金属点阵材料结构参数的CT检测

2021-03-01王丙阳刘晓彤李怀学李嘉文晏峰峰

无损检测 2021年2期

王丙阳，刘晓彤，戴宁，李怀学，李嘉文，晏峰峰

(1.中国航空制造技术研究院，北京 100024；2.南京航空航天大学机电工程学院，南京 210016；3.北京国测通标检测技术有限公司，北京 101399)

金属点阵材料有着质量轻、比强度高、密度小等优秀的力学特性以及隔热、吸能、消声降噪等物理特性，被认为是最有前景的新一代轻质、超强韧多功能材料[1]。其点阵结构是由结点和结点间连接杆件的单元，按一定规则周期性排列构成的三维有序多孔结构。可以通过单胞的构型和几何尺寸设计实现其功能性的调控[2]。

金属点阵结构的多孔特性和可设计性，已成为结构、功能一体化的优良载体。多项研究表明[3-5]，金属点阵结构连接杆的尺寸、长径比、夹角以及单元数目与规格等，决定了其结构力学性能。由于金属点阵结构的几何参数直接影响着结构的力学性能，因此需针对制备完成的构件开发适用的无损检测方法，以验证构件制备与设计的符合性，确保构件在使用过程中满足相关性能要求。

金属点阵结构的无损检测具有以下特点：① 内部结构复杂，空间结构形状各异、尺寸小、单元周期密集排列，检测的可达性差；② 材料范围广，包括铝合金、钛合金、高强度钢等，不同材料对检测结果的影响不同；③ 高精度尺寸定量检测，需要量化评估尺寸精度、表面质量和连接杆断裂缺陷，在确保结构精度和安全性的前提下，降低制造成本。基于上述特点，文章开展了金属点阵结构参数CT(电子计算机断层扫描)检测方法的研究。

1 研究对象

文章以BCC(body-centered cells，体心立方)型金属点阵为对象，对其结构参数进行检测。金属点阵单元结构如图1所示，金属点阵结构如图2所示。

高能束选区熔化金属点阵采用M810型大型激光选区熔化精密快速成型设备以及TC4合金粉末进行成型，其成形工艺参数详见表1。

图1 金属点阵单元结构

图2 金属点阵结构图

表1 金属三维点阵成型工艺参数

2 金属点阵材料结构参数的检测原理

2.1 检测方案

工业CT技术是在被检物体非破坏的情况下获取其二维或三维图像的射线检测方法，其基本原理为：射线束穿过被测物体时产生衰减，探测器采集到衰减后的射线信号，并通过重建算法“还原”物体的二维或三维结构信息。其成像原理如图3所示[6]。

图3 工业CT成像原理示意

由图3可知，对金属点阵结构进行工业CT检测，如同一个平面横插入到点阵结构中。点阵单元结构的连接杆截面均呈椭圆状，其中，短轴为杆径。金属点阵结构的工业CT检测图像如图4所示(图中l为短轴，L为长轴)。

图4 金属点阵工业CT检测图像

对图4中的图像进行边缘提取、椭圆拟合识别处理，通过对椭圆长轴、短轴及倾斜角(点阵连接杆与CT切片平面的夹角)等参数的计算，实现结构的几何参数检测。图5为金属点阵结构几何参数的检测流程。

图5 金属点阵结构几何参数的检测流程

2.2 检测原理[7-8]

在xOy平面上，椭圆上任意两点间的最大几何距离为长轴(L)，L可计算为

(1)

若已知长轴的2个端点坐标分别为(xi,yi),(xj,yj)，则中心坐标x0,y0分别为

x0=(xi+xj)/2

(2)

y0=(yi+yj)/2

(3)

利用式(4)计算椭圆上任意一点(xk,yk)与中心坐标点的最短距离l。

(4)

CT切片插入金属点阵结构如图6所示(图中A为点阵连接点,1,2,3,4为连接杆所在位置)，倾斜角φ计算为

φ=arcsin-1(l/L)+π/2

(5)

图6 CT切片插入金属点阵结构示意

设切片为xOy平面，由图6可知，可认为其连接杆与切片平面的交点坐标为(x1,y1,0)，而点阵连接点A的坐标为(0,0,z1)。该连接杆的向量为S={x1,y1,-z1}。

由数学知识可得该连接杆所在直线的方程为

(6)

xOy平面的法向量为{0,0,1},由直线与平面相交公式可得

(7)

(8)

将(x1,y1)，倾斜角φ代入式(8)可计算出z1的数值，即可得到点阵连接点A的坐标。

将连接杆上两根杆的空间向量V1和V2进行点乘，得到两根杆的空间夹角θ。

(9)

3 检测结果与分析

金属点阵CT及其边缘提取图像如图7所示。工业CT检测过程中受探测器校正、检测参数设置等影响，扫描图像存在较重的伪影，伪影叠加在点阵扫描图像中造成端角灰度值远高于其他区域的影像灰度，以致在边缘提取过程产生了多余的弧线[见图7(b)四个角的圆圈处]，端角处的干扰弧线增加了图像的连通区域数量，加大了椭圆识别的难度。为准确对图像边缘进行提取，识别有效连通区域，在金属点阵结构工业CT检测中，应及时校正探测器，优化检测参数，减少伪影及其他干扰影像。