使用原位激光超声测试的自适应增材制造过程技术领域
本发明涉及在增材制造过程中的各层形成之间发生的组件的原位激光超声测试。
背景技术
增材制造通常通过将要制造的对象的三维表示切分成非常薄的层而开始，由此创
建每一个层的二维图像。为了形成每一个层，流行的激光增材制造技术，诸如选择性激光融
合（SLM）和选择性激光烧结（SLS），涉及精确厚度的金属粉末薄层在水平平面上的预放置。
这样的预放置通过使用机械擦净器来擦净粉末的均匀层或者使层找平而实现，在此之后，
诸如激光之类的能量射束根据用于相应层的固体材料的二维图案而跨粉末层编索引。在编
索引操作针对相应层而完成之后，所沉积的材料的水平平面降低并且过程重复直到三维部
分完成。
所考虑的完成部分的物理特性包括缺陷（空隙、裂缝等）以及残余应力量，这部分
地因为残余应力可能引起扭曲和过早断裂。组件的固体部分中的残余应力量的知识可以使
用诸如中心孔钻削之类的已知技术来确定。然而，这要求材料移除并且因此至少是半破坏
性的。X射线和中子衍射技术是非破坏性的，但是它们昂贵并且不能够原位执行。此外，这些
技术要求移除组件以用于执行评估。磁性测试也是非破坏性的，但是它依赖于铁磁材料中
的磁化和弹性应变之间的交互。因此，磁性测试必然受限于铁磁材料。物理特性的激光超声
检测在焊剂和键合领域中已知，但是在增材制造领域中很少知道，并且这些不与组件的形
成并发地执行和/或直接在所形成的组件上执行。因而，在现有技术中存在针对用于检测诸
如残余应力或缺陷之类的物理特性的改进的非破坏性过程的空间。
附图说明
在考虑到附图的以下描述中解释本发明，附图示出：
图1描绘了激光增材制造过程。
图2描绘了激光超声物理特性检测过程。
图3描绘了通过使在增材制造过程期间所使用的参数不同而在激光超声物理特性
检测过程之后形成固体沉积层的选项。
图4描绘了在激光超声物理特性检测过程之后执行残余应力释放过程的选项。
图5描绘了正在固体沉积物上执行的激光超声物理特性检测过程以及激光增材制
造过程。
图6是描绘了采用激光超声物理特性检测过程的增材制造过程的示例性实施例的
流程图。
具体实施方式
如许多制造过程那样，选择性激光加热过程（例如SLM、SLS）导致物理特性，诸如缺
陷和/或残余应力的累积。残余应力水平可以为高并且可能影响组件的结构整体性。因此，
有益的是知晓所存在的残余应力量以及任何其它缺陷。发明人已经认识到，残余应力可以
发生在每一个层内并且可以随着附加层的形成而累积，并且将有益的是在增材制造过程期
间标识物理特性。
例如在叶尖累积中与残余应力控制相关联的现有技术包括从一侧到另一侧交替
应用激光射束以校平残余应力。这些部分然后可以进行热量处置以便进一步缓解残余应
力。然而，这些过程未必在组件的形成期间测量残余应力，而是替代地将其存在预测为预确
定的数量并且然后调和/缓解所假设的残余应力。已知的是，用于在增材制造过程中形成层
的熔体池的特性可以通过使用相机捕获熔体池的图像而评估。然而，尽管该技术提供关于
熔体池的信息，但是它不提供关于可能在熔体池固化之后存在的物理特性的信息，也不提
供熔体池下方的层的信息。
本发明人已经研发了一种增材制造过程，其在形成组件时监控组件内的物理特性
并且响应于关于物理特性所了解的内容而适配增材制造过程。使用激光超声物理特性检测
过程来监控物理特性（例如残余应力），激光超声物理特性检测过程使用远离组件设置的激
光器来将波生成激光射束定向到最新形成的固体沉积层的表面上。非接触式、激光超声物
理特性检测过程在现有技术中已知，如通过例如下文描述的：Daniel Levesque等人的
