priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2023-66-10-852-868pribor-192Research ArticleПРИБОРЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ, ИЗДЕЛИЙ, ВЕЩЕСТВ И ПРИРОДНОЙ СРЕДЫMETHODS AND INSTRUMENTS FOR ANALYSIS AND MONITORING OF THE NATURAL ENVIRONMENT, SUBSTANCES, MATERIALS AND PRODUCTSМетоды фильтрации сигналов акустической эмиссии при контроле дефектообразования в процессе прямого лазерного выращивания изделийMethods for filtering acoustic emission signals when monitoring defect formation in the process of direct laser growth of productsАлтайЕ.AltayYe.

Ельдос Алтай - канд. техн. наук; департамент государственной научно-технической экспертизы; главный менеджер

Алматы

Yeldos Altay - PhD; Chief Manager

Almaty

aeldos@inbox.ruКузивановД. О.KuzivanovD. О.

Дмитрий Олегович Кузиванов - аспирант; факультет систем управления и робототехники

Санкт-Петербург

Dmitry O. Kuzivanov - Post-Graduate Student; Faculty of Control Systems and Robotics

St. Petersburg

kuzivanovdmitry@gmail.comРождественскийД. А.RozhdestvenskyD. А.

Данила Александрович Рождественский - отделение аддитивных технологий; специалист технологического отдела аддитивных технологий

Санкт-Петербург

Danila A. Rozhdestvensky - Department of Additive Technologies; Specialist of the Department

St. Petersburg

DanRo@alpost.ruСанниковМ. И.SannikovМ. I.

Максим Игоревич Санников - отделение аддитивных технологий; инженер технологического отдела аддитивных технологий

Санкт-Петербург

Maksim I. Sannikov - Department of Additive Technologies; Engineer of the Department

St. Petersburg

sannmaks96@gmail.comСтепановаК. А.StepanovaК. А.

Ксения Андреевна Степанова - канд. техн. наук; ведущий научный сотрудник

Санкт-Петербург

Ksenia A. Stepanova - PhD

St. Petersburg

ledy.xs93@yandex.ruНациональный центр государственной научно-технической экспертизы1National Center of Science and Technology EvaluationНЦМУ „Передовые цифровые технологии“ СПбГМТУITMO UniversityНЦМУ „Передовые цифровые технологии“ СПбГМТУWorld-class Scientific Center of Advanced Digital Technologies SMTUНаучно-технический центр „Эталон“Scientific and Technical Center Etalon2023301120246610852868Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/192

Представлены результаты акустико-эмиссионного контроля дефектообразования в изделиях при прямом лазерном выращивании. Рассмотрены особенности применения метода акустической эмиссии и обработки результатов регистрации сигналов акустической эмиссии с использованием каскадной полиномиальной цифровой фильтрации. Приведены результаты экспериментальной апробации метода каскадной фильтрации для обнаружения таких дефектов внутренней структуры, как трещины и поры. Выделены фрагменты амплитудно-временных и частотно-временных диаграмм сигналов акустической эмиссии, зарегистрированных при развитии дефектов в процессе выращивания изделий. Выполнена оценка зависимости сигналов акустической эмиссии от параметров дефектообразования. Установлена взаимосвязь между параметрами сигналов акустической эмиссии и мощностью излучения лазера (характеризует процесс дефектообразования), а также содержани ем азота в порошке жаропрочного сплава.

Results of acoustic emission monitoring of defect formation in products during direct laser growth are presented. The features of applying the acoustic emission method and results of processing recorded acoustic emission signals with the use of cascade polynomial digital filtering are considered. Results of experimental testing of the cascade filtration method for detecting internal structure defects such as cracks and pores are presented. Fragments of amplitude- time and frequency-time diagrams of acoustic emission signals recorded during the development of defects in the process of growing products are isolated. An assessment is made of the dependence of acoustic emission signals on defect formation parameters. A relationship between the acoustic emission signals parameters and applied laser radiation power is established, which characterizes the process of defect formation, as well as the nitrogen content in the heat-resistant alloy powder.

