激光超声检测在金属3D打印中的应用进展

0 引言

金属3D打印是增材制造的核心技术，通过逐层堆叠材料来成形复杂结构，在航空航天、医疗等领域优势突出。2023年全球市场规模已达135亿美元，但孔隙、未熔合等内部缺陷仍是限制其大规模应用的关键因素（图1）。因此，如何及时发现并研究打印阶段产生的缺陷，成为当前研究的重点。超声波检测作为一种成熟的无损检测方法，因其检测速度快、精度高、操作简便，在金属3D打印缺陷识别中的应用正受到越来越多的关注。余莉莉等[1]对目前国内外建筑3D打印研究进展进行了综述，对混凝土3D打印与传统施工工艺在原材料选用、工艺细节及质量控制等方面进行了系统分析,并对目前现阶段3D打印技术存在的主要问题进行了分析总结，最后对该技术的未来发展趋势提出了展望。王贺[2]指出，在金属激光增材制造过程中，孔洞缺陷的产生受到打印参数选择、粉末材料性质以及激光能量密度等多种因素的共同影响。这些缺陷不仅会削弱零件的机械性能，还可能在实际使用中导致早期失效。许万卫[3]通过研究发现，与传统的超声检测方法相比，激光超声检测具有更高的空间分辨率和更强的感应能力，是金属增材制造过程中进行在线检测的最佳选择。王超群[4]采用以机器学习为核心的声场诊断和缺陷成像技术，能够显著提高超声探测的准确性和工作效率。吴宏勤[5]的研究显示，借助光电背向散射技术，可以对金属内部的微观组织和微小缺陷进行精细描绘，为评估金属3D打印质量提供了全新的思路。白雪等[6]的工作进一步比较了激光超声和传统超声在金属3D打印检测中的表现，发现激光超声不仅灵敏度更高，还能发现尺寸约为1μm的细微缺陷，优势明显。

因此，激光超声检测、电磁声超声检测等新兴方法正逐步走进人们的视野[7]。深入探讨超声检测在金属3D打印中的应用，既具有重要理论意义，也具备巨大的实践价值。相关研究不仅有望突破当前的技术瓶颈，还将为智能制造的未来发展奠定坚实基础。

1 金属3D打印技术概述

1.1 金属3D打印工艺与原理

金属3D打印技术采用逐层添加材料的方法，制造具有三维复杂结构的金属零件。其工作原理是在计算机引导下进行分层成形：首先将三维数字模型导入打印机的控制软件，依据模型的几何特征与设计要求，把模型切成一系列二维截面，每一层的厚度通常控制在20μm~100μm之间；接着选用合适的金属粉末作为原始材料，通过铺粉系统在打印基板的第一层均匀铺设粉末，随后利用激光束或电子束对粉末进行选择性熔化并使其凝固成固态金属；重复上述铺粉、熔化、凝固的循环，层层堆叠直至完整的三维结构成形；最后从基板上取下已成形的金属零件，并进行必要的后处理与表面精整。与传统需要模具的制造方式相比，金属3D打印完全省去了模具，显著缩短了生产周期并降低了成本。

该生产方法涵盖了多种增材制造工艺，典型代表包括：选区激光熔融（SLM）、电子束熔融（EBM）、激光熔覆沉积（LMD）以及熔融沉积成型（FFF）等。其中，SLM与EBM因精度高、成形质量好，在金属零件制造中应用最为广泛。

SLM[8-9]是一种以高能激光为热源的增材制造技术，核心思路是逐层选择性地熔化预先铺好的金属粉末，从而自下而上地“堆”出完整零件。成败的关键在于对激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚等参数进行精细控制，因为这些因素直接决定熔池形状和最终成品的物理性能，如图2所示。何伟等[10]的实验表明，当激光功率控制在200W~400W、扫描速率介于700mm/s~1500mm/s，并且扫描的间距控制在0.05mm~0.1mm之间时，可获得更高密度与更优力学性能。正因如此，SLM工艺能够实现99.9%的致密度，已被航空航天和医疗领域广泛用于制造高性能金属零部件。