Defect Detection and Residual Stress Measurement in Friction Stir Welds using
Laser Ultrasonics, 1st International Symposium on Laser Ultrasonics: Science,
Technology and Applications, 2008年7月16日-18日, Montreal, Canada。残余应力的
激光超声检测通过例如下文来描述：Karabutov, Alexander等人的Laser Ultrasonic
Diagnostics of Residual Stress, Ultrasonics, 48, 631-635 (2008)。
在这样的过程中，波生成激光射束使得声波传播通过最新形成的固体沉积层以及
通过任何底层固体沉积层。超声能量波在组件内反射并且经反射的超声能量波可以由波检
测激光射束使用已知技术来检测。分析超声能量波，并且可以确定最新形成的固体沉积层
和/或任何底层固体沉积层中的残余应力和/或缺陷。如果期望，则增材制造过程可以在必
要的情况下经调节以调和和/或缓解残余应力。调节包括改变随后形成的固体沉积层所形
成的方式和/或在形成另一固体沉积层之前在组件上执行残余应力释放过程。
图1描绘了激光增材制造过程的示例性实施例，其中固体沉积层10形成在之前形
成的固体沉积层12上。在增材制造过程期间，加热激光器14选择性地朝向粉末18定向激光
射束16以加热粉末18来形成固体沉积层10。激光射束16可以作为选择性激光烧结过程的部
分而将粉末颗粒烧结在一起。可替换地，激光射束16可以将粉末颗粒一起融合到熔体池20
中，熔体池20然后固化以形成固体沉积层10。固体沉积层10和之前形成的固体沉积层12构
成作为所形成的组件（未示出）的部分24的堆叠22。在形成固体沉积层10期间，形成一个或
多个固体沉积物28，其在层完成时形成固体沉积层10。一个固体沉积物28可以形成并且连
续地生长直到形成固体沉积层10。可替换地，可以在任何图案中形成多个分立的固体沉积
物28直到它们联合以形成固体沉积层10。
选择性激光加热过程可以使用参数集合而执行。过程参数包括粉末相关参数，诸
如颗粒大小和层厚度30等。粉末颗粒的大小可以针对整个层而变化或者其可以在层内局部
地变化。例如，较精细的粉末颗粒要求较少的加热能量，而较大的颗粒大小要求较多热量。
颗粒大小然后可以变化以与释放局部残余应力所需要的局部加热要求匹配。
这些过程参数还可以包括激光相关参数，诸如激光射束横穿方向32、激光射束能
量、激光射束直径34、激光射束横穿速率（跨粉末）。在脉冲激光的情况下，激光特性可以包
括脉冲特性，诸如频率和持续时间等。此外，在形成固体沉积层10时所采取的激光路径可以
变化。例如，代替于遵循从所沉积的粉末18的一端到另一端的路径来形成固体沉积层10，激
光射束16可以从所沉积的粉末18中的一个位置至另一远程位置跳来跳去（jump around）。
在这样的实例中，激光射束16可以首先以对于释放已经检测到的残余应力而言有效的方式
来处理粉末18中的一个或多个位置，并且然后处理粉末18的其余部分以完成固体沉积层
10。
图2描绘了激光超声物理特性检测过程。该过程可以在固体沉积层10的完成之后
实现，在该情况下，波生成激光器40发射波生成激光射束42，其朝向最新形成的固体沉积层
46的表面44定向。可替换地或者此外，过程可以在固体沉积层10的形成期间实现。在该示例
性实施例中，波生成激光器40朝向固体沉积物的表面44发射波生成激光射束42，固体沉积
