国家针对增材制造金属粉末制定了专门的标准-GB/T 39251-2020《增材制造 金属粉末性能表征方法》。该标准中对金属粉末的几个关键指标的检测方法进行了规定。其中空心粉的检测方法主要为金相法和工业CT扫描法。

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目前，增材制造用的金属粉末加工工艺主要有球化法、雾化法、旋转电极法，这些加工方法虽然是主流技术，但是在制造过程中总是不可避免的存在气孔缺陷，存在这种缺陷的粉末就叫空心粉。空心粉率就是指空心粉相对粉末颗粒总数的比例。

其实，金属粉末的性能技术指标有很多，比如粒度、比表面积、松装密度、振实密度、流动性等等。

之所以要强调空心粉率的检测，是因为代表气孔缺陷的空心粉，会直接影响增材制造最终品的抗拉强度、屈服强度等关键性能指标，而且空心粉率过高直接会导致产品的疲劳寿命下降。空心粉的占比和尺寸直接影响到成品件的使用性能和寿命，所以需要对空心粉进行有效控制，保证其质量。

检测金属粉末空心粉的方法主要就是显微镜法、工业计算机层析成像（CT）法。有鉴于此，拜恩检测的工程师详细介绍了这两种方法。

 显微镜法检测空心粉及空心粉率

显微镜法也就是金相检测法，主要是采用金相镶样方法将金属粉末进行镶样、磨抛，得到粉末金相试样，然后利用光学显微镜或扫描电子显微镜-背散射电子成像观察粉末颗粒的截面图像，统计出图像中的粉末颗粒总数量和空心粉颗粒数量，经计算得出该批次粉末样品的空心粉率。

步骤

首选将金属粉末和镶嵌材料进行充分混合。然后将粉末混合料采用热镶法或冷镶法，制备得到粉末金相试样。接着对金相试样进行研磨、抛光、试样磨下量宜不小于 0.5 mm，肉眼可见粉末颗粒的金属光泽，磨抛完成后清洗、干燥试样。然后利用光学显微镜（GB/T 13298）或利用扫描电子显微镜（GB/T 16594）对粉末金相试样进行观察，按照不同粒度粉末的推荐图像放大倍数，在试样磨抛面的不同位置观察并拍摄颗粒截面图像。

判定原则

1.具有灰白色截面的颗粒均判定为金属粉末颗粒；

2.具有灰白色截面的颗粒出现封闭或半封闭暗色区域，判定为空心粉颗粒；

3.根据显微镜法的特点，截面最大尺寸≤5 μm 且不存在空心的颗粒不计入粉末颗粒总数量；

4.对于所有的粉末颗粒，只要存在空心，均计入空心粉颗粒数量；对于不存在空心的颗粒，位于图像边缘无法显示整个截面的颗粒不计入粉末颗粒总数量；

5.对于团聚的“卫星粉”，如果颗粒之间没有相互嵌入，则分别统计数量，如果颗粒之间相互嵌入，则判定为一个颗粒；

6.磨抛时发生破损的非完整颗粒，判定为一个颗粒。

7.图像中的颗粒数量可利用图像分析软件统计，空心粉颗粒数量的统计采用图像分析软件和人工统计相结合的方法。

8.统计的粉末颗粒总数量推荐不少于 3000（颗或个），或由供需双方协定。

采用显微镜法检测空心粉率要注意的是，无论是采用热镶法还是冷镶法进行粉末金相制样，都是没有差异的。金属粉末颗粒有不同的形态，不如不完整颗粒、微小尺寸颗粒、“卫星粉”颗粒等等，都需要明确进行识别和统计。对于尺寸≤5μm的颗粒，可以不做统计，但是如果能观测到空心，也需要做计数处理。在此推荐观测的粉末颗粒总数不少于3000（个或颗）。

 工业计算机层析成像（CT）法

CT法主要是利用工业计算机层析成像（CT）系统，对金属粉末进行断层扫描，得到粉末的二维断层图像，通过三维重构软件，重构出粉末颗粒的三维立体图像，统计出二维或三维图像中的粉末颗粒总数量和空心粉颗粒数量，经计算得出该批次粉末样品的空心粉率。

步骤

1.根据金属粉末粒度大小，选取合适的试管规格和夹具，将粉末样品装入试管中，试管两端进行封堵，粉末装入后应适当振实。

2.将试管装在转台中心位置，装夹保持垂直，试管水平旋转 360°以确保样品在检测视场内。

3.通过调节 X 射线源电流、电压值得到二维断层图像最佳的灰度值区间，宜选用低电压、高电流以增加对比度，在确保图像清晰度的情况下，选用最大的放大倍数。

4.扫描试管的中间区域，获取粉末颗粒的二维断层图像，可利用重构软件将二维断层图像重构为三维立体图像信息，并对图像进行对比度、

亮度等调整，过滤不必要的材料，如空气等，使图像便于观察。

5.采用分析软件对粉末样品的二维或三维图像分别进行粉末颗粒和空心粉颗粒数量统计，根据工业计算机层析成像（CT）法的特点，空心部分最大尺寸≤10 μm 的颗粒不计入空心粉颗粒数量，可根据需要选择二维图像分析或三维图像分析。