与EBM与SLM类似，同样采用逐层铺粉、逐层熔化的增材思路，只是能源换成电子束[8]。该工艺特别适合熔点高、蒸气压大的金属材料，如钛合金、镍基合金等。电子束能量集中、扫描速度快，加之粉末层厚度通常控制在50μm~100μm，三者协同可大幅缩短成形时间，因而在大尺寸复杂结构件的制造中优势明显。

许多学者正在不断加深对金属3D打印中各类参数之间关系的理解，这些参数包括激光功率、扫描速度、铺粉厚度以及粉末本身的特性。他们还在积极探索新型金属合金材料的使用方式，希望通过性能更优异的合金材料来获得更好的制品效果。这些学术探讨不仅丰富了金属3D打印的理论体系，也为未来的技术进步和实际应用提供了宝贵的理论依据和操作指南。根据已有数据分析，如果采用金属3D打印技术取代传统的材料去除式生产方法，最多可以将材料消耗量减少50%，同时生产周期也能缩短30%到50%，尤其是在航空航天和医疗等高端制造领域，这种优势表现得更加突出。然而，目前的工艺仍然存在一些缺陷，如未完全熔合、微裂纹以及残余应力[1]等问题，这些问题需要通过进一步优化工艺参数、开发新型合金材料以及改进后处理技术等多种手段来加以克服，从而持续提升打印件的综合性能和可靠性。

1.2 金属3D打印应用领域分析

金属3D打印技术已在众多领域展现出独特优势与广阔前景，其在航空航天、医疗、汽车等核心应用领域的实际影响与最新进展值得深入探讨。

在航空航天领域，金属3D打印技术被赋予了高度的战略意义，其核心价值在于能够在显著减轻部件重量的同时，保持甚至提升结构强度与综合性能。以航空发动机燃油喷嘴为例，与传统铸造或机加工艺相比，采用金属3D打印制造的燃油喷嘴不仅整体重量可降低30%以上，其耐温性能也提升了约50%[11]，如图3所示。GE公司在GE9X、Leap系列航空发动机中成功实现3D打印技术的产业化应用，先后研制并批产了燃油喷嘴、热交换器、传感器外壳、涡轮叶片等十余种复杂结构件[12]。Safran[13]、MTU等[14]国际厂商也利用增材制造技术生产燃油喷嘴、燃烧室机匣，显著提高了生产效率。国内方面，中国航发湖南动力机械研究所[15]通过3D打印将某微型涡喷发动机的近百个零件集成为十个整体构件，包括整体叶盘结构，并已顺利通过发动机试车验证。

在医疗领域，人口老龄化和个性化医疗需求不断上升，金属3D打印技术正带来深刻变革。借助增材制造，医生可以基于同一数据源为患者量身定制关节、牙冠等植入物，使器械与人体结构更贴合。市场最新预测显示，到2025年，3D打印医疗植入物的市场规模将接近45亿美元。金属3D打印还为手术器械提供了更高精度，并显著缩短了供应链周期。

在汽车工业中，金属3D打印不仅用于新车型的原型开发，更通过减少零件数量和提升性能为量产带来实质价值。保时捷、法拉利等厂商已将该技术引入减震塔、变速箱壳体等关键部件的制造：部分3D打印零件可使车身减重约两成，同时提高抗拉强度，并显著缩短新车上市周期。

除航空航天、医疗和汽车之外，石油天然气、新能源以及珠宝与艺术品等行业也在积极引入金属3D打印技术。研究数据显示，采用3D打印零部件可把风力发电机效率提升5%到10%，在全球范围带来可观的可再生能源增量。市场调查表明，2022年全球3D打印珠宝交易额已接近50亿美元，并有望持续增长。

2 激光超声检测技术基础分析

2.1 激光超声传播原理分析

目前，针对金属增材制造构件的无损检测已形成以CT三维扫描、工业射线照相、荧光渗透检测和超声无损探伤为主的技术体系。其中，CT技术可在4μm~200μm范围内识别微小缺陷，精度高，却受检测效率和构件尺寸限制；射线照相技术擅长发现复杂结构中的气孔和夹杂；荧光渗透检测对表面开口缺陷灵敏直观，但仅适用于光滑表面，无法探查内部缺陷[16-18]。超声波检测是一种先进的无损检测手段，既能在高温、低温及辐射等极端环境中工作，也适用于形状复杂或难以接近的构件，因而在工业检测领域具有重要价值。其中，激光超声技术尤为突出：检测灵敏度高，无需耦合剂即可在现场快速完成检测；借助光学传输特性，还可与光纤技术无缝结合，实现远距离及在线监测。凭借这些优势，激光超声在3D打印构件的无损检测中已受到广泛关注并持续深入研究[19-21]。