物是部分形成的固体沉积层10的固体部分。过程在本文中一般关于固体沉积层10来描述，
但是原理理解为适用于形成固体沉积层10的经固化部分（例如固体沉积物）。
波生成激光器40可以在该过程期间远离表面定位（即没有与表面44接触）。当波生
成激光射束42与表面44接触时，生成超声能量波48。这些超声能量波50传播通过最新形成
的固体沉积层46并且可以由任何数目的特征反射。这些特征包括界面52，诸如最新形成的
固体沉积层46与相邻底层沉积层54之间的界面52、堆叠22的底表面56、或者诸如空隙或裂
缝之类的缺陷58。在遇到这些特征时，超声能量波48可以被反射，由此创建经反射的超声能
量波60。经反射的超声能量波60传播通过堆叠22直到最终到达表面44。波检测激光器70生
成波检测激光射束72，其朝向表面44定向并且朝向波检测激光器70反射回来，与它一起承
载关于经反射的超声能量波60的信息。可替换地，一些超声能量波50可以不受阻碍地行进
通过最新形成的固体沉积层46直到被波检测激光器70所检测。因而，由波检测激光器70所
检测的传播能量波62可以包括不受阻碍的超声能量波50和/或经反射的超声能量波60。
在示例性实施例中，加热激光器14、波生成激光器40和波检测激光器70可以是分
离的激光器。可替换地，单个激光器可以是激光器14,40,70中的任何两个或全部三个。例
如，单个激光器可以用于处理粉末18并且然后抨击表面44以生成超声能量波50。该相同单
个激光器还可以用于检测所传播的能量波62，或者分离的激光器可以用于检测所传播的能
量波62。当检测所传播的波时，波检测激光器70可以与例如干涉计结合地使用，如本领域中
所已知。
能量波通过其传递的材料的物理特性可以改变能量波的特性。因而，所传播的能
量波62承载关于最新形成的固体沉积层46和/或之前形成的固体沉积层12的物理特性的信
息。所传播的能量波62的特性的分析使得能够做出关于物理特性的确定，包括某些特征是
否存在（例如空隙和/或裂缝）以及所存在的残余应力量。
可以直接从所传播的能量波62的特性收集信息。例如，如果所传播的能量波的特
性（例如幅度等）跌至阈值的一侧或另一侧，则可以采取预确定的动作，诸如在增材制造过
程中的改变以缓解或补偿残余应力。可替换地或者此外，所传播的能量波62的特性可以被
评估并且从评估推得物理特性。这些物理特性然后可以针对可接受性来评定并且如果不可
接受，则可以采取动作，诸如增材制造过程中的改变以缓解或者补偿残余应力。在找到缺陷
的实例中，增材制造过程可以暂停以改写并且然后完成该部分，或者以废弃该部分。
激光超声物理特性检测过程在最新形成的固体沉积层46（在它处于固体状态的情
况下）上执行。例如，激光超声检测过程可以在整个最新形成的固体沉积层46已经形成并且
冷却到环境温度之后执行。激光超声检测过程可以在已经利用激光处置粉末18之后立即执
行，在该情况下，所处理的材料将相对温暖。在选择性激光融合的情况下，材料可以接近其
融合温度。由于特性以及残余应力量在材料冷却时改变，所以在后一实例中所检测的残余
应力与一旦组件完成并且处于环境温度下将具有的残余应力不相同。
参数数据可以用于绘制在相对温暖温度下所检测的残余应力与在进一步冷却之
后将具有的残余应力之间的关联。当相比于等待该部分冷却并且然后执行激光超声检测过
程所花费的时间时，在激光处置完成之后很快执行激光超声检测过程可以节省大量时间。
这还可以允许较少剧烈校正动作，其可以抢先形成预测要在激光超声检测过程后面的冷却
期间形成的残余应力。参数数据可以通过在变化的温度和完成状态等下实际测量组件中的
