金屬點陣材料結構參數的CT檢測

王丙陽，劉曉彤，戴 寧，李懷學，李嘉文，晏峰峰

(1.中國航空制造技術研究院，北京 100024；2.南京航空航天大學 機電工程學院，南京 210016；3.北京國測通標檢測技術有限公司，北京 101399)

金屬點陣材料有著質量輕、比強度高、密度小等優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[1]。其點陣結構是由結點和結點間連接桿件的單元，按一定規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[2]。

金屬點陣結構的多孔特性和可設計性，已成為結構、功能一體化的優良載體。多項研究表明[3-5]，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。基于上述特點，文章開展了金屬點陣結構參數CT(電子計算機斷層掃描)檢測方法的研究。

1 研究對象

文章以BCC(body-centered cells，體心立方)型金屬點陣為對象，對其結構參數進行檢測。金屬點陣單元結構如圖1所示，金屬點陣結構如圖2所示。

高能束選區熔化金屬點陣采用M810型大型激光選區熔化精密快速成型設備以及TC4合金粉末進行成型，其成形工藝參數詳見表1。

圖1 金屬點陣單元結構

圖2 金屬點陣結構圖

表1 金屬三維點陣成型工藝參數

2 金屬點陣材料結構參數的檢測原理

2.1 檢測方案

工業CT技術是在被檢物體非破壞的情況下獲取其二維或三維圖像的射線檢測方法，其基本原理為：射線束穿過被測物體時產生衰減，探測器采集到衰減后的射線信號，并通過重建算法“還原”物體的二維或三維結構信息。其成像原理如圖3所示[6]。

圖3 工業CT成像原理示意

由圖3可知，對金屬點陣結構進行工業CT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CT檢測圖像如圖4所示(圖中l為短軸，L為長軸)。

圖4 金屬點陣工業CT檢測圖像

對圖4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5為金屬點陣結構幾何參數的檢測流程。

圖5 金屬點陣結構幾何參數的檢測流程

2.2 檢測原理[7-8]

在xOy平面上，橢圓上任意兩點間的最大幾何距離為長軸(L)，L可計算為

(1)

若已知長軸的2個端點坐標分別為(xi,yi),(xj,yj)，則中心坐標x0,y0分別為

x0=(xi+xj)/2

(2)

y0=(yi+yj)/2

(3)

利用式(4)計算橢圓上任意一點(xk,yk)與中心坐標點的最短距離l。

(4)

CT切片插入金屬點陣結構如圖6所示(圖中A為點陣連接點,1,2,3,4為連接桿所在位置)，傾斜角φ計算為

φ=arcsin-1(l/L)+π/2

(5)

圖6 CT切片插入金屬點陣結構示意

設切片為xOy平面，由圖6可知，可認為其連接桿與切片平面的交點坐標為(x1,y1,0)，而點陣連接點A的坐標為(0,0,z1)。該連接桿的向量為S={x1,y1,-z1}。

由數學知識可得該連接桿所在直線的方程為

(6)

xOy平面的法向量為{0,0,1},由直線與平面相交公式可得

(7)

(8)

將(x1,y1)，傾斜角φ代入式(8)可計算出z1的數值，即可得到點陣連接點A的坐標。

將連接桿上兩根桿的空間向量V1和V2進行點乘，得到兩根桿的空間夾角θ。

(9)

3 檢測結果與分析

金屬點陣CT及其邊緣提取圖像如圖7所示。工業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7(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，識別有效連通區域，在金屬點陣結構工業CT檢測中，應及時校正探測器，優化檢測參數，減少偽影及其他干擾影像。

圖7 金屬點陣CT及其邊緣提取圖像

圖8所示為截取有效圖像的邊緣識別圖。對未發現偽影的部位進行了邊緣提取，得到8個橢圓圖形。

圖8 截取有效圖像的邊緣識別圖

對圖8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)如表2所示。

表2 截取有效圖像中的橢圓信息

由表2數據計算得到連接桿的直徑為1.872.13 mm；兩單元點陣間水平方向的距離為14.8 mm(見圖9)。兩單元點陣間高度方向距離的計算方法亦如此。表3為單元點陣結構兩連接桿間夾角的計算結果。

金屬單元點陣連接桿直徑設計值為2 mm，檢測結果基本符合設計值。受激光選區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10)，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9 兩單元點陣間距示意

表3 單元點陣結構兩連接桿間夾角的計算結果

圖10 金屬點陣三維重建與CATIA數模比對偏差圖

4 結論

(1) 對金屬點陣結構工業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CT檢測過程中應盡量消除不相關的偽影圖像。

(3) 針對金屬點陣CT影像橢圓識別進行了初步研究，后續還需針對高精度邊緣提取、圖像擬合等進一步開展相關工作，以提高檢測精度。