工業(yè)CT成像技術(shù)在再制造界面典型缺陷研究中的應(yīng)用與展望

郭偉玲，李恩重，邢志國

(陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室，北京 100072)

激光熔覆技術(shù)作為一種先進的增材再制造技術(shù)，具有涂層與基體為冶金結(jié)合、能量集中、熱影響區(qū)小、對基體損傷小、加工精度高等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜零部件的高效修復(fù)[1]。在激光熔覆增材再制造過程中，再制造區(qū)域內(nèi)形成的各種界面統(tǒng)稱為再制造界面，該界面是再制造零部件的薄弱區(qū)域，為了使再制造零部件的性能達到甚至超過新品的性能，對該界面的缺陷進行分析是非常必要的。

目前,主要通過物理解剖法[2-5]、數(shù)值模擬法[6-10]及超聲法[11-13]、磁粉法[14-16]、滲透檢測法[17-19]等無損檢測方法獲得零部件內(nèi)部缺陷的信息，但是這些方法都存在不足之處，如：對零部件造成不可逆的破壞;檢測結(jié)果顯示不直觀、不準確;只對零部件的表面或近表面缺陷敏感等。筆者提出利用工業(yè)計算機斷層成像(Industrial Computed Tomography)技術(shù)對零部件再制造界面的缺陷進行研究。工業(yè)CT成像技術(shù)是一種依據(jù)外部投影數(shù)據(jù)重建物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像的無損檢測技術(shù)，該技術(shù)可以非接觸、非破壞性地檢測物體內(nèi)部缺陷，得到?jīng)]有重疊的數(shù)字化圖像，該技術(shù)不僅可以獲得零部件內(nèi)部缺陷的二維及三維空間信息，而且可以直觀、準確地表達零部件內(nèi)部缺陷的全方位信息[20-22]。

1 工業(yè)CT成像技術(shù)原理及主要性能

當X射線穿過被檢測物體時，會發(fā)生能量衰減現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)被檢測物體，用探測器從不同角度采集衰減后的X射線信號，將捕獲的信息輸入計算機系統(tǒng)，利用圖像重建算法進行處理，從而得到被檢測物體的二維或三維結(jié)構(gòu)信息。工業(yè)CT的主要零部件包括：射線源、輻射探測器與準直器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、樣品掃描機械系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及輔助電源和輻射安全系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)等[23-26]。目前，用于評價工業(yè)CT成像系統(tǒng)性能的主要參數(shù)包括：檢測試件的范圍、射線源種類、掃描模式、檢測時間、空間分辨率、密度分辨率及偽像等。

零部件再制造典型缺陷具有形貌復(fù)雜，尺寸較小，分布面積較廣，缺陷邊界不規(guī)則、不連續(xù)、多分支的特點，因此缺陷易被噪聲所掩蓋，缺陷的位置難以檢測，缺陷的形成原因難以確定。當缺陷尺寸接近工業(yè)CT系統(tǒng)的檢出限時，在CT圖像上就會表現(xiàn)出容積效應(yīng)；當缺陷表面與工業(yè)CT掃描平面不垂直時，工業(yè)CT圖像中缺陷邊緣有較寬的灰度過渡區(qū)，從而形成弱邊緣；以上兩點都會增大缺陷檢測的難度。針對再制造典型缺陷的上述特點，研究人員通過在工業(yè)CT系統(tǒng)中引入新的圖像計算模型，或通過改善工業(yè)CT檢測工藝參數(shù)，如切片厚度、探測器單元的微動次數(shù)、觸發(fā)次數(shù)及圖像矩陣等，有效降低了再制造典型缺陷圖像噪聲和偽像，提高了再制造典型缺陷圖像顯示的對比度，增強了再制造典型缺陷細節(jié)特征分辨率。

2 激光熔覆增材再制造典型缺陷的形成機理

激光熔覆增材再制造技術(shù)是將涂層材料放置在待修復(fù)基體表面，利用激光束對其進行加熱，使之與基體表面同時熔化，快速凝固后形成冶金結(jié)合的表面涂層，以達到改善基體表面性能和修復(fù)的目的。激光熔覆過程是一個快速成型的過程，即在極短的時間內(nèi)發(fā)生快速熔化與快速凝固的過程，因此在涂層內(nèi)部極易產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾雜等不良缺陷，嚴重影響再制造零部件的質(zhì)量和性能[27-29]。

2.1 裂紋形成機理

激光熔覆是一個速熱、速冷的過程，該過程會產(chǎn)生局部受熱不均勻，溫度較高區(qū)域在冷卻和凝固時會受到溫度較低區(qū)域的約束，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力；同時,該過程中基體表面材料、涂層材料都會經(jīng)歷固態(tài)變液態(tài)、液態(tài)又變回固態(tài)的變化，在這兩個變化過程中,基體表面和涂層材料都會產(chǎn)生不同程度的體積收縮，必然會受到周邊晶粒的牽制和約束，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力；當熱應(yīng)力或拉應(yīng)力大于熔覆材料的抗形變能力時，就會產(chǎn)生裂紋。裂紋缺陷是激光熔覆增材再制造過程中最主要的內(nèi)部缺陷，是對再制造零部件的質(zhì)量和性能影響較大的一種缺陷，是激光熔覆過程中應(yīng)重點消除的缺陷類型。