акустическая эмиссияконтроль дефектообразованияаддитивное производствопрямое лазерное выращиваниефильтрациямощность лазераметаллографияхром-никелевый сплавсигналacoustic emissiondefect formation testingadditive manufacturingdirect laser growthfilteringlaser powermetallographychromium-nickel alloysignalИсследования выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации программы Научного центра мирового уровня по направлению „Передовые цифровые технологии“ СПбГМТУ (соглашение от 20.04.2022 № 075-15-2022-312).The research was carried out with the financial support of the Russian Ministry of Education and Science as part of the implementation of the program of the world-class Scientific Center in the direction of “Advanced Digital Technologies” of St. Petersburg State Marine Technical University (agreement dated April 20, 2022, No. 075-15- 2022-312).ReferencesIvanov A. D., Minaev V. L., Vishnyakov G. N. Non-destructive optical testing of the products obtained using additive manufacturing // Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2019. Vol. 85. P. 76—82.Ivanov A.D., Minaev V.L., Vishnyakov G.N. Industrial laboratory. Diagnostics of materials, 2019, vol. 85, рp. 76–82. 2. Kovalevich A.S., Kinzhagulov I.Yu., Stepanova K.A., Kuzivanov D.O. Journal of Instrument Engineering, 2023, no. 2(66), pp. 139–147, DOI: 10.17586/0021-3454-2023-66-2-139-147. (in Russ.)Ковалевич А. С., Кинжагулов И. Ю., Степанова К. А., Кузиванов Д. О. Экспериментальное исследование параметров акустической эмиссии при циклических испытаниях металлических изделий аддитивного производства // Изв. вузов. Приборостроение. 2023. Т. 66, №. 2. С. 139—147.Kaplan M.A., Kirsankin A.A., Smirnov M.A., Kalaida T.A., Sevostyanov M.A. Novyye materialy i perspektivnyye tekhnologii (New Materials and Advanced Technologies), Collection of materials of the 4th Interdisciplinary Scientific Forum with International Participation, 2018, рр. 130–131. (in Russ.)Каплан М. А., Кирсанкин А. А., Смирнов М. А., Калайда Т. А., Севостьянов М. А. Содержание примесей в образцах сферических порошков коррозионностойких сталей // Сб. матер. 4-го междисциплинарного науч. форума с международным участием "Новые материалы и перспективные технологии". 2018. С. 130—131.Litunov S.N., Slobodenyuk V.S., Melnikov D.V. Omsk Scientific Bulletin, 2016, no. 1(145), pp. 12–17. (in Russ.) 5. Wei Q., Xie Y., Teng Q., Shen M., Sun S., Cai C. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022, vol. 1, рр. 100055.Литунов С. Н., Слободенюк В. С., Мельников Д. В. Обзор и анализ аддитивных технологий. Ч. 1 // Омский научный вестник. 2016. Т. 145, № 1. С. 12—17.Yang G., Xie Y., Zhao S., Qin L., Wang X., Wu B. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022, рр. 100037.Wei Q., Xie Y., Teng Q., Shen M., Sun S., Cai C. Crack types, mechanisms, and suppression methods during highenergy beam additive manufacturing of nickel-based super alloys: a review // Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers. 2022. Vol. 1. P. 100055.Popkova I.S. Sbornik XVI mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy Ural'skoy shkoly metallovedov-molodykh uchenykh (Collection of the XVI International Scientific and Technical Ural School of Metallurgists and Young Scientists), Part. 2, Ekaterinburg, 2015, рр. 276–279. (in Russ.)Yang G., Xie Y., Zhao S., Qin L., Wang X., Wu B. Quality control: internal defects formation mechanism of selective laser melting based on laser-powder-melt pool interaction: a review // Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers. 2022. Р. 100037.Zhang B., Li Y., Bai Q. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2017, vol. 30, рр. 515–527.Попкова И. С. Селективное лазерное плавление как инновационная технология изготовления сложнопрофильных изделий // Сб. XVI междунар. науч.