6.统计的粉末颗粒总数量推荐不少于 20000（颗或个），或由供需双方协定。

二维图像分析

1.二维图像切片扫描时，切片厚度要大于粉末颗粒的最大直径；

2.利用设备的图像分析软件自动识别样品中所有的空心粉颗粒；

3.颗粒总数量、空心粉颗粒的统计按照显微镜法的规定执行。

三维图像分析

1.统计前采用分水岭算法将粘附的粉末颗粒进行分离，分别统计颗

粒数量，不同颜色代表独立的颗粒；

2.统计前去除由于 CT 切片导致的非完整的颗粒；

3.颗粒内部出现封闭暗色区域即为空心颗粒。

采用工业计算机层析成像（CT）法时，我们要注意的是：不同厂家的仪器设备型号、软件操作可能都有差异，当然，以上的操作流程属于通用方法。我们在实际检测时，要根据检测仪器设备的能力进行制样，选择合适试管规格。CT设备的检测分辨率通常可以达到 3μm 以下，但是对于粉末颗粒来说，空心部分尺寸小于 10 μm 左右时，一般无法清晰辨别，因此对于空心部分最大尺寸≤10 μm的颗粒，不计入空心粉颗粒数量，但是依旧计入粉末颗粒总数量。此推荐观测的粉末颗粒总数不少于2000（个或颗）。

以上便是增材制造用金属粉末空心粉率两种检测方法。显微镜法操作简便、成本较低，缺点是制样得到的空心粉颗粒截面具有随机性，并且容易受到人为操作误差的影响。而工业计算机层析成像（CT）法的检测对设备、人员、环境要求较高，所以一般需要委托专业第三方检测，因此检测成本较高，耗时较长，但是其单次检测粉末量较大，统计性较好。所以大家可根据 可根据产品情况及实际需求，选择合适的空心粉率检测方法。

l 文章来源：拜恩检测

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然而，由于空心构件的复杂性，如何快速、高精度及确定性地检测增材制造结构件内部的尺寸分布，缺陷种类、形状及分布规律成为限制该技术应用的难题。

ASTM F2924《铺粉熔覆增材制造Ti-6Al-4V标准规范》虽然对选区熔化增材制造产品的内部品质方面做了要求，但标准只规定了采用射线检测执行的方法，合格判据､检查部位和抽样方法等都未具体说明。射线检测虽然能有效检测结构内部缺陷，但选区熔化增材制造产品的内部结构非常复杂，如点阵结构､镂空结构等，在这些结构中射线易受结构遮挡，无法实现100%检测。

工业CT(计算机断层成像)技术是基于二维或三维成像技术的先进无损检测手段，适合于不同材料和结构的无损检测，尤其适合结构比较复杂的零部件的检测。

 工业CT技术

图1 工业CT成像原理示意

工业CT技术的特点是：

1.  不受被检物体结构、材料及表面状况等限制；
2. 给出被检物体某一截面的断层图像或三维图像，成像简单直观，能清晰表征被检物体的内部结构信息；
3.  内部结构信息能精确度量。

这些特点正好弥补了射线检测等常规检测方法的不足，能很好地对激光选区熔化增材制造复杂零部件的内部缺陷进行检测。国外已采用先进的工业CT技术对增材制造结构进行了检测。

图2 通过金属增材制造技术制成的Pogo-Z挡板，RS-25、J2-X喷嘴，喷油器和阀体的工业CT图像

由上图可以看出，工业CT技术不仅能够给出复杂构件的轮廓特征，更能够便捷地获得其他无损检测方法所无法获得的内部特征。

 激光选区熔化增材制造的典型缺陷形成机理与特征

激光选区熔化增材制造技术是合金粉末在激光束作用下熔化、析出、凝固并实现冶金的过程。由于整个过程都是在极短时间内完成的，易在成型制件中产生孔洞、裂纹、球化、飞溅等不良缺陷，严重影响了成型制件的品质和性能。其中，内部缺陷以孔洞(含熔合不良)及裂纹为主。

1. 孔洞形成机理与特征

孔洞缺陷是激光选区熔化中极易产生的内部缺陷，易对增材制件的力学性能产生严重影响，进而制约实际产品的工程化应用。

在合金粉末的激光熔化过程中，激光束熔化合金粉末呈液相，激光与粉末的作用时间极短(通常范围为0.5~25ms)，同时液相的凝固过程也很快。如果合金粉末的致密度不够，颗粒间存在缝隙，也会存在气体，那么在合金快速凝固的过程中，由于气体不能及时完全排出，部分就会存在于熔体中，而在凝固时再析出从而形成孔洞。在某一激光选区熔化工艺参数下产生的孔洞缺陷扫描电镜图如下图所示：