激光超声技术是一种融合激光与超声波技术优势的无损检测方法。按照激光能量密度的高低，可分为热弹机制的激光超声无损检测技术和基于热蚀机制的激光超声无损检测技术。该技术利用高能量的脉冲式激光照射材料表面，通过热弹性效应或烧蚀效应在材料内部激发出超声波信号[7]，如图4和图5所示。激光超声技术的核心在于利用激光作为激发源，通过激光脉冲的高能量密度在极短时间内加热材料表面，使表面局部热膨胀，产生应力波，即超声波。在金属材料中，激光诱导的超声波主要包括纵波（P波）和横波（S波），其中纵波传播速度较快，而横波在检测过程中更容易呈现更强的对比度。在热弹机制下，入射激光脉冲的功率密度低于106W/cm2，热扩散深度极浅，仅使材料表层微米级区域在瞬间升温数十至数百摄氏度，产生瞬态热膨胀并激发热应力/应变，但表面无熔融现象。在热蚀机制下，入射激光脉冲功率密度高于106W/cm2，固体表面温度急剧升高并超过熔点，高功率激光使表层发生微米级烧蚀并产生等离子体，等离子体膨胀产生垂直于表面的反冲力，从而激发超声波。在3D打印构件质量检测中，热蚀模式虽然可产生强度更高的超声信号，但会在材料表面造成微米级烧蚀损伤，这与无损检测的本质要求相悖。相比之下，热弹模式利用精密控制的低功率激光，仅诱导可逆的热膨胀效应，在实现内部缺陷检测的同时，完全保持构件表面完整性，因而更适于精密增材制造件的在线质量监测[21,22]。

自1963年White[23]首次发现脉冲激光可在固体中激发超声波以来，直至20世纪80年代，学界在激光超声的原理、检测技术及工程应用方面取得了大量成果，为激光超声在金属表面的应用奠定了坚实基础。2004年，沈中华等[24,25]采用有限元仿真方法，系统研究了激光热弹效应对板状材料的超声激发特性。他们分别建立单层与双层材料模型，成功再现了激光作用下的瞬态温度场演变及超声波传播动态，并定量揭示了激光能量密度、脉宽等关键参数与超声频谱特征之间的关系，为激光超声无损检测技术的工程化应用提供了重要的理论框架。

自White首次发现激光超声现象以来，全球科研团队已构建起“理论建模—实验验证—数值仿真”三位一体的研究体系，并通过多维度交叉验证不断完善激光超声检测技术的理论基础与应用模型。然而，现有研究仍存明显局限：成果多集中于表面缺陷检测，对构件内部缺陷的识别机制研究相对薄弱；尤其在3D打印领域，尚未系统探讨表面形貌特征（如粗糙度Ra值）和内部孔隙率（通常0.1%~5%）等关键参数对超声缺陷信号的影响规律。

2.2 激光超声检测系统分析

2.2.1 激光超声检测系统分析

如图6所示，现代激光超声检测系统采用模块化设计，主要由激光激发单元和光学接收单元组成。其工作流程为：高能脉冲激光器（典型参数：波长1064nm，脉宽10ns）照射被测材料表面，通过热弹效应激发宽频带超声波（频率范围0.1MHz~20MHz）。声波在材料内部传播时，与缺陷或结构特征相互作用并发生模态转换；精密激光干涉仪（位移分辨率0.1nm）实时捕捉由此引起的表面振动信号。借助时频分析技术，即可重构材料内部的应力分布、晶格缺陷等关键质量参数。