残余应力并且将该数据应用于所测量的数据而发展。可替换地或者此外，冷却时的残余应
力可以通过各种建模算法等预测。
在示例性实施例中，激光超声检测过程可以像每一次形成固体沉积层10那样频繁
地发生。可替换地，激光超声检测过程可以在预确定的间隔处发生，该间隔诸如每一个其它
固体沉积层10或者每三个等。可以在用于确定激光超声检测过程应当何时发生的过程中包
括其它因素，包括组件和/或固体沉积层10的几何形状。例如，在形成应力梯级（诸如嵌边）
或者形成在冷却时经受高残余应力的任何几何形状的情况下，激光超声检测过程可以在组
件形成期间更频繁地发生。相反，当几何形状较不易于残余应力时，激光超声检测过程可以
在组件形成期间较不频繁地发生。
当激光超声检测过程发生时，可以将默认图案内置到增材制造过程中。然而，增材
制造过程可以在增材制造过程期间响应于在增材制造过程期间所检测的残余应力而修改
默认图案。例如，如果默认图案是基于在增材制造过程期间的给定点处的某一预期残余应
力水平，并且如果该给定点处的实际残余应力较小，则可以修改默认图案使得可以在下一
激光超声检测过程之前形成比原本将以默认图案形成的更多固体沉积层10。例如，如果激
光超声检测过程在最新形成的固体沉积层46之后发生，并且再次仅在形成三个更多的固体
沉积层10之后发生，并且如果激光超声检测过程确定残余应力低于在测试最新形成的固体
沉积层46时所预期的残余应力，则可以修改默认图案以在形成四个或五个或更多的固体沉
积层10之后安排下一激光超声检测过程。
相反地，如果预期残余应力比所预想的更大，并且如果下一激光超声检测过程仅
在形成三个更多的固体沉积层10之后安排，则可以修改默认图案使得激光超声检测过程发
生在形成每一个固体沉积层10之后。
图3和4示出了如果所检测的残余应力超出预确定的阈值并且在途中对增材制造
过程的改变或者残余应力释放和/或缓解被认为是必要的，则可获得的选项。图3描绘了通
过在激光超声检测过程之后形成固体沉积层10并且通过使在增材制造过程期间所使用的
参数变化来调和残余应力的选项。例如，如果检测到残余应力并且确定其可以在形成即时
固体沉积层10时得到补偿，则补偿可以在形成即时固体沉积层10时发生。可替换地或者附
加地，补偿可以在如何形成随后的固体沉积层80中发生。可以调节与固体沉积层10的形成
相关联的任何、多个或者全部过程参数，并且调节可以发生在即时和/或随后的固体沉积层
中。这些过程参数包括以上所公开的粉末相关参数和激光相关参数，以及对于本领域普通
技术人员所已知的任何其它参数。
在示例性实施例中，所处理的固体沉积层10中的残余应力形成可以在残余应力达
到阈值之前检测，并且可以调节过程参数以防止残余应力水平中的进一步增大。在另一示
例性实施例中，残余应力可以有意地形成在最新形成的固体沉积层46或者其固体沉积物28
中以抵消之前形成的固体沉积层12中的一个或多个中的残余应力。这使残余应力局域化，
如与可能地在其上建立相反。因而，在所处理的层中发展的残余应力可以停止，和/或之前
形成的残余应力可以经由适配过程参数而抵消。
图4描绘了在激光超声应力检测过程之后执行残余应力释放过程的选项。残余应
力释放过程包括本领域中所已知的那些技术，诸如珠击（例如激光珠击）、激光再加热和激
光处置（例如感应热处置）。代替地，或者除改变与随后固体沉积层80的形成相关联的参数
以减少残余应力之外，堆叠22可以留在适当的位置或者被移除以便执行应力释放过程。
在示例性实施例中，堆叠22留在适当的位置以用于应力释放过程。激光珠击过程
适用于原位应力释放，因为所使用的激光可以位于相同的过程腔室/环境中，并且可以是处
