基于3D技術(shù)的金屬結(jié)構(gòu)件斷口形貌重建方法

劉瓏，江婷，侯南，張宗陽，丁寧*

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省分析測(cè)試中心，山東省材料失效分析與安全評(píng)估工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014；2.中國重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心，山東 濟(jì)南 250000)

失效分析通常指為尋找失效產(chǎn)品的失效原因和預(yù)防措施而進(jìn)行的一切技術(shù)活動(dòng)，是綜合性的質(zhì)量系統(tǒng)工程，目的是解決材料、系統(tǒng)組成和工程結(jié)構(gòu)等質(zhì)量問題[1]。為有效開展失效分析工作，目前已經(jīng)建立了一套完整的失效分析流程。失效分析流程包括現(xiàn)場調(diào)查、收集背景材料、技術(shù)參量復(fù)檢、深入分析研究、綜合分析歸納推理判斷和重現(xiàn)性試驗(yàn)或驗(yàn)證試驗(yàn)等。在這些流程中，失效分析工作人員需要借助多種測(cè)試分析手段，其中包括光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線熒光光譜、X射線衍射和拉伸試驗(yàn)機(jī)等[2-4]。技術(shù)參量復(fù)檢可能用到X射線熒光光譜判斷材料的化學(xué)成分是否合格，利用拉伸試驗(yàn)判斷材料的拉伸力學(xué)性能是否合格，利用金相顯微鏡判斷材料的金相組織和夾雜物等是否合格。深入分析研究中需要借助光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察結(jié)構(gòu)件斷口的微觀形貌，利用能譜分析表面腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分以確定可能的有害元素。這些分析手段在使用過程中可能會(huì)碰到各種各樣的問題，其中用掃描電子顯微鏡觀察斷口的微觀形貌時(shí)，由于所得到的圖片是二維圖片，特征形貌的真實(shí)位置、高度等信息只能憑借記憶來評(píng)估，給分析工作帶來了很大難度。

目前，計(jì)算機(jī)斷層掃描成像(CT)、三維(3D)打印和超景深數(shù)碼顯微鏡等多種3D技術(shù)迅猛發(fā)展，得到了廣泛的應(yīng)用。楊少丹等[5]闡述了材料失效分析的傳統(tǒng)研究方法，并針對(duì)傳統(tǒng)手段的不足分析介紹了工業(yè)CT在材料失效分析中的特點(diǎn)并指出其應(yīng)用前景。吳陳銘等[6]對(duì)多自由度機(jī)器人3D打印技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并討論了目前研究中待解決的問題和可能的發(fā)展方向。張衛(wèi)光等[7]將超景深顯微鏡應(yīng)用于昆蟲學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并提出了其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)和注意事項(xiàng)。而有關(guān)3D打印和超景深數(shù)碼顯微鏡應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)件失效分析的相關(guān)研究則鮮有報(bào)道，這兩項(xiàng)技術(shù)的聯(lián)用通過建立結(jié)構(gòu)件斷口的3D模型，從而解決用掃描電子顯微鏡觀察斷口時(shí)無法掌握斷口立體形貌，以及斷口由于分析需要被破壞后取樣而無法再現(xiàn)等問題。本文以不銹鋼換熱管的失效案例為例，借助超景深數(shù)碼顯微鏡和3D打印技術(shù)，建立了斷口的3D模型，在有效保護(hù)斷口形貌的同時(shí)，解決了利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀觀察時(shí)無法掌握斷口空間位置的問題。該項(xiàng)技術(shù)為金屬結(jié)構(gòu)件失效分析中對(duì)斷口的觀察和分析提供了有效手段。

1 3D技術(shù)簡介

1.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)于1981年由Kodama[8]提出，發(fā)展至今已逐漸成熟，設(shè)備成本越來越低，成型速度越來越快，打印質(zhì)量也越來越好[6]。3D打印技術(shù)首先需要通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件讀取所需打印結(jié)構(gòu)件的截面信息，然后用各種材料逐層打印出來，最終完成結(jié)構(gòu)件的打印。由于是逐層打印，制造速度快，打印精密度高，因此3D打印要優(yōu)于傳統(tǒng)制造方式。也正是由于3D打印的這些優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)學(xué)[9]、建筑學(xué)[10]、產(chǎn)品設(shè)計(jì)[11]、教育[12]和珠寶[13]等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但其在金屬結(jié)構(gòu)件失效分析領(lǐng)域的應(yīng)用，還有待進(jìn)一步開發(fā)。

