉末颗粒的SEM图像的测量结果更接近。近年来，学者们主要关注中空粉末在AM过程中的作用。Wang等人[19]通过XCT重建了AlSi10Mg颗粒中空腔的三维形貌。他们发现颗粒中的空腔显著影响了材料的热传导，从而降低了烧结密度(图3)。

　　上述结果表明，XCT技术具有全面表征原始粉末材料三维形貌的能力，为进一步研究AM过程中粉末特性的影响奠定了基础。

　　图3 a AlSi10Mg颗粒中的空腔；b 2D切片；c粒子中空腔的3D重建结构；d空腔尺寸分布

　　除了原料粉末材料的定性和定量特征外，还可以利用XCT表征AM零件的3D显微组织。AM零件通常具有复杂的显微组织。基于计算机断层扫描(CT)成像的特点，重建的三维图像包含了AM零件的所有内部特征，能够清晰地表征零件的内部结构和缺陷。

　　Ahn等人[20]对电子束增材制造(EBAM)纯钛植入物进行了分析，发现商业纯钛植入物由内框架和内孔组成，内孔附着着约80μm的钛粉，内孔孔径随孔隙度的增加而迅速增大。图4显示了不同孔隙度的CP-Ti植入物。Wen等人[21]利用XCT对SLM打印的Ti-Al合金晶格结构进行了表征。XCT方法实现了AM复杂晶格结构的可视化，为晶格结构的可靠性分析提供了有力的技术支持和依据。最近，Carneiro等人[22]提出了一种将AM与熔模铸造相结合的新技术，并利用XCT技术表征了晶格样品的宏观尺度结构和缺陷。这种方法对改造金属晶格结构具有重要意义。

　　以上结论说明CT是表征AM零件形貌和内部结构的有力手段。未来，CT与电子背向散射检测(EBSD)数据的结合将为更好地改善AM部件性能提供更多的可能。

　　由于AM零件的复杂性，其内部特征无法通过传统的尺寸测量技术进行测量，因此自2011年以来，CT在零件检测、工艺验证和尺寸测量中发挥了重要作用。

　　为了验证零件的几何一致性，通常将AM零件的CT体元模型与原始CAD文件进行对比，以评估其与原始设计的尺寸偏差。Kruth等人[24]研究了XCT在尺寸质量控制中的应用，包括CT计量的基本原理和测量不确定度。通过与实际形状的比较，计算出与标称几何形状的偏差。他们进一步概述了XCT计量学的原理，突出了各种数据采集策略以及与散射、光束硬化和边缘检测相关的问题。此外，作者还提到了缺乏用于XCT验证和校准的参考对象，这大大限制了XCT计量学在AM或相关领域的适用性。Carmignato等人[25,26]总结了XCT尺寸测量的精度评定方法，讨论了性能验证和可追溯性建立方法，指出XCT对AM零件尺寸测量的重要性。

　　此外，由于可再现性和可重复性是当前AM零件的主要限制和挑战，一些学者已经使用工件来控制机器或过程的性能。Kruth[27]在1991年最先提到用于比较AM系统的测试工件。Moylan等人[28]基于他们的结果，在总结以前的测试工件特点的基础上，提出了一个新版本的NIST测试工件用于AM机器评估，并结合坐标测量机(CMM)和XCT检测其内部缺陷。最后，通过SLM和电子束熔熔化(EBM)成功地制造了这种新的测试工件，表明它将成为测试AM系统性能的新标准。图5显示了SLM制作的测试工件的图片。M?hring等人[30]使用XCT测量工件的尺寸，然后比较原始CAD数据绘制制造误差(图6)。结合仿真、机器分析和适当的测量，作者对工件的能力进行了综合评估。这为工件在生产工程研究中的进一步应用奠定了基础。

　　CT方法也被广泛应用于逆向工程中对零件进行扫描，得到用于AM工艺00lxc`11`1`1234567CAD模型。CT的逆向`2345工程始于生物学领域，后来慢慢扩展到AM领域。Cooper等人[31]对AM制造的空心发动机气门进行了CT扫描，评价了其内部几何形状和材料完整性。作者发现该零件的几何形状与CAD模型吻合较好，未发现明显缺陷。这足以说明XCT是验证CAD模型的重要工具。Bauer等人[32]研究了涡轮叶片逆向工程和重复工作流的计量研究。他们通过SLM制作了一个测试组件并进行了CT扫描。计算了实际和扫描件的表面偏差和标准偏差，优化了打印参数。图7显示了激光粉末床熔合(LPBF)构建的面部植入物的CAD方差分析。蓝域比设计区域要小，红域大。在这里，逆向工程定量地提供了制造方法和数据采集的不准确性，有助于降低更换新零件的成本。

　　拓展CT计量学在AM零件测量中的应用是未来需要探索的方向。为了提高CT测量的准确性，测量的不确定度必须在微米以内。此外，继续开展XCT系统校准和验证工作，以增加技术的采用，并开展XCT表面纹理测量的新研究，对于促进CT尺寸测量的发展也至关重要。

