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金屬點(diǎn)陣材料有著質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、密度小等優(yōu)秀的力學(xué)特性以及隔熱、吸能、消聲降噪等物理特性，被認(rèn)為是最有前景的新一代輕質(zhì)、超強(qiáng)韌多功能材料。其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)間連接桿件的單元，按一定規(guī)則周期性排列構(gòu)成的三維有序多孔結(jié)構(gòu)。可以通過單胞的構(gòu)型和幾何尺寸設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其功能性的調(diào)控。

 

金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的多孔特性和可設(shè)計(jì)性，已成為結(jié)構(gòu)、功能一體化的優(yōu)良載體。多項(xiàng)研究表明，金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)連接桿的尺寸、長(zhǎng)徑比、夾角以及單元數(shù)目與規(guī)格等，決定了其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。由于金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)直接影響著結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，因此需針對(duì)制備完成的構(gòu)件開發(fā)適用的無損檢測(cè)方法，以驗(yàn)證構(gòu)件制備與設(shè)計(jì)的符合性，確保構(gòu)件在使用過程中滿足相關(guān)性能要求。

 

金屬點(diǎn)陣材料結(jié)構(gòu)參數(shù)

檢測(cè)原理

金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)具有以下特點(diǎn)：

 

① 內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間結(jié)構(gòu)形狀各異、尺寸小、單元周期密集排列，檢測(cè)的可達(dá)性差；

 

② 材料范圍廣，包括鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼等，不同材料對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響不同；

 

③ 高精度尺寸定量檢測(cè)，需要量化評(píng)估尺寸精度、表面質(zhì)量和連接桿斷裂缺陷，在確保結(jié)構(gòu)精度和安全性的前提下，降低制造成本。

 

基于上述特點(diǎn)，可以考慮采用工業(yè)CT(電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)技術(shù)。其成像原理如圖1所示。

圖1 工業(yè)CT成像原理示意

01研究對(duì)象

以體心立方（BCC）型金屬點(diǎn)陣為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

 

圖2 金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖

高能束選區(qū)熔化金屬點(diǎn)陣采用M810型大型激光選區(qū)熔化精密快速成型設(shè)備以及TC4合金粉末進(jìn)行成型，其主要成形工藝參數(shù)如下：激光功率330W，掃描速度1250mm/s，掃描功率250W，輪廓掃描速度1250mm/s，層厚40μm，掃描間距0.13mm，粉末球徑1～53μm。

 

02檢測(cè)方案

由工業(yè)CT檢測(cè)原理（圖1）可知，對(duì)金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，如同一個(gè)平面橫插入到點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中。點(diǎn)陣單元結(jié)構(gòu)的連接桿截面均呈橢圓狀，其中短軸為桿徑。金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的工業(yè)CT檢測(cè)圖像如圖3所示（圖中l(wèi)為短軸，L為長(zhǎng)軸）。

 

圖3 金屬點(diǎn)陣工業(yè)CT檢測(cè)圖像

對(duì)圖3中的圖像進(jìn)行邊緣提取、橢圓擬合識(shí)別處理，通過對(duì)橢圓長(zhǎng)軸、短軸及傾斜角（點(diǎn)陣連接桿與CT切片平面的夾角）等參數(shù)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)檢測(cè)。圖4為金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的檢測(cè)流程。

 

圖4 金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的檢測(cè)流程

 

金屬點(diǎn)陣材料結(jié)構(gòu)參數(shù)

檢測(cè)結(jié)果

金屬點(diǎn)陣CT及其邊緣提取圖像如圖5所示。工業(yè)CT檢測(cè)過程中受探測(cè)器校正、檢測(cè)參數(shù)設(shè)置等影響，掃描圖像存在較重的偽影，偽影疊加在點(diǎn)陣掃描圖像中造成端角灰度值遠(yuǎn)高于其他區(qū)域的影像灰度，以致在邊緣提取過程產(chǎn)生了多余的弧線，見圖5(b)四個(gè)角的圓圈處，端角處的干擾弧線增加了圖像的連通區(qū)域數(shù)量，加大了橢圓識(shí)別的難度。為準(zhǔn)確對(duì)圖像邊緣進(jìn)行提取，識(shí)別有效連通區(qū)域，在金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)工業(yè)CT檢測(cè)中，應(yīng)及時(shí)校正探測(cè)器，優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)，減少偽影及其他干擾影像。

 

圖5 金屬點(diǎn)陣CT及其邊緣提取圖像

截取有效圖像的邊緣識(shí)別圖如圖6所示，對(duì)未發(fā)現(xiàn)偽影的部位進(jìn)行了邊緣提取，得到8個(gè)橢圓圖形。

 

圖6 截取有效圖像的邊緣識(shí)別圖

對(duì)圖6中截取圖像進(jìn)行識(shí)別，得到橢圓的位置參數(shù)（x0，y0）及形狀參數(shù)（a，b，Φ）。通過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算得到連接桿的直徑為1.87~2.13mm；兩單元點(diǎn)陣間水平方向的距離為14.8mm，見圖7。兩單元點(diǎn)陣間高度方向距離的計(jì)算亦如此。

 

圖7 兩單元點(diǎn)陣間距示意

金屬單元點(diǎn)陣連接桿直徑設(shè)計(jì)值為2mm，檢測(cè)結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)值。受激光選區(qū)熔化成型工藝的影響，金屬點(diǎn)陣試件較實(shí)際模型存在一定的翹曲，見圖8，同時(shí)由于連接桿表面較大的粗糙度增加了CT圖像的邊緣噪聲，因此檢測(cè)結(jié)果與理論模型存在一定的差距。

 

圖8 金屬點(diǎn)陣三維重建與CATIA數(shù)模比對(duì)偏差圖

 

結(jié)論

(1) 對(duì)金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)工業(yè)CT圖像進(jìn)行橢圓擬合識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)金屬點(diǎn)陣材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的檢測(cè)。

 

(2) 橢圓擬合識(shí)別的準(zhǔn)確度與CT圖像質(zhì)量相關(guān)，在CT檢測(cè)過程中應(yīng)盡量消除不相關(guān)的偽影圖像。

 

(3) 針對(duì)金屬點(diǎn)陣CT影像橢圓識(shí)別進(jìn)行了初步研究，后續(xù)還需針對(duì)高精度邊緣提取、圖像擬合等進(jìn)一步開展相關(guān)工作，以提高檢測(cè)精度。

 

作者：王丙陽1，劉曉彤1，戴寧2，李懷學(xué)1，李嘉文1，晏峰峰3

工作單位：

1.中國航空制造技術(shù)研究院

2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

3.北京國測(cè)通標(biāo)檢測(cè)技術(shù)有限公司

第一作者：王丙陽，高級(jí)工程師，主要從事無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究工作。

來源：《無損檢測(cè)》2021年2期