图3 典型孔洞缺陷扫描电镜图

2. 裂纹形成机理与特征

裂纹缺陷是激光选区熔化过程中极易产生的内部缺陷，对增材制件的力学性能和使用性能有重要影响，是增材制造过程着力控制的缺陷类型，也是对制件和产品危害比较大的缺陷。

在激光选区熔化过程中，合金粉末、基体材料都经历着固态变液态、液态又变为固态、冷却至室温的变化过程。在整个变化过程中，烧结层的金属、基材表面过渡层的金属均不同程度地存在着体积收缩。当因收缩产生的局部应力超过材料的强度极限时，裂纹缺陷就会产生。另外，未熔化完全的粉末或合金粉末中带有的杂质易形成裂纹。在某一激光选区熔化工艺参数下产生的裂纹缺陷扫描电镜图如下图所示：

图4 典型裂纹缺陷扫描电镜图

 孔洞类对比试件及其工业CT试验

图5 孔洞类对比试件结构示意及实物图

如上图所示，在“T”字形双圆柱的大圆柱边缘，用电火花､激光打孔等工艺加工制作了直径分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5mm的圆孔，圆孔深度不少于2.0mm，均匀分布在圆柱边缘，大圆柱直径与被检件有效穿透厚度一致。

大圆柱直径为10mm，管电压140kV，管电流150μA，曝光时间0.25s，采集角度1080°，射线源到被检物体的距离(SOD)41mm，射线源到探测器的距离(SDD)698mm，图像合并数4，像素合并数1。

图6 孔洞类对比试件CT检测结果(俯视图)

图7 孔洞类对比试件CT检测结果(主视图)

图8 孔洞类对比试件CT检测结果(左视图)

可以看出，对比试件中直径分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5mm的5个气孔均能清晰检测出来，同时检测出了长度为0.1mm左右的夹杂缺陷(图中白点)。

 裂纹类对比试件及其工业CT试验

图9 裂纹类对比试件基本结构示意

裂纹类对比试件的制作要求如下：

1. 基体部分材料与被检件材料一致，圆柱体直径与被检件有效射线束穿透厚度一致，高度为40mm。沿中轴线将其分割成相同的两部分，一端放置阻隔块，另一端为零点标注刻度。
2. 人工裂纹的宽度可以通过测量或计算得到，按照刻度记录不同位置处的裂纹宽度(开口宽度)，宽度范围一般为0.05~0.2mm。

管电压400kV，管电流1.0mA，曝光时间1s，采集角度1080°，SOD为230mm，SDD为863mm，图像合并数2，像素合并数1。

图10 直径为10mm和20mm的TC4激光选区增材制造裂纹类对比试件CT检测结果(主视图)

由上图可以看出，对比试件开口为0.05mm的裂纹能清晰检测出来。

  缺陷模拟试件工业CT检测

孔洞类缺陷模拟试件由激光选区熔化打印而成，试件尺寸(长×宽×高)为20mm×20mm×10mm，试件中预置孔洞6个，直径分别为0.3，0.5，1.0mm的3种孔洞各2个，6个孔洞均位于试样厚度(z向)的中间平面上，但相互错开。

图11 孔洞类缺陷模拟试件结构示意及实物图

对该孔洞类缺陷模拟试件开展三维CT检测试验，管电压180kV，管电流150μA，曝光时间0.25s，采集角度1080°，SOD为85mm，SDD为697mm，图像合并数4，像素合并数1。

图12 孔洞类缺陷模拟试件的CT检测结果(俯视图)

图13 孔洞类缺陷模拟试件的CT检测结果(主视图)

图14 孔洞类缺陷模拟试件的CT检测结果(左视图)

由上图可以看出，直径为0.3mm的孔洞类缺陷能清晰检测出来。

裂纹类缺陷模拟试件由激光选区熔化打印而成，试件尺寸(长×宽×高)为10mm×10mm×10mm，打印时每隔3层预置裂纹(缝隙)类缺陷。

图15 裂纹类缺陷模拟试件实物图

对该试件进行工业CT检测，管电压300kV，管电流0.5mA，曝光时间1s，采集角度1440°，SOD为230mm，SDD为863mm，图像合并数2，像素合并数1。

图16 裂纹类缺陷模拟试件工业CT检测结果

从上图的CT图中均能清晰地检测出裂纹类缺陷。

 实际样件检测试验

图17 激光选区熔化增材制造实际筒体样件实物图

样件高155mm，最大穿透厚度约80mm。对筒体样件开展三维CT检测试验，管电压350kV，管电流0.6mA，曝光时间1s，采集角度1440°，SOD为380mm，SDD为863mm，图像合并数3，像素合并数1。