1.2 超景深數(shù)碼顯微鏡

超景深數(shù)碼顯微鏡廣泛應(yīng)用于考古學(xué)[14]、紡織學(xué)[15]和工業(yè)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制等領(lǐng)域，主要包括處理控制器、鏡頭、自動(dòng)平臺(tái)、載物臺(tái)、快捷控制板和底座等部分。本文所使用的蔡司SmartZoom5超景深數(shù)碼顯微鏡，具有工作距離長，圖像清晰范圍大等特點(diǎn)，其鏡頭可傾斜以滿足多種觀察角度，能夠?qū)崿F(xiàn)高速實(shí)時(shí)圖像處理與測(cè)量。在金屬結(jié)構(gòu)件失效分析領(lǐng)域中，可利用超景深數(shù)碼顯微鏡對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件的斷口進(jìn)行宏觀形貌觀察。適當(dāng)調(diào)節(jié)光源，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件斷口形貌的真實(shí)成像是分析過程的關(guān)鍵。由于近年來開發(fā)了新型的超景深數(shù)碼顯微鏡景深疊加功能，使得在金屬結(jié)構(gòu)件斷口分析中，實(shí)現(xiàn)斷口的3D成像成為可能。

2 斷裂失效不銹鋼換熱管斷口的重建

某公司使用的不銹鋼換熱管，在使用約5年后發(fā)生斷裂，斷裂的管道斷口宏觀形貌如圖1所示。由于該管道斷裂時(shí)發(fā)生了爆管，斷口的對(duì)偶面在管子爆裂過程中迸出，沒有找到。因此，該管道僅存此一處斷口，這使得該斷口在失效原因分析過程中尤其寶貴，如果需要對(duì)其取樣，進(jìn)行夾雜物、微觀組織等檢查，該斷口就會(huì)被破壞而不能夠再現(xiàn)。在較強(qiáng)的光線下對(duì)該換熱器管進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)斷口的部分區(qū)域凹凸不平，存在多處小臺(tái)階，這些宏觀特征為后續(xù)利用掃描電鏡進(jìn)行微觀檢查帶來了諸多不便。為此，借助超景深數(shù)碼顯微鏡和3D打印技術(shù)對(duì)該斷口進(jìn)行復(fù)制重建，能夠方便利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀觀察及實(shí)現(xiàn)對(duì)斷口形貌的重建保護(hù)。

圖1 換熱器管道斷口的宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of heat exchanger tube fracture

金屬結(jié)構(gòu)件斷口的3D重建可以為斷口的微觀觀察及分析提供幫助。借助斷口的3D實(shí)體輔助觀察斷口的微觀形貌，可以隨時(shí)做標(biāo)記，使用起來更加便利。并且，當(dāng)必須對(duì)結(jié)構(gòu)件斷口進(jìn)行破壞取樣，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)斷口處夾雜物、微觀組織等的檢查時(shí)，利用3D識(shí)別及打印的斷口模型有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)斷口形貌的保存。金屬結(jié)構(gòu)件斷口的3D重建方法可以歸結(jié)為：先通過超景深顯微鏡、3D掃描儀和CT等三維成像技術(shù)獲取結(jié)構(gòu)件斷口的3D完整形貌，然后借助3D打印機(jī)將斷口的完整形貌打印出來，得到斷口的3D模型實(shí)體；最后應(yīng)用該實(shí)體，輔助掃描電子顯微技術(shù)對(duì)斷口進(jìn)行微觀形貌觀察。具體路線如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)件斷口的3D重建流程Fig.2 3D reconstruction process of the fracture surface

2.1 失效件斷口3D形貌數(shù)據(jù)的獲取

為獲得高精度的斷口立體圖像，本文借助超景深數(shù)碼顯微鏡的景深疊加模塊，在60倍的放大倍數(shù)下進(jìn)行景深疊加，疊加深度的步進(jìn)距離為90 μm。考慮到換熱器管的直徑較大，本文以斷口凹凸最復(fù)雜的區(qū)域(臺(tái)階聚集區(qū)，如圖3所示)為例進(jìn)行3D成像，最終得到的圖像如圖4所示。該圖像為斷口凹凸不平的曲面，可以借助三維顯示軟件將曲面內(nèi)部填充，得到與失效件相似的實(shí)體圖像。