　　在SLM成形过程中，金属零件在激光的作用下会经历复杂的非平衡热力学行为，零件的可成形性受到多种因素的影响。这些因素对AM零件的显微组织形成和力学性能有显著影响。打印过程中参数的不当必然会导致孔隙、未完全熔合孔、裂纹等缺陷的形成。缺陷的出现不仅降低了零件的致密度而且恶化了其综合性能，严重制约了AM的发展[34,35]。因此，对AM零件中的缺陷进行细致的表征，获得对缺陷的充分了解，从而在AM过程中消除或尽量减少缺陷，具有重要意义。考虑到随机取样的性质和相对较少的孔隙数量，XCT可以提供关于材料中孔隙的精确形状和位置的3D信息。与传统的金相法相比，它更准确。将XCT应用于密度和孔隙度的无损测量，以及孔隙形态和分布的研究，现在已经是一个成熟的实践，特别适用于AM零件的缺陷表征。

　　Van Bael等人[38]利用SLM设计制造了多孔Ti6Al4V结构试样，通过CT表征技术得到了孔隙体积、孔隙度、比表面积和设计孔径的经验相关函数，为SLM制造多孔结构件奠定了基础。Tammas-Williamset等人[39]通过XCT详细研究了Ti6Al4V样品中气孔的尺寸、体积分数和空间分布，如图8所示。他们还发现，气孔并不是随机分布的，而且大多数气孔是小的球形气孔，集中在填充影线区。他们还发现，在一定范围内增加电子束的能量密度或焦点可以降低气体孔隙度的水平[40,41]。

　　Plessis等人[42]通过无损XCT研究了不同3D几何形状Ti6Al4V零件中计划诱导缺陷的缺乏熔合[42]。如图9 CT结果显示，在高度高达180μm的垂直于施工方向的诱导缺陷层中发生了部分熔化。这说明熔合物通过空腔上方的熔合层存在，尽量减少了搭建平台平面内缺陷的形成。而在垂直孔洞平行于构建方向的情况下，观察到了较大的缺陷。2019年，Neikter等人[43]利用XCT将EBM制造的Ti6Al4V中的缺陷与应力集中进行了关联。他们发现Ti6Al4V样品中存在0.078vol%的缺陷。结果表明，大多数缺陷更靠近表面，这与之前的研究中的工艺参数“轮廓”相关，这两个样品都是用它来构建的。同年，Gong等人[44]利用XCT检测了SLM和EBM制备的Ti6Al4V试样中的缺陷。结果表明，SLM缺陷由于尺寸较小难以识别其轮廓特征，但EBM随机缺陷较大，足以可视化。此外，作者还发现通过图像处理可以用单张切片来估计EBM试样的孔隙度，而SLM试样的单张切片仅表现出粗糙的纹理，无法用于孔隙度分析。提出了一种通过精心选择中和灰度阈值来近似估算孔隙度的经验方法。

　　图8 XCT数据集的示例。a体素尺寸为9.9μm的Ti6Al4V样品；b体素大小为2.1μm的同一样本的边缘和中心

　　图9孔隙度随构建方向变化的CT视图。a、b：两个方向和c一个裁剪视图，以强调孔隙轨迹的方向性

　　最近，Chioibasu等人[45]通过XCT在Ti6Al4V中发现了两种孔隙：一种是局部蒸发导致的球形孔隙，另一种是AM过程中直线之间缺乏重叠导致的多面体孔隙。XCT成功地为每个变化的参数提供了有关孔的排列、位置和大小的信息。他们的研究证实，XCT是一种非常宝贵的工具，可用于对打印组件进行无损表征以进行缺陷评估。同样，Liu等人[46]利用XCT详细分析了SLM Ti6Al4V试样在不同加工参数下孔隙缺陷的空间和形态特征。他们提供了一种关于打印过程中工艺条件对形成孔隙或未熔化粉末颗粒的影响的见解。详尽的研究有助于在缺陷形成的基础上加深对缺陷形成机理的理解。他们还详细讨论了孔隙相对于零件的几何特征和取向及其对拉伸性能的影响(图10)。

　　此外，铝合金也是AM广泛使用的常用材料之一。Cai等人[47]在2015年利用XCT测量并表征了SLM制备的AlSi10Mg样品的孔隙度。基于XCT图像切片的孔隙度特征表明，在SLM过程中增加激光功率会降低材料的孔隙度水平。在350W足够高的激光功率下获得了无气孔的试样。结果表明，随着无损XCT方法的应用，SLM试样中的孔隙度可以通过形状和尺寸进行测量和表征，以增强对材料孔隙度工艺参数的理解，从而为SLM AlSi10Mg部件的质量控制提供依据。同样，通过XCT对AlSi10Mg气孔和未完全熔合孔的研究，如图11所示，Maskery等人[48]对孔隙的空间、尺寸和形状分布进行了定量分析。他们发现最大的孔隙呈强烈的各向异性，在XY平面上呈与构建方向垂直的扁圆盘状。

