粗糙度和内部缺陷可控的无损检测金属样品的制备方法
技术领域
本发明属于金属无损检测技术领域，具体涉及粗糙度和内部缺陷可控的无损检测金属样品的制备方法。
背景技术
铸造和金属增材制造技术等非减材制造技术凭借其设计和制造能力高、生产经济性好、材料利用率高等优势，有效解决了复杂结构零件的成形问题。铸造作为传统的复杂零件制造技术已成为基础的制造技术，而金属增材制造技术也因其诸多优势而获得越来越广的应用。但是，制约金属增材制造技术进一步发展的关键瓶颈是制造过程中产生的缺陷，因此，缺陷检测技术对金属增材制造的发展和应用前景尤为重要。
由于铸造、金属增材制造实际生产的样品中，缺陷的种类、分布、数量、尺寸均是随机且混合的，不利于缺陷检测技术的研发。一般无损检测技术会用到各种各样的含缺陷的标准样品，它们用人工预制的方法来模拟包含单一缺陷的样品。
现有的预制手段多为普通铸、锻方法结合后期的钻孔和打磨表面等切削加工。制造的粗糙表面常常带有机加工方法固有方向性，且可预制的缺陷种类少、精度低，难以高效准确地预制复杂缺陷，如奇形孔、未熔合、表面粗糙。而这些缺陷在金属增材制造过程中出现频率较高且危害较大。
因此，现有技术中迫切需要一种能够高效准确预制含有金属增材制造过程中常见缺陷的方法，以用于检测技术的开发。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供粗糙度和内部缺陷可控的无损检测金属样品的制备方法，能够准确预制奇形孔、未熔合等各类疏松型内部缺陷、能制备不同表面粗糙的铸造或金属增材制造复杂缺陷的标准样品。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
粗糙度和内部缺陷可控的无损检测金属样品的制备方法，包括如下步骤：
1)根据标准样品对表面粗糙度和内置缺陷的形状、尺寸、位置和数量的要求，在三维模型绘图软件中绘制表面粗糙度可控制、内部缺陷可预制的标准样品三维数字模型;
2)内部带缺陷的样品数字模型设计好以后，设计用于精密铸造的浇道和排溢系统;浇道和排溢系统的设计符合一般精密铸造的规则，但是为了保障后续的金属样品内在质量，要求样品不进行组树浇注时，直浇道直径为6-8mm，组树时直浇道直径3-5mm;直浇道到样品间采用多分支浇道联接。组树方法符合一般精密铸造的规则;
3)浇道和排溢系统设计之后，需要针对光固化3D打印的工艺要求进行支撑设计，将光固化成型设备打开并导入上述模型文件到设备系统中，使含高蜡成份的光敏树脂打印、固化、清理后即得到带有浇道和排溢系统的标准样品光敏树脂固态模型;
4)选用合适尺寸钢盅，形成的固态石膏模型最薄处壁厚不小于5mm，将步骤3)得到的光敏树脂固态模型的直浇道插入圆筒形钢盅并熔蜡固定至橡胶底座上;
5)根据标准样品大小取适量原材料，按照石膏粉、硼酸和水配制石膏浆料;
6)将步骤5)得到的石膏浆料浇入已固定树脂模型的钢盅内，真空排气后干燥、凝固，得到固态石膏模型;
7)将步骤6)得到的石膏模型去除底部橡胶底座后，模型直浇道方向向下倒置于加热炉中静置，开启加热炉，按照两个保温段工艺进行去除树脂的操作;
8)将合金原料置于坩埚中加热至完全熔化，搅拌和熔炼处理后，待石膏模型随炉冷却至一定温度时，将步骤7)得到的石膏空腔模型浇注熔融合金，浇注后静置于常温环境空冷;
9)将步骤8)得到的内部有凝固合金的石膏模型去除石膏型，将凝固合金取出，去除浇道和排溢系统部分，对获得的金属试样去除粘连的石膏、打磨、超声清洗、干燥，抛光得到内部含有复杂增材制造缺陷的标准检测样品。
