一项来自英国剑桥大学和新加坡南洋理工大学的开创性研究成果，正在让金属3D打印的质量检测迎来突破。这项名为定向反射显微镜（Directional Reflectance Microscopy，简称DRM）的创新技术，首次实现了在不破坏零件的情况下，直接在复杂曲面上获取微观结构信息。
当工程师们拿着一个价值数十万的航空发动机叶片，通过这项检测技术，或许不用再为取样检测而需破坏零件，就能精确获知其表面微观结构。
这项重要研究发表在Nature小子刊npj Computational Materials期刊上，论文以一个双晶缺陷涡轮叶片为例，展示了DRM技术如何在不破坏零件的情况下，实现与传统昂贵的EBSD相媲美的检测精度。
这项技术的重要性不仅在于其无损检测的特性，但它能否真正取代传统的金相和EBSD检测？让我们一起深入解析这项突破性创新。 金属3D打印检测的现状与痛点
这些都是痛点，也是读完这篇文章后认为有潜力解决的痛点。
双晶涡轮叶片的检测成果
在金属3D打印过程中，理想情况下，我们希望获得完美的单晶结构，就像一个整齐的积木堆砌。但有时，在凝固过程中会形成两个取向不同的晶体区域，它们之间存在明显的晶界，这就是所谓的双晶缺陷。
按照传统方法，要确认这个问题就必须切割取样、制备金相或者用昂贵的EBSD手段。而现在，本研究提出的DRM技术，针对于一个出现了双晶缺陷的价值数十万的3D打印涡轮叶片，为我们带来了全新的解决方案。
研究团队展示的实验结果令人印象深刻。如下图所示，他们对一个存在双晶缺陷的涡轮叶片进行了分析。
图b和c的扫描电镜照片展示了两个晶粒区域经过电化学蚀刻后的表面形貌，形成了独特的“开放盒”结构。这些微观结构就像是精心设计的光学编码，携带着丰富的晶体学信息。
技术突破的核心： 解密“开放盒”之谜
在镍基高温合金中，γ'相会被选择性溶解，形成独特的“开放盒”形貌。由于γ'相与基体保持共格关系，这些微观坑的取向完美对应着晶体的取向。更妙的是，"开放盒"的壁面恰好位于{100}晶面上，为后续的光学测量提供了理想的反射面。
然后，用一束可控的光去“照相”。当光线从不同角度照射这些“开放盒”时，会产生独特的反射图案，就像每个晶体都有自己的“光学指纹”；通过对比实际测量和理论模拟的结果，研究人员证实了这种纹理真实反映了金属表面实际情况，也测试了各种可靠性。
打破平面限制： 复杂曲面上的精确测量
传统的EBSD要求样品必须是平整的，这大大限制了其应用范围。而DRM技术则突破了这一限制。研究团队通过一系列严格的实验，证明了这项技术在复杂曲面上的适用性。
与金相检测的深度对比： 从“看图”到“解码”
传统金相检验就像是在“看照片”，工程师们通过观察晶界形貌、晶粒大小来判断材料特性。而DRM技术则更像是在"读取数字信息"，通过解码表面反射信号获取精确的晶体学数据。研究团队在实验中展示了这一本质差异。
更令人瞩目的是晶界特性的精确表征。DRM能够沿着涡轮叶片轴向连续测量晶界错角，平均取向差为28.45度，这与EBSD的地面实验数据高度吻合。可以理解为，看照片和三维扫描的区别，这种高精定量分析能力，是金相不能比的。
与EBSD的竞争与互补： 精度与实用性的平衡
这项新技术最直接的比对对象应该还是和EBSD技术。EBSD长期以来被视为晶体取向分析的“金标准”，那么DRM是否能够取而代之？
研究数据给出了客观答案。之前的提到的结果显示，DRM与EBSD的像素级测量误差通常控制在10度以内。考虑到DRM的无损特性和测量效率（整个过程仅需50分钟），这个精度已经足以满足工业应用需求。特别值得一提的是，在表面倾斜不超过20度的区域，测量精度更是接近EBSD水平。
但DRM也有其局限性。如下图所示，当表面倾斜角度增大时，某些晶面的反射信号会被遮蔽，导致测量精度下降。这就像是在阳光下观察物体，过大的倾角会导致部分细节落入阴影。
不过，研究团队开发的数据处理算法很好地解决了这一问题。如下图c展示的(100)型晶面案例，即使在有遮蔽的情况下，仍然能够准确重建晶体取向信息。
实践价值： 从实验室走向产业应用
DRM技术的重要性不仅在于其技术创新，更在于其实际应用价值。特别是在以下几个方面：
结语： 目前的研究已经证明DRM在镍基高温合金和铝合金上的有效性。通过优化表面处理工艺和反射模型，有望将这项技术推广到更多金属材料体系。 经过深入分析，我们发现DRM技术与其说是要替代传统金相和EBSD，不如说是开创了一种新的材料表征方法。10%的胆碱氯化物溶解在草酸中，70°C环境，电流密度8 mA/cm²，持续10分钟即可完成DRM的电化学表面处理。它既继承了金相的简便性，又具备了EBSD的定量能力，更突破了两者的诸多限制。 展望未来，随着这项技术的持续完善和产业化推进，我们有理由期待它能够成为金属3D打印乃至所有金属带曲面零件质量检测的重要方法。
https://doi.org/10.1038/s41524-024-01458-5