国内外研究表明，激光器的选择是决定系统性能的关键因素。目前普遍采用Nd:YAG固体激光器，其基频输出波长为1064nm，具备脉冲能量高、脉宽窄（数纳秒至数十纳秒）的特点，可为超声激励提供充足能量。接收端通常使用激光干涉仪，通过光波相干原理精确测量超声波引起的表面振动所导致的光相位变化。1996年，Murray团队[26]首次证明，将Nd激光器阵列（波长1064nm，单脉冲能量50mJ~100mJ）与相控阵技术结合，并对脉冲时序（微秒级同步精度）、能量分布（波动控制在±5%以内）及空间调制（基于声光偏转器的动态聚焦）进行协同调控，可使系统信噪比提升40%以上，为现代激光超声设备的灵敏度优化奠定了技术路径。Millon等[27]以钢材为对象研究了激光束参数对检测性能的影响，发现激光光斑尺寸和光束质量直接决定可探测的频率范围，建议选用直径小于0.2mm的激光源。最新研究进一步指出，若采用2MHz~10MHz的混合频率激励，有望实现对微纳米级缺陷的精确定位与成像。

激光超声检测常用于非接触、高低温、无耦合剂、快速扫描等场景。传统非接触超声检测多依赖电磁声换能器、电容或静电换能器以及空气耦合超声换能器，但上述方法均存在固有局限，因此国内外研究者普遍转向光学检测技术，以实现真正意义上的无损检测[28]。光学超声检测体系可分为非干涉与干涉两大路线。非干涉法以刀边检测技术为代表，其核心是利用直径10μm~50μm的亚波长探测光斑与表面超声相互作用，通过刀边滤波器测量反射光的光强调制（灵敏度可达10-6rad），从而定量获取表面声波振幅。干涉法包含三大主流技术：（1）光外差干涉系统，位移分辨率0.1nm，通过参考光与信号光的相干解调提取振动相位；（2）差分干涉仪，基于马赫-曾德尔结构，利用双光束路径差消除共模噪声；（3）速度干涉仪（VISAR），通过多普勒频移实现0.1m/s级的速度分辨率。上述技术共同构成了现代无损检测的完整光学解决方案[28]。

2.2.2 激光超声检测数据分析

激光超声检测数据的深入分析同样是关键环节，其核心任务是对检测设备采集的数据进行处理与解读，以获取材料内部结构缺陷的信息。该分析流程主要包括数据预处理、信号特征提取、缺陷识别及缺陷量化评价四个步骤。

在对超声波检测数据进行分析之前，必须先完成数据预处理。该环节旨在提高信号信噪比，抑制外部噪声对结果的干扰。实际检测中，仪器和环境噪声往往不可避免，因此需采用低频、高频或带通滤波器进行滤波优化，并可进一步运用包络分析、小波变换、傅里叶变换等去噪技术，以突出信号中的有效成分。

数据预处理完成后，需进入信号特征提取阶段，其任务是从已处理的声波数据中提炼出具有明确物理意义的关键参数。常用的特征提取方法包括时域分析、频域分析及联合时频域分析等。

完成波形特征参数提取后，即可开展缺陷识别与定量评估。随着超声检测分析日益复杂，机器学习与人工智能算法得到广泛应用。研究表明，利用卷积神经网络（CNN）识别或定位金属3D打印件中的微孔缺陷，准确率可超过85%。为进一步提升超声检测的稳定性与可靠性，研究者常将其与其他无损检测手段的数据融合，实现联合分析。例如，将X射线计算机断层扫描（CT）、扫描电子显微镜（SEM）与超声检测结果相结合，可构建更精细的金属内部三维图像，从而显著提高检测精度。

通过对分析算法与处理流程进行持续而深入的优化与改进，能够显著拓展材料检测的深度与广度，从而为品质监控和性能提升提供更加准确且可信赖的坚实基础。

3 激光超声检测技术在缺陷检测方面的应用

3.1 激光超声检测在金属材料领域中的应用

2000年，凭借非接触、耐恶劣环境的突出优势，激光超声技术迅速成为研究热点；学者们通过理论建模与实验验证，在常规金属检测领域取得了重要突破。

在金属材料的无损检测、在线监测与结构健康监测领域，激光超声技术正发挥日益关键的作用。该技术通过激光脉冲激发宽频超声信号，可在不损伤构件的前提下实时获取材料内部微观结构信息。以高温服役的涡轮叶片、核电设备部件为例，激光超声检测能够在高达1000℃的极端环境中稳定工作，并精准识别裂纹、孔洞、夹杂物等微小缺陷。白雪等人的研究表明，该技术的检测精度已达微米级，可检出尺寸小于0.1mm的缺陷；在铝合金在线检测中，甚至能发现直径仅50μm的孔洞[6]。魏鹤鸣[29]进一步证实，系统在1000℃条件下仍可保持性能稳定，对热轧钢板的厚度监测具有重要价值。凭借上述优势，激光超声检测已成为关键金属部件质量控制与缺陷识别的理想手段。