进一步地，所述的内部缺陷按照缺陷的形状、尺寸、数量和位置的要求在样品的三维数字模型中进行设计，同时在各缺陷间设计直径为0.8-1.2mm的的通道连接，一个或者若干个连通的缺陷作为一组，设计一个单独的通道连通到样品外部，通道的出口是非检测的表面;其中，控制表面粗糙度的方法如下：
1.1)建立一个L mm x L mm厚度1mm的薄片的三维数字模型，其一端的表面利用直径为b mm的半球阵列覆盖，相临半球球心距离为b+d mm;
1.2)根据b、d的不同取值，控制形成均匀各向同性的不同的粗糙度，用轮廓平均算术偏差Ra表示;其计算原则为，以表面某半球球心为原点，取粗糙度测量范围为b+d，通过轮廓作一基线，要求基线两侧轮廓线与基线之间所包含的面积S1、S2相等，则基线距样品表面高度h：
在测量范围内，水平等间距取10个轮廓线上的点，各个点至基线的距离为yi，i=1～10，则粗糙度：
1.3)当样品表面正好需要粗糙度为Ra时，则以这个数字模型为基本的模板，用该表面阵列覆盖样品检测表面，形成Ra粗糙度;
1.4)如果需要的粗糙度Ra’与Ra不同时，通过缩放该数字模型并与预制内部缺陷的测量表面进行阵列覆盖合并，缩放系数为K=Ra’/Ra，从而得到所需粗糙度的检测表面。
进一步地，步骤5)中，所述的配制石膏浆料是按照石膏粉：硼酸：水=1000g：5g：450mL配比，取60℃去离子水与硼酸充分搅拌混合溶解，静置冷却至20-30℃后，将石膏粉倒入硼酸溶液中快速搅拌均匀混合，真空排气40-60秒处理后得到内部无气体的石膏浆料。
进一步地，步骤6)中，所述的真空排气时间为40-60秒，所述的干燥是在<50℃干燥环境静置24小时至石膏完全凝固。
进一步地，步骤7)中，所述的两个保温段工艺要求分别是：保温温度应设定分别为500±25℃和850±25℃，保温时长分别为1-1.5小时和3-4小时。处理后随炉冷却至一定温度时可取出石膏空腔模型浇注金属。
进一步地，步骤8)中，当合金原料为铝合金的标准试样时，200-300℃取出浇注;当合金原料为铜合金标准试样时，480-550℃取出浇注;当合金原料为不锈钢标准试样时，600-700℃取出浇注;其他材料的浇样温度一般按其固相线温度减去300-500℃取值，固相线温度高的取偏上限，低的偏下限。
有益效果：与现有技术相比，本发明的粗糙度和内部缺陷可控的无损检测金属样品的制备方法，实现了内含铸造件中的集中缩孔、疏松、气孔等，金属增材制造中的奇形孔、未熔合、气孔等复杂缺陷的无损检测用金属标准样品的制备。本发明通过数字设计和后期制备实现了金属标准样品检测面的表面粗糙度的精确控制，粗糙度可控范围大，可覆盖铸造类、金属增材制造类(PBF和DED)检测标准样品的制备，适用性广。本发明方法制备效率高，缩短了制备检测标准样品的制备时间。
附图说明
图1为检测表面粗糙度可控，内含缺陷可控的无损检测标准样品示意图;
图2为工艺流程图;
图3为半球形阵列粗糙度设计截面图;
图4为半球形阵列粗糙度计算原则图;
图5为半球形阵列粗糙度设计模板图;
图6为半球形阵列粗糙度缩放示意图;
图7为浇道设计示意图;
图8为支撑设计示意图;
图9为去除树脂的加热工艺曲线图;
图10为实施例2中长方体阵列粗糙度设计截面图;
图11为实施例2中长方体阵列粗糙度计算原则图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。
如图2所示，粗糙度和内部缺陷可控的无损检测金属样品的制备方法，包括如下步骤：
