金屬點陣材料結構參數的CT檢測

金屬點陣材料有著質量輕、比強度高、密度小等優(yōu)秀的力學特性以及隔熱、吸能、消聲降噪等物理特性，被認為是最有前景的新一代輕質、超強韌多功能材料。其點陣結構是由結點和結點間連接桿件的單元，按一定規(guī)則周期性排列構成的三維有序多孔結構?？梢酝ㄟ^單胞的構型和幾何尺寸設計實現其功能性的調控。金屬點陣結構的多孔特性和可設計性，已成為結構、功能一體化的優(yōu)良載體。多項研究表明，金屬點陣結構連接桿的尺寸、長徑比、夾角以及單元數目與規(guī)格等，決定了其結構力學性能。由于金屬點陣結構的幾何參數直接影響著結構的力學性能，因此需針對制備完成的構件開發(fā)適用的無損檢測方法，以驗證構件制備與設計的符合性，確保構件在使用過程中滿足相關性能要求。金屬點陣材料結構參數檢測原理金屬點陣結構的無損檢測具有以下特點：①內部結構復雜，空間結構形狀各異、尺寸小、單元周期密集排列，檢測的可達性差；②材料范圍廣，包括鋁合金、鈦合金、高強度鋼等，不同材料對檢測結果的影響不同；③高精度尺寸定量檢測，需要量化評估尺寸精度、表面質量和連接桿斷裂缺陷，在確保結構精度和安全性的前提下，降低制造成本?；谏鲜鎏攸c，可以考慮采用工業(yè)CT(電子計算機斷層掃描)技術。其成像原理如圖1所示。圖1工業(yè)CT成像原理示意01研究對象以體心立方（BCC）型金屬點陣為研究對象，結構如圖2所示。圖2金屬點陣結構圖高能束選區(qū)熔化金屬點陣采用M810型大型激光選區(qū)熔化精密快速成型設備以及TC4合金粉末進行成型，其主要成形工藝參數如下：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檢測方案由工業(yè)CT檢測原理（圖1）可知，對金屬點陣結構進行檢測，如同一個平面橫插入到點陣結構中。點陣單元結構的連接桿截面均呈橢圓狀，其中短軸為桿徑。金屬點陣結構的工業(yè)CT檢測圖像如圖3所示（圖中l(wèi)為短軸，L為長軸）。圖3金屬點陣工業(yè)CT檢測圖像對圖3中的圖像進行邊緣提取、橢圓擬合識別處理，通過對橢圓長軸、短軸及傾斜角（點陣連接桿與CT切片平面的夾角）等參數的計算，實現結構的幾何參數檢測。圖4為金屬點陣結構幾何參數的檢測流程。圖4金屬點陣結構幾何參數的檢測流程金屬點陣材料結構參數檢測結果金屬點陣CT及其邊緣提取圖像如圖5所示。工業(yè)CT檢測過程中受探測器校正、檢測參數設置等影響，掃描圖像存在較重的偽影，偽影疊加在點陣掃描圖像中造成端角灰度值遠高于其他區(qū)域的影像灰度，以致在邊緣提取過程產生了多余的弧線，見圖5(b)四個角的圓圈處，端角處的干擾弧線增加了圖像的連通區(qū)域數量，加大了橢圓識別的難度。為準確對圖像邊緣進行提取，識別有效連通區(qū)域，在金屬點陣結構工業(yè)CT檢測中，應及時校正探測器，優(yōu)化檢測參數，減少偽影及其他干擾影像。圖5金屬點陣CT及其邊緣提取圖像截取有效圖像的邊緣識別圖如圖6所示，對未發(fā)現偽影的部位進行了邊緣提取，得到8個橢圓圖形。圖6截取有效圖像的邊緣識別圖對圖6中截取圖像進行識別，得到橢圓的位置參數（x0，y0）及形狀參數（a，b，Φ）。通過數據處理和計算得到連接桿的直徑為1.87~2.13mm；兩單元點陣間水平方向的距離為14.8mm，見圖7。兩單元點陣間高度方向距離的計算亦如此。圖7兩單元點陣間距示意金屬單元點陣連接桿直徑設計值為2mm，檢測結果基本符合設計值。受激光選區(qū)熔化成型工藝的影響，金屬點陣試件較實際模型存在一定的翹曲，見圖8，同時由于連接桿表面較大的粗糙度增加了CT圖像的邊緣噪聲，因此檢測結果與理論模型存在一定的差距。圖8金屬點陣三維重建與CATIA數模比對偏差圖結論(1)對金屬點陣結構工業(yè)CT圖像進行橢圓擬合識別，可實現金屬點陣材料結構參數的檢測。(2)橢圓擬合識別的準確度與CT圖像質量相關，在C