Микротомография в контроле качества SLM-печати металлом: скрытые дефекты деталей с 3D-принтера

Кейс: микротомография в контроле качества SLM-печати металлом — скрытые дефекты деталей с 3D-принтера

Неразрушающий контроль: рентгеновская микротомография позволила заглянуть внутрь детали из AlSiMg, изготовленной селективным лазерным сплавлением, и выявить скрытые дефекты — газовую пористость, непровар вокруг частицы сплэша и чужеродное включение — без разрушения образца.

Срез цилиндра AlSiMg: распределение пор и включений по сечению (окраска по объёму)
Срез цилиндра AlSiMg: распределение пор и включений по сечению (окраска по объёму)

Объект исследования

Детали, изготовленные методом селективного лазерного сплавления (SLM), всё чаще применяются там, где цена ошибки высока: узлы и агрегаты авиа- и ракетостроения, имплантаты и протезы костей, ответственные компоненты промышленного оборудования. Их качество целиком определяется стабильностью процесса построения — а он чувствителен к отклонениям параметров: одна неучтённая брызга расплава или чужеродная частица — и в металле остаётся внутренний дефект.

Проблема в том, что такие дефекты не видны снаружи. Деталь выглядит безупречно, а скрытая пористость и непровары проявляют себя только под нагрузкой — зачастую слишком поздно. Поэтому контроль качества SLM-печати и обратная связь с технологами — одна из ключевых задач отрасли.

Объект исследования — цилиндрический образец-свидетель из сплава AlSiMg. Общий вердикт: печать настроена хорошо, материал плотный и однородный. Разбор ниже — по характерным аномалиям.

Образец-свидетель AlSiMg, исследованный фрагмент
Образец-свидетель AlSiMg, исследованный фрагмент

Оборудование и методы

Микротомограф ПРОДИС.Компакт-М

  • Источник 110 кВ, фокус 2 мкм
  • Детектор 15 МП, 69 мкм
  • Размер вокселя 6,5 и 5,9 мкм

Съёмку выполнили на российском микротомографе ПРОДИС.Компакт: серия рентгеновских проекций под разными углами превращается в полную 3D-модель образца с разрешением около 7 микрон. Без вскрытия и без порчи детали, с возможностью просмотра любых сечений и измерения каждой внутренней полости. Анализ провели в российском ПО VolAn: сегментация дефектов, морфометрия, статистика по всему объёму.

Программное обеспечение VolÅn

Реконструкция, объёмный анализ и визуализация результатов

Анализ дефектов и результаты томографии

В ходе высокоразрешающей томографической съёмки была реконструирована полная трёхмерная модель образца-свидетеля. В объёме с хорошей общей плотностью выявлены четыре характерные аномалии — от фоновой газовой пористости до дефектов, критичных для деталей, работающих на циклические нагрузки.

Аномалия 1. Газовая пористость

В объёме — множество мелких сферических полостей: газ, не успевший выйти из расплава при построении. Поры равномерно распределены по материалу и при малых размерах обычно некритичны — это фон, который учитывают при проектировании.

Мелкие сферические газовые поры в матрице (линейка 700 мкм)
Мелкие сферические газовые поры в матрице (линейка 700 мкм)

Аномалия 2. Непровар вокруг частицы сплэша

Самая показательная находка. При построении из ванны расплава вылетают брызги — частицы расплава размером в десятки микрон. Одна из них осела на готовый слой и консолидировалась с ним лишь с одной стороны; поверх неё был уложен новый порошок. Лазер прошёл, но сплавить частицу с основой не смог.

В сечении в плоскости печати это кольцевая полость вокруг частицы, вдоль направления построения — сплющенная полусфера: полость неполного сплавления (lack-of-fusion). Для деталей, работающих на циклические нагрузки, такой класс дефектов критичен — именно от него стартуют усталостные трещины.

Кольцевая полость — плоскость печати
Разрез вдоль направления построения
Кольцевая полость вокруг частицы сплэша — плоскость печати (слева) и разрез вдоль направления построения (справа)

Аномалия 3. Чужеродное включение

Ещё один объект имеет повышенное поглощение излучения относительно матрицы и «стреляет» лучами — типичный металл-артефакт частицы с более высоким атомным номером. Версии происхождения: контаминация исходного порошка, осколок оборудования, чужая частица на платформе. Окончательная идентификация — за химическим анализом, это следующий этап исследования.

Включение высокого Z с металл-артефактом (streak)
Включение высокого Z с металл-артефактом (streak)

Аномалия 4. Повышенная пористость у торца

У края фрагмента — зона повышенной пористости. Типичная картина финишных слоёв: построение завершалось, последние слои получились менее плотными. Для свидетеля некритично, для реальной детали — повод проверить режимы завершения построения.

Технологические выводы

Томография переводит контроль из режима «выборочно и разрушительно» в режим «полностью и без потерь»: полная статистика по размерам, форме и расположению дефектов во всём объёме. Это прямая обратная связь для настройки процесса — например, снижение энерговложения на разворотах траектории или контроль состояния порошка.

Следующий шаг — серийное исследование: свидетели с разных позиций платформы и с разных высот построения.