　　XCT方法还用于研究其他金属材料的孔隙度缺陷，如SLM制造的316L不锈钢(SS)和CoCrMo合金。Zió?kowski等人[49]通过XCT对SLM技术生产的SS316L中的不连续性和孔隙度检测进行了表征，包括孔隙的大小、形状和方向。对制作的三个试验样品的分析表明，将XCT作为试样质量控制的方法为检测材料中的孔隙度提供了广泛的可能性。并且基于XCT测量分析得到的数据，可以确定裂纹的走向并诊断可能是裂纹萌生点的位置。

　　随后，Zhou等人[50,51]利用同步辐射X射线成像技术重建了CoCrMo合金中SLM缺陷的3D形貌。图12为CoCrMo合金中的两种缺陷，一种是长而浅的单层缺陷，另一种是长而宽较小的多层缺陷。偶然的单层缺陷被认为是相邻激光熔道之间的间隙或熔道的不连续，是由于在各种扰动下固有的流体不稳定性造成的。多层缺陷通常在第一层形成的单层缺陷上复盖2-3层后续粉末层。他们认为可以通过稳定熔池流动或通过调整加工参数来降低表面粗糙度来实现缺陷浓度的降低。此外，Wang等人[52]通过最先进的高分辨率CT研究了电弧丝材增材制造(WAAM)中钼的内部缺陷。如图13所示，主要有3种类型的缺陷：小球状气孔(SSP)，倒梨状气孔(IPP)和空腔。通过对内部缺陷的数量和形态进行定量和统计分析，提出了不同类型缺陷的形成机制，并与制造参数进行了关联。特别地，他们发现IPPs是由SSPs的坍塌形成的，这与重熔过程有关。此外，孔隙的球形度与尺寸有关。孔径越小，球形度越高。这些观察结果有助于解释WAAM制造的Mo的缺陷形成机理。

　　图12 3D的CT表征。a、b单层缺陷和c、d多层缺陷在不同方向上的形貌

　　图13 a用Ip=200A和Ib=60A制造的峰1样品；b为a中红域的原始扫描断层图；c为b中蓝域的重建图像；为了更好的可视化，d为没有SSPs的c的图像；e为d中黄域的图像

　　上文提到，大多数学者研究了工艺参数对缺陷的影响，其中缺陷的特征和分布对增材制造零件的性能有不同的影响。近年来，一些学者对缺陷特征进行了分类，并探讨了缺陷特征与增材制造零件性能之间的关系。Sanaei等人[53]基于讨论的2D和3D缺陷表征检测方法评估了缺陷特征(尺寸、球形度/圆形度、纵横比)之间的相关性。如图14所示，他们使用球形度和纵横比来表示直径、缺陷在不同平面上的投影面积、缺陷体积和缺陷形态，从而更好地可视化各种缺陷特征。类似的，Liu等人[46]还利用CT对SLM过程中Ti6Al4V的四种典型缺陷进行了表征，统计了三种能量密度下的孔隙取向和空间分布。并讨论了疲劳性能与缺陷特征的关系。结果表明，随着缺陷直径的增大，缺陷的长径比和球形度普遍减小，使得较大的缺陷对疲劳性能更加关键。基于卷积神经网络(CNN)的快速层析成像算法，Zhu等人[54]将粘结剂喷射铜试样的XCT表征的105个孔洞划分为四个具有不同特征的形态组，并建立了一个全面的缺陷库。此外，作者还利用无监督学习将检测到的孔隙有效地划分为4个特征明显的形态组[如图15(a)所示]，并量化了孔隙形态的演化[图15(b)]。本研究有助于进一步发展深度学习算法，更好地表征XCT检查的打印样品中缺陷的拓扑结构和相邻孔隙的潜在相互作用。

　　尽管XCT被广泛应用于定性和定量表征AM制造零件中孔隙缺陷的3D特征，但值得注意的是，缺陷分析强烈依赖于阈值，阈值直接决定了缺陷的大小、形状和形态。自动判定不受人为因素的影响；然而，在体素分辨率不足的情况下测量体数据时，会给出不准确的结果。值得注意的是，XCT很难区分构件内部细小球形孔隙的来源，它们可能来自匙孔或粉末。在今后的工作中，应充分利用机器学习、数值模拟等先进手段，从多角度识别缺陷的不同特征，深入探究缺陷的形成机理，对增强零件的致密性，减少缺陷的形成具有重要意义。

　　图14 a用软件对Ti6Al4V AM250和M290退火后的试样进行显微CT结果采集的缺陷纵横比( AR )和球形度可视化；b光学显微镜中观察到的缺陷的纵横比(AR)和球形度可视化