金屬點陣材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的CT檢測

金屬點陣材料有著質(zhì)量輕、比強度高、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)、超強韌多功能材料。其點陣結(jié)構(gòu)是由結(jié)點和結(jié)點間連接桿件的單元，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)?？梢酝ㄟ^單胞的構(gòu)型和幾何尺寸設(shè)計實現(xiàn)其功能性的調(diào)控。金屬點陣結(jié)構(gòu)的多孔特性和可設(shè)計性，已成為結(jié)構(gòu)、功能一體化的優(yōu)良載體。多項研究表明，金屬點陣結(jié)構(gòu)連接桿的尺寸、長徑比、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，因此需針對制備完成的構(gòu)件開發(fā)適用的無損檢測方法，以驗證構(gòu)件制備與設(shè)計的符合性，確保構(gòu)件在使用過程中滿足相關(guān)性能要求。金屬點陣材料結(jié)構(gòu)參數(shù)檢測原理金屬點陣結(jié)構(gòu)的無損檢測具有以下特點：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，檢測的可達(dá)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(jié)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(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?；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(shù)。其成像原理如圖1所示。圖1工業(yè)CT成像原理示意01研究對象以體心立方（BCC）型金屬點陣為研究對象，結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2金屬點陣結(jié)構(gòu)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(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檢測方案由工業(yè)CT檢測原理（圖1）可知，對金屬點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，如同一個平面橫插入到點陣結(jié)構(gòu)中。點陣單元結(jié)構(gòu)的連接桿截面均呈橢圓狀，其中短軸為桿徑。金屬點陣結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shù)的計算，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)檢測。圖4為金屬點陣結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的檢測流程。圖4金屬點陣結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的檢測流程金屬點陣材料結(jié)構(gòu)參數(shù)檢測結(jié)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(shù)設(shè)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(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，加大了橢圓識別的難度。為準(zhǔn)確對圖像邊緣進(jìn)行提取，識別有效連通區(qū)域，在金屬點陣結(jié)構(gòu)工業(yè)CT檢測中，應(yīng)及時校正探測器，優(yōu)化檢測參數(shù)，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(xiàn)偽影的部位進(jìn)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(jìn)行識別，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(shè)計值為2mm，檢測結(jié)果基本符合設(shè)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(jié)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(shù)模比對偏差圖結(jié)論(1)對金屬點陣結(jié)構(gòu)工業(yè)CT圖像進(jìn)行橢圓擬合識別，可實現(xiàn)金屬點陣材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的檢測。(2)橢圓擬合識別的準(zhǔn)確度與CT圖像質(zhì)量相關(guān)，在C