-техн. Уральской школы металловедов-молодых ученых. Ч. 2. Екатеринбург, 2015. С. 276—279.Grange D., Bartout J.D., Macquaire B., Colin C. Materialia, 2020, vol. 12, рр. 100686.Zhang B., Li Y., Bai Q. Defect formation mechanisms in selective laser melting: a review // Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2017. Vol. 30. P. 515—527.Shahwaz M., Nath P., Sen I. Journal of Alloys and Compounds, 2022, рр. 164530.Grange D., Bartout J. D., Macquaire B., Colin C. Processing a non-weldable nickel-base super alloy by selective laser melting: role of the shape and size of the melt pools on solidification cracking // Materialia. 2020. Vol. 12. P. 100686.Smirnov M.A., Kaplan M.A., Kirsankin A.A., Kalaida T.A., Sevostyanov M.A. Novyye materialy i perspektivnyye tekhnologii (New Materials and Advanced Technologies), Collection of materials of the 4th Interdisciplinary Scientific Forum with International Participation, 2018, рр. 307–310. (in Russ.)Shahwaz M., Nath P., Sen I. A critical review on the microstructure and mechanical properties correlation of additively manufactured nickel-based super alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2022. P. 164530.Kaplan M.A., Kirsankin A.A., Smirnov M.A., Sevostyanov M.A. Novyye materialy i perspektivnyye tekhnologii (New Materials and Advanced Technologies), Collection of materials of the 4th Interdisciplinary Scientific Forum with International Participation, 2018, рр. 131–132. (in Russ.)Смирнов М. А., Каплан М. А., Кирсанкин А. А., Калайда Т. А., Севостьянов М. А. Фракционный анализ сферических порошков жаропрочных сплавов // Сб. матер. 4-го междисциплинарного науч. форума с международным участием "Новые материалы и перспективные технологии". 2018. С. 307—310.Barile C., Casavola C., Pappalettera G., Kannan V.P., Mpoyi D.K. Applied Sciences, 2023, vol. 13, р. 189.Каплан М. А., Кирсанкин А. А., Смирнов М. А., Севостьянов М. А. Содержание примесей в сферических порошках из жаропрочных материалов // Сб. матер. 4-го междисциплинарного науч. форума с международным участием "Новые материалы и перспективные технологии". 2018. С. 131—132.Wang C., Tan X.P., Tor S.B., Lim C.S. Additive Manufacturing, 2020, vol. 36, рр. 101538.Barile C., Casavola C., Pappalettera G., Kannan V. P., Mpoyi D. K. Acoustic emission and deep learning for the classification of the mechanical behavior of AlSi10Mg AM-SLM specimens // Applied Sciences. 2023. Vol. 13. P. 189.Barat V.A. Razvitiye metoda akusticheskoy emissii za schet avtomatizatsii obrabotki dannykh, povysheniya pomekhoustoychivosti i dostovernosti obnaruzheniya treshchinopodobnykh defektov metallokonstruktsiy (Development of the Acoustic Emission Method by Automating Data Processing, Increasing Noise Immunity and Reliability of Detection of Crack-Like Defects in Metal Structures), Extended abstract of Doctor’s thesis, Moscow, 2019, 40 р. (in Russ.)Wang C., Tan X. P., Tor S. B., Lim C. S. Machine learning in additive manufacturing: state-of-the-art and perspectives // Additive Manufacturing. 2020. Vol. 36. P. 101538.Altay Y.A., Fedorov A.V., Stepanova K.A. Proc. of the 2022 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, St. Petersburg, 2022, рр. 1320–1326.Барат В. А. Развитие метода акустической эмиссии за счет автоматизации обработки данных, повышения помехоустойчивости и достоверности обнаружения трещиноподобных дефектов металлоконструкций: Автореф. дис. … д-ра техн. наук. М., 2019. 40 с.Altay Y., Fedorov A.V., Stepanova K.A., Kuzivanov D.O. Journal of Instrument Engineering, 2022, no. 10(65), pp. 735–746, DOI: 10.17586/0021-3454-2022-65-10-735-746. (in Russ.)Altay Y. A., Fedorov A. V., Stepanova K. A. Acoustic emission signal processing based on polynomial filtering method // Proc. of the 2022 IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering. St. Petersburg, 2022. P. 1320—1326.Altay Y., Fedorov A.V., Stepanova K.A. Control. Diagnostics, 2022, no. 6(25), pp. 36–45. (in Russ.)