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。可以通過單胞的構型和幾何尺寸設計實現(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)

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。

基于上述特點，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(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(shù)的計算，實現(xiàn)結構的幾何參數(shù)檢測。圖4為金屬點陣結構幾何參數(shù)的檢測流程。

圖4 金屬點陣結構幾何參數(shù)的檢測流程

金屬點陣材料結構參數(shù)

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(shù)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(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(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(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(shù)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(xiàn)金屬點陣材料結構參數(shù)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(xù)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。

作者：王丙陽1，劉曉彤1，戴寧2，李懷學1，李嘉文1，晏峰峰3

工作單位：

1.中國航空制造技術研究院

2.南京航空航天大學機電工程學院

3.北京國測通標檢測技術有限公司

第一作者：王丙陽，高級工程師，主要從事無損檢測技術的應用研究工作。

來源：《無損檢測》2021年2期