1)根据标准样品对表面粗糙度和内置缺陷的形状、尺寸、位置和数量的要求，在三维模型绘图软件中绘制表面粗糙度可控制、内部缺陷可预制的标准样品三维数字模型。内部缺陷按照缺陷的形状、尺寸、数量和位置的要求在样品的三维数字模型中进行设计，同时必须在各缺陷间设计小直径的通道连接，一个或者若干个连通的缺陷作为一组，必须设计一个单独的通道连通到样品外部，通道的出口必须是非检测的表面，如图1所示。其中，控制表面粗糙度的方法如下：
1.1)建立一个L mm x L mm厚度1mm的薄片的三维数字模型，其一端的表面利用直径为b mm的半球阵列覆盖，相临半球球心距离为b+d mm，如图3所示;
1.2)根据b、d的不同取值，可以控制形成均匀各向同性的不同的粗糙度，用轮廓平均算术偏差Ra表示。如图4所示，其计算原则为，以表面某半球球心为原点，取粗糙度测量范围为b+d，通过轮廓作一基线，要求基线两侧轮廓线与基线之间所包含的面积S1、S2相等，则基线距样品表面高度h：
在测量范围内，水平等间距取10个轮廓线上的点，各个点至基线的距离为
yi(i=1～10)，则粗糙度：
1.3)当样品表面正好需要粗糙度为Ra时，则以这个数字模型为基本的模板，用该表面阵列覆盖样品检测表面，形成Ra粗糙度，如图5所示;
1.4)如果需要的粗糙度Ra’与Ra不同时，通过缩放该数字模型并与预制内部缺陷的测量表面进行阵列覆盖合并，缩放系数为K=Ra’/Ra，从而得到所需粗糙度的检测表面，如图6所示。
2)内部带缺陷的样品数字模型设计好以后，必须设计用于精密铸造的浇道和排溢系统。浇道和排溢系统的设计符合一般精密铸造的规则，但是为了保障后续的金属样品内在质量，要求样品不进行组树浇注时，直浇道直径为6-8mm，组树时直浇道直径3-5mm。直浇道到样品间采用多分支浇道联接，如图7所示。组树方法符合一般精密铸造的规则。
3)浇道和排溢系统设计之后，需要针对光固化3D打印的工艺要求进行支撑设计，如图8所示。将光固化成型设备打开并导入上述模型文件到设备系统中，使含高蜡成份的光敏树脂打印、固化、清理后即得到带有浇道和排溢系统的标准样品光敏树脂固态模型。
4)选用合适尺寸钢盅，原则为形成的固态石膏模型最薄处壁厚不小于5mm，将步骤3)得到的光敏树脂固态模型的直浇道插入圆筒形钢盅并熔蜡固定至橡胶底座上。
5)根据标准样品大小取适量原材料，按照石膏粉:硼酸:水=1000g:5g:450mL配比，取60℃去离子水与硼酸充分搅拌混合溶解，静置冷却至20-30℃后，将石膏粉倒入硼酸溶液中快速搅拌均匀混合，真空排气40-60秒处理后得到内部无气体的石膏浆料。
6)将步骤5)得到的石膏浆料浇入已固定树脂模型的钢盅内，真空排气40-60秒处理，在<50℃干燥环境静置24小时至石膏完全凝固，得到固态石膏模型。
7)将步骤6)得到的石膏模型去除底部橡胶底座后，模型直浇道方向向下倒置于加热炉中静置，开启加热炉，按照图9所示的加热曲线进行去除树脂的操作。两个保温段工艺要求分别是：保温温度应设定分别为500±25℃和850±25℃，保温时长分别为1-1.5小时和3-4小时。处理后随炉冷却至一定温度时可取出石膏空腔模型浇注金属。
8)将金属配料后置于坩埚中加热至完全熔化，搅拌和熔炼处理后，待石膏模型随炉冷却至一定温度时，可将步骤7)得到的石膏空腔模型浇注金属。步骤8)中，当合金原料为铝合金的标准试样时，200-300℃取出浇注;当合金原料为铜合金标准试样时，480-550℃取出浇注;当合金原料为不锈钢标准试样时，600-700℃取出浇注;其他材料的浇样温度一般按其固相线温度减去300-500℃取值，固相线温度高的取偏上限，低的偏下限。浇注后静置于常温环境空冷。