Алтай Е., Федоров А. В., Степанова К. А., Кузиванов Д. О. Экспериментальное определение значимости статистической оценки параметров, характеризующих вторичные диагностические показатели акустической эмиссии // Изв. вузов. Приборостроение. 2022. Т. 65, №. 10. С. 735—746.Chernova V.V. Razrabotka metodiki akustiko-emissionnogo kontrolya defektov na ranney stadii ikh razvitiya v izdeliyakh iz kompozitsionnykh materialov (Development of a Technique for Acoustic Emission Monitoring of Defects at an Early Stage of Their Development in Products Made of Composite Materials), Extended abstract of candidate’s thesis, Tomsk, 2017, 21 р. (in Russ.)Алтай Е., Федоров А. В., Степанова К. А. Оценка взаимосвязи информационных составляющих и помех сигналов акустической эмиссии // Контроль. Диагностика. 2022. Т. 25, № 6. С. 36—45.Rastegaeva I.I., Rastegaev I.A., Agletdinov E.A. The comparison of the main time-frequency transformations of spectral analysis of acoustic emission signals. Frontier Materials and Technologies, 2022, no. 1, pp. 49–60.Чернова В. В. Разработка методики акустико-эмиссионного контроля дефектов на ранней стадии их развития в изделиях из композиционных материалов: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Томск, 2017. 21 с.Altay Y.A., Kremlev A.S. Proc. of the 2018 IEEE conference of Russian young researchers in electrical and electronic engineering, IEEE, 2018, рр. 1058–1062.Rastegaeva I. I., Rastegaev I. A., Agletdinov E. A. The comparison of the main time-frequency transformations of spectral analysis of acoustic emission signals // Frontier Materials and Technologies. 2022. N 1. P. 49—60.Altay Y.A., Kuzivanov D.O. Proc. of the 2023 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, St. Petersburg, 2023, рр. 1320–1326.Altay Y. A., Kremlev A. S. Comparative analysis of ECG signal processing methods in the time-frequency domain // Proc. of the 2018 IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering. 2018. P. 1058—1062.Zakharov L.А., Martyushev D.А., Ponomareva I.N. Journal of Mining Institute, 2022, vol. 253, рр. 23–32.Altay Y. A., Kuzivanov D. O. Descriptive analysis and acoustic emission signals parameters assessments: signal processing data // Proc. of the 2023 IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering. St. Petersburg, 2023. P. 1320—1326.Elforjani M., Shanbr S. IEEE Transactions on industrial electronics, 2018, no. 7(65), pp. 5864–5871.Zakharov L. А., Martyushev D. А., Ponomareva I. N. Predicting dynamic formation pressure using artificial intelligence methods // Journal of Mining Institute. 2022. Vol. 253. P. 23—32.Smirnov M.A., Kaplan M.A., Sevostyanov M.A. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOP Publishing, 2018, vol. 347, рр. 012033.Elforjani M., Shanbr S. Prognosis of bearing acoustic emission signals using supervised machine learning // IEEE Transactions on industrial electronics. 2018. Vol. 65, N 7. P. 5864—5871.Smirnov M.A., Kaplan M.A., Kirsankin A.A., Kalaida T.A., Nasakina E.O., Sevostyanov M.A. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 525, рр. 012076.Smirnov M. A., Kaplan M. A., Sevostyanov M. A. Receiving finely divided metal powder by inert gas atomization // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2018. Vol. 347. P. 012033.Tempelman J. R., Wachtor A.J., Flynn E.B., Depond P.J., Forien J.B., Guss, G.M., Matthews M. J. Additive Manufacturing, 2022, vol. 55, рр. 102735.Smirnov M. A., Kaplan M. A., Kirsankin A. A., Kalaida T. A., Nasakina E. O., Sevostyanov M. A. Investigation of the properties of heat-resistant spherical powders // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 525. P. 012076.http://www.ilwt-stu.ru/upload/publications/DMD_ru.pdf. (in Russ.)Tempelman J. R., Wachtor A. J., Flynn E. B., Depond P.J., Forien J. B., Guss G. M., Matthews M. J. Detection of keyhole pore formations in laser powder-bed fusion using acoustic process monitoring measurements // Additive Manufacturing. 