為獲得更加精確的圖像信息，可選用三維掃描儀或者計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)進(jìn)行3D形貌的獲取。本案例采用PRINCE77型3D掃描儀，對(duì)該換熱管斷口進(jìn)行進(jìn)一步掃描，掃描精度可達(dá)0.03 mm。圖5為利用三維掃描儀獲取的換熱管斷口的3D形貌。對(duì)比圖4和圖5可以看出，僅利用超景深顯微鏡成像的斷口3D圖像中，斷口表面多個(gè)小突起的輪廓雖可見，但斷口的內(nèi)外邊緣并不能清晰成像。尤其是斷口邊緣的臺(tái)階交匯位置，因受光源的限制而無法獲取。通過3D掃描儀獲得的斷口3D圖像中，這些問題得到了有效克服。圖5中清晰可見斷口表面的臺(tái)階、內(nèi)外邊緣及臺(tái)階的交匯處(見圖5紅色箭頭所示)，可以清晰反映出斷口由多裂紋源產(chǎn)生的表面形貌特征。

圖3 管道斷口凹凸不平區(qū)域宏觀形貌Fig.3 Fracture photograph of the tube concave-convex area

圖4 利用超景深顯微鏡獲取的斷口3D形貌Fig.4 3D photograph of fracture obtained by microscope with super wide depth of field

圖5 利用3D掃描儀獲取的斷口3D形貌Fig.5 3D photograph of fracture obtained by a 3D scanner

2.2 斷口模型輔助顯微形貌觀察

考慮到3D模型是在計(jì)算機(jī)輔助軟件中實(shí)現(xiàn)的，在軟件中對(duì)斷口影像進(jìn)行標(biāo)記等操作非常不便，因此建立斷口的3D實(shí)體是很有必要的。3D打印技術(shù)是建立斷裂結(jié)構(gòu)件斷口3D實(shí)體的有效手段，將計(jì)算機(jī)輔助軟件中的三維斷口模型導(dǎo)入到3D打印機(jī)中，就可以得到斷口的三維實(shí)體。在本案例中，斷口模型通過Lite600型3D打印機(jī)打印完成，其打印成型精度為0.10 mm。圖6為斷裂換熱器管的真實(shí)斷口及其3D打印模型的宏觀形貌。為了方便拍攝3D斷口模型的細(xì)節(jié)信息，3D打印的斷口用紅色涂抹。建立換熱管3D斷口模型后，對(duì)比斷口3D形貌與真實(shí)斷口形貌可發(fā)現(xiàn)，兩者的宏觀特征保持一致。在3D斷口模型表面，對(duì)應(yīng)真實(shí)斷口表面的內(nèi)外邊緣、臺(tái)階等特征的各個(gè)區(qū)域均清晰可見，這為我們后續(xù)利用斷口3D模型輔助開展微觀形貌分析提供了便利。完成宏觀特征對(duì)比后，在3D斷口模型表面，對(duì)該換熱管斷口的特定位置進(jìn)行標(biāo)記，將換熱管的真實(shí)斷口放入掃描電子顯微鏡(ZEISS, Supra 55)中進(jìn)行顯微觀察。觀察過程中，可將3D斷口模型隨著微觀觀察位置的變化而隨意變化，隨時(shí)掌握所觀察位置是否在同一個(gè)裂紋擴(kuò)展面上等信息。圖7為該換熱管斷口表面多裂紋源引起的其中一個(gè)擴(kuò)展面及其斷面細(xì)節(jié)，相對(duì)于3D斷口模型的位置見圖6箭頭所示，這種同步觀察對(duì)于確定初始裂紋的位置和裂紋走向均具有重要作用。

圖6 換熱管斷口及3D打印的斷口模型Fig. 6 Fracture surface of heat exchanger tube and its model obtained by a 3D printer

圖7 斷口的SEM形貌Fig.7 SEM images of the fracture surface

3 結(jié)論

本文利用3D成像及打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)某失效換熱管斷口的高精度重塑，并將重塑的結(jié)構(gòu)件斷口用于該結(jié)構(gòu)件的失效分析過程中，起到了有效的斷口特征輔助識(shí)別作用及斷口樣本保護(hù)。在失效分析過程中合理運(yùn)用3D技術(shù)可以有效地提高微觀檢查的效率和準(zhǔn)確度，更好地確立初始裂紋的位置和裂紋的擴(kuò)展方向，這為更好更快地開展復(fù)雜斷口的微觀觀察提供了新思路。

3D打印以其突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以在3D掃描儀或計(jì)算機(jī)斷層掃描成像等技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)件完整斷口重建分析、金屬結(jié)構(gòu)件內(nèi)部孔隙缺陷重建分析以及斷裂過程的重現(xiàn)等方面。3D掃描儀成像或者計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)所獲得的結(jié)構(gòu)件三維信息，可以廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件的無損成像，進(jìn)一步借助有限元分析軟件可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變分析和疲勞壽命預(yù)測(cè)等。