9)将步骤8)得到的内部有凝固合金的石膏模型小心去除石膏型，将凝固合金取出，去除浇道和排溢系统部分，对获得的金属试样去除粘连的石膏、打磨、超声清洗、干燥，抛光得到内部含有复杂增材制造缺陷的标准检测样品。
本发明所获得的粗糙度和内部缺陷可控的无损检测金属样品，其中的预制缺陷包括但不限于铸造件中的集中缩孔、疏松、气孔等，金属增材制造中的奇形孔、未熔合、气孔等。本发明直接获得的表面粗糙度可根据采用的石膏粉质量最多低至0.8-1.6μm;部分较小的粗糙度可以用喷砂或精细打磨方法辅助精确获得;对于>100μm的粗糙度和表面起伏可通过数字模型进行精确设计。
实施例1：
1)在三维模型绘图软件中，建立一个50mm×50mm、厚度1mm、上表面用直径b=0.4mm的半球阵列覆盖、相邻半球球心间距为(0.4+0.1)mm的三维数字模型，如图3所示。根据如图4所示的粗糙度计算原则，计算得粗糙度Ra=69.56μm，取缩放系数K=2，缩放后的粗糙度Ra’=139.12μm。
2)在三维模型绘图软件中，建立一个50mm×50mm、厚度10mm、距检测表面2mm中心处含有不规则盲孔的三维数字模型;在非检测面设计直径1mm通道与盲孔连通;在非检测面设计直径8mm、长度5mm的直浇道并四分支联接，分支部分直径4mm、长度5mm;在非检测面设计符合光固化3D打印工艺要求的支撑系统。
3)将步骤1)所得的粗糙度控制数字模型覆盖到步骤2)所得的缺陷预制三维数字模型的检测表面，得到标准样品的三维数字模型。
4)将光固化成型设备打开，导入步骤3)所得的模型文件，使含高蜡成份的光敏树脂按照模型文件固化成型，将支撑部分清理后，得到带有浇道和排溢系统的标准样品光敏树脂固态模型。
5)将步骤4)所得的树脂模型的直浇道插入直径90mm、高度100mm的圆筒形钢盅并熔蜡固定至橡胶底座上。
6)取270mL温度为60℃的去离子水与3g硼酸混合，搅拌至充分溶解，静置冷却至25℃，将600g石膏粉倒入硼酸溶液中快速搅拌，混合均匀后，真空排气60秒，得到内部无气体的石膏浆料。
7)将步骤6)所得的石膏浆料浇入已固定树脂模型的钢盅内，真空排气60秒，在30℃干燥环境静置24小时至石膏完全凝固，得到石膏固态模型。
8)将步骤7)所得的石膏模型去除橡胶底座后，直浇道方向向下放置于加热炉中，按照如图9所示的温度-时间曲线热处理，其处理工艺为：将石膏模型置于加热炉中随炉加热2小时升温至500℃并保温1小时，再加热1小时至850℃并保温3小时，之后随炉冷却至300℃时取出石膏空腔模型。
9)将80g铝合金配料后置于坩埚中加热至完全熔化，搅拌和熔炼处理后，将液态合金注入步骤8)得到的300℃的石膏空腔模型中，于室温下静置空冷，得到内部有凝固铝合金的石膏模型。
10)将步骤9)得到的内部有凝固铝合金的石膏模型小心去除石膏部分，取出凝固铝合金，去除浇道和排溢系统部分和黏连的石膏，并进行超声清洗、干燥等处理，得到表面粗糙度可控制、内部含有不规则盲孔的标准检测样品。
实施例2：
在三维模型绘图软件中，建立一个50mm×50mm、厚度1mm、上表面用长宽各为0.4mm、高为0.2mm的长方体阵列覆盖、相邻长方体中心间距为(0.4+0.1)mm的三维数字模型，样品横截面如图10所示。根据粗糙度计算原则，作基线距离基底距离为0.16mm，取相邻两长方体中心距离为粗糙度计算单元，以0.05mm等间距取10个点，如图11所示，计算得粗糙度Ra=44μm。与实施例1相比，长方体阵列所得的粗糙度计算更加简单便捷。