图18 筒体样件CT检测结果(俯视图)

图19 筒体样件CT检测结果(主视图)

图20 筒体样件CT检测结果(左视图)

由上图所示，从CT图中能清晰地分辨增材制造样件的内部结构细节。

  结语

孔洞和裂纹是激光选区熔化增材制造中比较典型的内部缺陷；工业CT技术能有效检测出激光选区熔化增材制造中的孔洞和裂纹等典型缺陷，能清晰地表征缺陷的细节特征，是选区熔化增材制造产品品质保证的重要手段。

作者：张祥春1，张祥林2，刘钊2，王俊涛1，刘安1 (1.中国航空综合技术研究所；2.北京星航机电装备有限公司)

文章来源：《无损检测》2019年3期

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工业用计算机X射线断层成像（CT）扫描是一种新兴检测技术，它为大幅降低产品试制检测成本，以及在三维无损检测中快速而准确地分析工件内部缺陷提供了可能。

 检测，无需破坏

工业用计算机X射线断层成像（CT）扫描允许测量内部结构和缺陷。采用这种技术使用户能够以以前只能通过破坏性方法完成的方式可视化内部结构。

拿国际工具与设备公司（TEI）来说，该公司的设计团队开发了全电动摩托车Lightning LS-218，旋转臂是由3D软件设计公司Autodesk创建的，然后用了三个星期的时间进行铸造、清洁、热处理、精加工和检查摩托车摆臂。

为确保零件满足机械扭转的需求，TEI采用了工业用计算机X射线断层成像（CT）扫描来测量内部结构和缺陷。作为自20世纪70年代以来医学领域的领先技术，CT扫描正在工业领域成为重要的检测工具。

工业CT扫描的基本形式与医学CAT扫描类似，只是现在这种CT技术正被用于扫描各种工业零部件，而不是人体。医学CAT扫描主要用于可视化目的，而工业CT扫描不仅实现可视化，而且还可进行测量。工业CT扫描是将二维X射线图像交织形成工件内部和外部三维影像的过程。*

由于采用X射线扫描，因此可在无需夹持的自由状态下对脆弱易损的零部件进行检测。由于无需对工件施加测量力和进行夹持，因此可确保工件被检测时处于其自然位置。扫描完成后，对数据进行重构，然后用CT CAD软件进行数据处理，实现零件与CAD模型对比、几何尺寸与公差（GD＆T）分析、零件与零件对比、组件/缺陷分析、孔隙分析和壁厚分析，并生成逆向工程所需要的CAD数据。利用这种CAD软件，刚入门的用户也能轻松地获取断层扫描数据，以及开启/关闭内部组件密度扫描、按密度值进行颜色编码以及测量等功能。*

CT扫描已成为许多研究，工业和安全关键应用的重要工具，帮助制造商“看到”产品内部，尤其是那些具有测量隐藏或难以到达的特征部位。”

当为一辆能达到218英里/小时的摩托车制造零件时，绝对必须完美铸造没有缺陷的铸件。由于摩托车摆臂的复杂性，TEI需要确保在原型生产后结构完整性。这时候通过使用白光扫描进行铸造尺寸测量，并通过接触探针检查加工区域。由于安全性非常重要，CT扫描为TEI提供了非常优质的断层扫描，将扫描结果放在一起并输出到Volume Graphics软件中，设计师能够进行各种分析，CT图像证实了摩托车摆臂铸件的质量良好，没有孔隙或夹杂物。

 3D科学谷Review

近几年来，工业用计算机X射线断层成像（CT）扫描也达到了微米的等级，根据上海材料所凌松，无损检测的方法不仅仅局限于材料内部缺陷的检测与表征，还可实现材料的密度、弹性参数、孔隙率、残余应力分布以及其内部各种非连续性等方面的无损测试与表征；整个过程可实现快速、无损、原位的结果。

根据3D科学谷的市场研究，对于金属增材制造的复杂性可以区分为五个层面：1 简单的零件、2 优化的零件、3 带有嵌入式设计的零件、4 为增材制造设计的零件、5 复杂的胞元结构零件。

在这方面，宾州大学将现今的检测方式针对这五个层面的检测有效程度做了分析。在第5个层级上只有X射线显微CT（X-ray Micro CT）是有效的检测手段。

通过实现对复杂零件的检测，当前的增材制造行业有望将过程中加工参数与模型结构以及零件机械性能建立有效的相关性分析，随着材料特征数据库的建立，以及对加工过程中几何形状特征与重要的工艺变量之间关系的理解，3D科学谷认为我们将有望建立增材制造领域的知识专家系统，从而将金属增材制造推向另一个高度。

* 部分参考自《工具技术》

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