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[前沿科技] 研究人员提出超声波金属探伤新方法 将3D打印部件冻结在冰块里

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发表于 2019-5-13 13:26:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
近年来,采用3D打印的金属部件已经越来越多,它们被广泛地用于航空等领域。但即便是一个细微的缺陷,都有可能导致灾难性的后果。为此,在安装3D打印技术部件之前,必须对其进行全面的结构缺陷检验。有趣的是,最佳的检测方案竟然是——将其冻结在冰块里。

据悉,通常这些部件是通过沉积或融化连续的金属粉末堆层制成的,因此固体材料的检查只能在部件制造完成后才能进行。
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图片来源:Corrie Stookey / CEAS Marketing,via New Atlas

作为对比,传统工艺是将一个较大的固体金属块加工成较小的零部件,因此能够相对轻松地对其展开超声波检查,以防止其中有裂缝或其它不规则的瑕疵。

遗憾的是,若尝试对3D打印金属部件进行超声波检查,那些声波可能被其表面的曲线以一定的角度反弹开,结果导致内部的缺陷被掩盖。

经研究发现,若将3D打印金属部件浸入与其密度相似的材料中,超声波就可以无阻碍地穿越表面,而仅反射出其中的缺陷。

辛辛那提大学航空航天工程教授Francesco Simonetti发现,冰块可以作为一种耦合介质(coupling medium)。在实验室中,他成功地借助网购的现成钻台进行了测试。

首先,他们将3D打印金属物体冻结在冰块中,然后通过超声波穿过该“圆筒”去探查金属部件的“内伤”。不过需要指出的是,冰块不能包含任何不规则的裂缝或气泡,其本身必须是晶莹剔透的。
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在试验中发现,裂缝通常会在水中从容器外部向内冻结时产生。由于核心部分会反向冻结和膨胀,导致围绕液芯的冰壳出现碎裂缝隙。

为防止这种情况的发生,Simonetti先将3D打印部件置入空的圆筒,用水进行填充。然后在圆筒底部使用金属板,从底部向上对水进行冷却。

结果就是,水从底部开始冻结(而不是侧面),膨胀到容器的开放和非约束的顶部。这样很好的消除了内部的压力,因此没有形成裂缝。

此外为了防止气泡的形成,需要在冷却的过程中对水进行机械搅拌,使得水中溶解的空气不会沿着“冷冻的前沿方向”形成气泡(这是刚形成的冰与仍然液态的水相遇的区域)。

需要指出的是,尽管这样产生的超清冰作为耦合介质的效果已经很不错,但还不够完美。为此,Simonetti计划尝试在水中添加纳米颗粒悬浮液,从而产生重量和强度更高、更接近于金属密度的冰。

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《NDT&E International》期刊上。原标题为:《Experimental methods for ultrasonic testing of complex-shaped parts encased in ice》

来源:Science科学

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