在复合材料领域，激光超声检测同样展现出优异适用性。航空、航天等行业广泛使用的复合材料结构复杂、层数繁多，其不同材质间的粘接质量与分层状况直接决定整体力学性能。激光超声检测凭借脉冲波的强穿透力和高分辨率，能够精准识别界面分层、材料疏松等隐蔽缺陷。杨红娟等[30]研究表明，与传统方法相比，激光超声检测可将复合材料分层缺陷的识别灵敏度提升约30%，显著提高了检测精度。

除金属与复合材料外，激光超声技术在新型材料中的应用研究亦呈上升态势。高熵合金、纳米增强复合材料等因其卓越的综合性能已被广泛用于极端环境，但其内部缺陷的精准检测对性能保障至关重要。为此，针对不同材料特性对激光能量、波长等检测参数进行优化，已成为新的研究热点，从而使激光超声技术能够更好地适应多样化的材料需求。

激光超声技术在材料疲劳寿命评估方面同样具有广阔前景。通过分析材料在激光超声作用下产生的声谱变化，可预测其疲劳寿命及疲劳裂纹扩展速率。试验结果表明，激光超声信号的幅值衰减和频谱展宽与材料疲劳损伤程度呈显著相关。赵沧等[31]利用激光超声对金属疲劳裂纹进行实时监测，其寿命预测准确率可达85%以上。

在半导体材料检测中，激光超声技术主要用于发现表面微观缺陷和界面状态变化。由于半导体结构精细、对微小缺陷极为敏感，传统方法已难以满足现代工艺的苛刻要求。激光超声技术不仅能快速、无损地检出内部缺陷，还可通过调节激光参数适配不同种类的半导体材料，为半导体工业生产提供了可靠的质量保障手段。

综上所述，激光超声检测技术已在各类材料领域展现出卓越优势与广阔应用前景。随着高精度仪器和复杂分析算法的持续发展，该技术在多种材料中的研究将进一步深化，为材料科学提供更强支撑；同时也为激光超声在3D打印领域的质量控制、无损检测、在线监测及结构健康监测奠定了坚实基础。

3.2 激光超声检测在金属3D打印材料上的应用

3D打印技术的快速发展推动了激光超声检测的深入研究。该技术既可在线监测打印过程中的温度变化，又能离线检测构件内部微缺陷，已成为增材制造质量监控的关键手段[32]。

在具体应用层面，白雪等[6]利用激光超声技术解析声波在316L不锈钢中的传播特性，成功检出直径不足100μm的微孔缺陷。Liu等[33]采用X射线计算机断层扫描来捕获制造缺陷，并研究它们对3D打印金属结构的整体机械性能的影响。徐召[34]在研究选区激光熔化316L不锈钢孔洞缺陷时发现，激光超声不仅能准确定位孔洞，还可定量评估其尺寸与形状，测量误差控制在5%以内。赵沧等[31]则证实，借助实时激光超声监测，可在金属增材制造过程中动态调整工艺参数，抑制内部缺陷生成，从而显著提升成品的质量与可靠性。该在线监测系统已在多家航空制造企业投入使用，显著降低了废品率，并有效提升了生产效率。