理粉末的相同加热激光器14。在激光珠击中，激光射束16可以定向在最新形成的固体沉积
层46或其固体沉积物28的表面44处以执行珠击过程。激光再加热可以在必要的情况下使用
加热激光器14来加热最新形成的固体沉积层46或其固体沉积物28中的一些或全部以便缓
解残余应力。感应热处置可以在加热线圈位于相同过程腔室/环境中时原位执行。感应加热
然后可以在必要的情况下简单地通过激活加热线圈而执行。此外，为了减少残余应力，加热
线圈可以用于控制熔体池20和/或经固化的沉积层10冷却的速率。这些和其它残余应力释
放过程中的任一个或全部可以彼此结合地使用。另外，它们可以在经固化的沉积层10形成
之后或者在经固化的沉积层形成时使用。
图5描绘了在固体沉积层10的形成期间实现的激光超声过程的可替换示例性实施
例。两个过程被示出为同时发生。可替换地或者此外，它们可以顺序地执行。在该示例性实
施例中，波生成激光器40朝向固体沉积物28的表面44发射波生成激光射束42，固体沉积物
28是部分形成的固体沉积层10的固体部分。因而，以上公开的原理适用于部分形成的固体
沉积层10的固体沉积物28。激光超声过程可以在形成固体沉积层10的固体沉积物28上执
行，并且原位残余应力释放过程中的一个或多个可以在固体沉积物28或者堆叠24的任何其
它部分上形成。因此，激光加热过程、激光超声过程和残余应力减少过程可以以任何次序并
且按照所需要的频率而在固体沉积层10上、在形成固体沉积层10的一个固体沉积物28上
和/或在固体沉积层10的多个分立固体沉积物28上执行，以便适配增材制造过程来调和残
余应力。
在执行应力释放过程之后，另一激光超声检测过程可以可选地执行以便评估应力
释放过程的有效性。如果满意，则可以使用与在其它固体沉积层10,12上使用的相同或者不
同参数而形成随后的固体沉积层80。如果不满意，则可以执行另一应力释放过程。该过程可
以如所必要的那样重复许多次以达到期望的残余应力水平，并且可以在必要的情况下并入
对随后固体沉积层80的改变和应力释放过程的任何组合。
图6是描绘了采用激光超声检测过程的增材制造过程的示例性实施例的流程图。
在步骤100中，形成固体沉积层10。在步骤102中，执行激光超声检测过程。在步骤104中，从
激光超声检测过程推得残余应力。在步骤106中，做出残余应力是低于、等于还是超出阈值
的确定。如果残余应力没有超出阈值（例如堆叠22通过测试），则在步骤108中做出关于在再
次执行另一激光超声检测过程之前可以形成多少个更多的固体沉积层10的确定。在步骤
110中，形成所确定数目的固体沉积层10，在此之后过程返回到步骤102。
如果残余应力没有超出阈值（例如堆叠22没有通过测试），则执行步骤112或步骤
114。在步骤112中，可以使用用于激光加热过程的不同参数来形成随后的固体沉积层80。在
步骤114中，在堆叠22上执行残余应力减少过程。步骤114可以跟随有步骤112或步骤116。在
步骤116中，可以使用与形成之前形成的一个固体沉积层12时所使用的相同参数来形成随
后的固体沉积层80。步骤112和116可以跟随有步骤102。
从上文可以看出，发明人已经将最新的技术应用于增材制造过程以准许针对物理
缺陷和残余应力的组件的原位、在线、非破坏性测试。过程使得能够校正某些条件，从而节
省成本并且缩短与将不满足该过程所启用的标准的部分相关联的寿命。因而，这表示在现
有技术中的改进。
尽管已经在本文中示出和描述了本发明的各种实施例，但是将显而易见的是，这
样的实施例仅作为示例而提供。可以做出众多变化、改变和替换而不脱离于本文中的发明。
因而，本发明意图仅由随附权利要求的精神和范围所限制。