2022. Vol. 55. P. 102735.Barile C., Casavola C., Pappalettera G., Vimalathithan P. Mechanics of materials, 2020, vol. 148, рр. 103448.Прямое лазерное выращивание [Электронный ресурс]: <http://www.ilwt-stu.ru/upload/publications/DMD_ru.pdf>.Pandiyan V., Drissi-Daoudi R., Shevchik S., Masinelli G., Loge R., Wasmer K. Procedia CIRP, 2020, vol. 94, рр. 392–397.Barile C., Casavola C., Pappalettera G., Vimalathithan P. Acoustic emission descriptors for the mechanical behavior of selective laser melted samples: an innovative approach // Mechanics of materials. 2020. Vol. 148. P. 103448.Pandiyan V., Drissi-Daoudi R., Shevchik S., Masinelli G., Le-Quang T., Loge R., Wasmer K. Virtual and Physical Prototyping, 2021, vol. 16, рр. 481–497.Pandiyan V., Drissi-Daoudi R., Shevchik S., Masinelli G., Loge R., Wasmer, K. Analysis of time, frequency and time-frequency domain features from acoustic emissions during laser powder-bed fusion process // Procedia CIRP. 2020. Vol. 94. P. 392—397.Altay Y.A., Kremlev A.S. Bulletin of the Russian New University Complex Systems: models, analysis and management, 2020, no. 2, pp. 18–28. (in Russ.)Pandiyan V., Drissi-Daoudi R., Shevchik S., Masinelli G., Le-Quang T., Loge R., Wasmer K. Semi-supervised monitoring of laser powder bed fusion process based on acoustic emissions // Virtual and Physical Prototyping. 2021. Vol. 16. P. 481—497.Rastegaev I.A., Merson D.L., Rastegaeva I.I. Аktual'nyye problemy metoda akusticheskoy emissii (Actual Problems of the Acoustic Emission Method), Collection of materials of the All-Russian Conference, Tolyatti, 2018, рр. 103– 104. (in Russ.)Алтай Е. А., Кремлев А. С. Оценка точности обработки электрокардиосигнала методом каскадной широкополосной режекторной фильтрации // Вестн. Российского нового университета. Сер.: Сложные системы: модели, анализ и управление. 2020. № 2. С. 18—28.Makhutov N.A., Sokolova A.G., Vasil’ev I.E., Chernov D.V., Skvortsov D.F., Bubnov M.A., Ivanov V.I. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2020, no. 12(56), pp. 960–970.Растегаев И. А. Мерсон Д. Л., Растегаева И. И. Подходы к анализу шумоподобной акустической эмиссии при беспороговом режиме ее регистрации // Сб. матер. Всерос. конф. „Актуальные проблемы метода акустической эмиссии“. Тольятти, 2018. С. 103—104.Frolov A.V., Muhina I.Yu., Duyunova V.A., Uridiya Z.P. Proceedings of VIAM, 2015, no. 9, pp. 57–63. (in Russ.)Махутов Н. А., Иванов В. И., Соколова А. Г., Васильев И. Е., Чернов Д. В., Скворцов Д. Ф., Бубнов М. А. Мониторинг разрушения волокон композитных материалов с применением системы акустической эмиссии, виброанализатора и высокоскоростной видеосъемки // Дефектоскопия. 2020. № 12. С. 14—23.Zhang W., Jia H., Gao G., Cheng X., Du P., Xu D. Applied Acoustics, 2019, vol. 156, рр. 387–393.Фролов А. В., Мухина И. Ю., Дуюнова В. А., Уридия З. П. Влияние легирующих элементов и структурных факторов на жаропрочность магниевых сплавов // Тр. ВИАМ. 2015. № 9. С. 57—63.Фролов А. В., Мухина И. Ю., Дуюнова В. А., Уридия З. П. Влияние легирующих элементов и структурных факторов на жаропрочность магниевых сплавов // Тр. ВИАМ. 2015. № 9. С. 57—63.Zhang W., Jia H., Gao G., Cheng X., Du P., Xu D. Backing layers on electroacoustic properties of the acoustic emission sensors // Applied Acoustics. 2019. Vol. 156. P. 387—393.Zhang W., Jia H., Gao G., Cheng X., Du P., Xu D. Backing layers on electroacoustic properties of the acoustic emission sensors // Applied Acoustics. 2019. Vol. 156. P. 387—393.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.