激光超声检测还可用于实时监测3D打印过程中的温度场和熔池动力学行为。通过连续获取这些关键参数，系统能够即时调整打印路径与工艺参数，优化成形条件，从而显著提高成品率。王书祥[35]在钛合金增材制造研究中发现，将激光超声检测与热模型耦合后，通过精准控制激光功率和扫描速度，可使成形件内部相对密度提升约20%。吴宏勤[5]进一步证实，激光超声技术可动态捕捉增材制造过程中微观结构的实时演变，不仅能够发现宏观缺陷，还能识别材料内部的微观冶金缺陷，为深入理解并主动控制增材制造中的质量问题提供了关键依据。近年来，大量研究已系统验证了激光超声技术在3D打印缺陷检测中的可靠性与有效性。陈帅团队[36]研发的激光超声线扫描系统可准确识别尺寸为2mm×1mm×1mm的打印缺陷，并实现了缺陷宽度的定量分析。Yu等[37]通过与XCT技术对比，建立了瑞利波幅值与孔洞缺陷之间的定量关系，证实系统能够检出直径仅0.8mm的孔洞。Zhang等[38]则突破了表面粗糙度的限制，在未后处理的SLM构件表面成功检出了0.05mm级的微小缺陷，充分显示了该技术对复杂工况的适应能力。综上所述，激光超声检测技术在金属3D打印质量控制中已展现出卓越的检测性能，不仅为提升增材制造成品质量提供了有力支撑，也为相关装备与工艺的进一步发展指明了方向。然而，目前该技术在3D打印领域的应用呈现“内外有别”的态势：国内研究尚处起步阶段，主要围绕人工预制缺陷的验证展开[39-41]，且表面粗糙度对检测精度的影响仍未有效解决；国际学术界则已形成更为系统的研究体系，正持续深化激光超声在增材制造全流程质量控制中的应用探索。值得注意的是，通过优化构件表面处理工艺提升检测灵敏度，已成为国内外研究者共同关注的技术突破方向，国外也在积极推进激光超声无损检测的各项研究[42-50]。研究人员目前发现的激光超声检测缺陷的极限尺寸0.05mm宽和0.1mm深，因此，未来的研究应聚焦于算法优化、信号处理技术提升以及与其他检测技术的结合，以进一步提高激光超声检测在金属3D打印中的应用深度和检测精度。

4 激光超声检测发展趋势与挑战

未来激光超声检测技术的发展方向可概括为以下关键领域：

（1）硬件技术提升：持续研发更高功率、更稳定输出的激光器，以及更高灵敏度的超声传感器，从源头提高系统信噪比，增强对微小缺陷的捕捉能力；同时通过光学与机械结构的小型化，推动便携式、现场级激光超声设备的落地。

（2）将机器学习算法—尤其是卷积神经网络—深度嵌入信号处理链路，实现缺陷回波的自动分类、定位与严重程度评估，可在保持高检出率的同时显著压缩检测周期。

（3）多技术集成应用：把激光超声与X射线数字成像、计算机断层扫描（CT）等互补手段有机融合，突破单一方法在分辨率、深度或对比度上的瓶颈，为材料内部疏松、裂纹及表面缺陷入微提供一站式、全景式评估。

（4）标准化制定与推广：仍需联合ISO、ASTM等国际组织，针对增材制造工艺链各环节，建立覆盖设备性能、检测流程、缺陷判据与结果溯源的统一标准，确保不同实验室、不同生产线所获数据可比、可靠、可重复。

最后，随着航空发动机叶片、汽车轻量化结构件、个性化医疗植入物等复杂形状金属构件的批量应用，激光超声检测技术必将向复杂曲面三维构件的全覆盖、全尺寸、全厚度方向发展；开发能够自适应曲率变化、材料梯度、各向异性及表面状态的检测技术与装备，将成为下一阶段研究的核心焦点。上述四大趋势协同推进，将大幅度提升激光超声检测技术的综合性能，进一步拓宽其在金属增材制造领域的应用场景，最终实现更大规模、更深层次的工业价值。

参考文献：广州建筑GUANGZHOUARCHITECTURE2025年第12期；激光超声检测在金属3D打印中的应用进展；周津1，李展硕2,3，张耿标2,3；

难熔金属3D打印是针对钨、钼、钽、铌等具有高熔点、高硬度特性的难熔金属及合金的先进增材制造技术，可有效突破传统铸造、锻造等工艺在制备复杂结构件时的加工难题。其核心优势在于无需模具即可实现复杂构件的近净成型，材料利用率高，能缩短产品开发周期，适配航空航天、核工业等领域对极端环境下高性能部件的需求。目前主流工艺包括粉末床熔融、定向能量沉积及粉末挤出打印等，其中粉末挤出打印通过“低温成型+高温成性”的间接制造方式，可缓解直接打印过程中易出现的变形、裂纹等缺陷。该技术当前仍面临工艺稳定性提升、行业标准完善等发展挑战，正逐步从实验室研发向实际应用场景推进。更多产品信息，欢迎联系我们的销售经理，郑经理13318326187.