2.2 氣孔形成機理

在激光熔覆過程中，當氣體進入熔池或與金屬表面氧化物發(fā)生還原反應(yīng)生成氣體時，由于熔覆涂層的凝固過程會在極短時間內(nèi)完成，所以上述氣體來不及從熔融液體中逸出，便會形成氣孔。氣孔缺陷是激光熔覆增材再制造過程中極易形成的內(nèi)部缺陷，嚴重影響再制造零部件的力學(xué)性能，從而降低再制造零部件的使用壽命。

2.3 夾雜形成機理

基體表面和涂層材料所含的元素不同，其所具有的凝固點也不同，在激光熔覆的過程中，低熔點元素先熔化，高熔點元素后熔化，且可能存在未完全熔化的情況，在后續(xù)冷凝過程中,熔覆涂層中可能產(chǎn)生夾雜；在激光熔覆的冷卻和凝固過程中，高熔點元素先凝固，低熔點元素后凝固，且低熔點元素會隨著固液界面的上升而移向上層，因此熔覆涂層表層以低熔點元素為主，元素成分不均勻，進而導(dǎo)致熔覆涂層的組織中產(chǎn)生夾雜；以上兩種情況下產(chǎn)生的夾雜缺陷都為裂紋缺陷的萌生提供了源頭。

3 工業(yè)CT成像技術(shù)在典型缺陷檢測中的應(yīng)用

3.1 裂紋缺陷的檢測與研究

零部件內(nèi)部微觀裂紋會隨著零部件服役過程中的載荷作用與變形而不斷變化，最終會發(fā)展為宏觀裂紋，并造成零部件的破壞，甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難性事故。因此，檢測零部件內(nèi)部的裂紋缺陷及研究零部件服役過程中內(nèi)部裂紋缺陷的演變規(guī)律,對保證零部件質(zhì)量具有重要意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者利用工業(yè)CT成像技術(shù)從不同方向?qū)?nèi)部裂紋缺陷的演變規(guī)律及擴展機理進行了大量研究。BUFFIRE等[30-32]早在20世紀90年代就開展了相關(guān)工作，在歐洲同步輻射實驗室(European Synchrotron Radiation Facility，ESRF)借助CT設(shè)備對碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的疲勞裂紋擴展行為進行了分析，標出了微米級裂紋分布。通過圖像重建得到了三維裂紋體，測定了裂紋初始形核角度。SCHILLING等[33]進一步論證了采用CT斷層成像技術(shù)觀測裂紋等缺陷的可行性。PENUMADU等[34]通過高分辨CT設(shè)備探明了碳纖維增強復(fù)合材料裂紋產(chǎn)生的原因，采用OCTOPUS軟件對圖像進行處理，同時選擇濾波反投影法實現(xiàn)了裂紋缺陷的三維重建。

圖1 零部件變形過程中微觀裂紋擴展過程

采用工業(yè)CT成像技術(shù)研究裂紋缺陷雖起步較晚，但已取得了很多重要的研究成果。重慶大學(xué)段黎明課題組[35-36]多年來致力于工業(yè)CT掃描圖像重建算法的改進以及該技術(shù)在材料領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。根據(jù)裂紋不同階段的尺度差異，提出將裂紋萌生、擴展至斷裂的整個過程分為3個階段：顯微尺度微觀裂紋、CT尺度裂紋和宏觀裂紋，為基于工業(yè)CT設(shè)備研究裂紋進行了較為科學(xué)的分類。西北工業(yè)大學(xué)張定華課題組[37-38]在采用工業(yè)CT技術(shù)檢測裂紋擴展行為方面進行了較為深入的探索，提出了一種基于CT圖像密度場的疲勞短裂紋群擴展行為監(jiān)測方法，利用自主研發(fā)的CT Framework系統(tǒng)實現(xiàn)了裂紋群的三維可視化。東南大學(xué)李兆霞課題組[39]采用工業(yè)CT研究了零部件破壞過程中宏微觀裂紋缺陷的演化特征，并提出了多尺度缺陷表征方法，能夠較好地描述微觀裂紋到宏觀缺陷的多尺度演化過程(見圖1)。從圖1可以看出，零部件變形過程中,裂紋演變過程為內(nèi)部裂紋的萌生、擴展及聚合，主要表現(xiàn)為裂紋擴展和聚合，同時會伴隨有部分新的裂紋萌生，而萌生的位置常常會在裂紋分布相對較少的地方。隨著零部件的變形，裂紋會集中在一個帶狀區(qū)域，其他區(qū)域相對較少，零部件最終也會從該帶狀區(qū)域發(fā)生斷裂。與零部件中間位置的裂紋相比，邊緣的裂紋擴展速度更快，往往更容易造成零部件的斷裂。

圖2 零部件變形過程中氣孔演化過程

3.2 氣孔缺陷的檢測與研究

氣孔是零部件內(nèi)部缺陷的主要形式之一，其體積與位置分布隨機性較大，在外加載荷的作用下，氣孔缺陷會不斷變化，最終會導(dǎo)致零部件整體結(jié)構(gòu)的破壞。趙超凡等[40]采用工業(yè)CT研究了零部件在拉伸試驗過程中宏微觀氣孔缺陷的演化過程，研究結(jié)果表明，隨著零部件變形的增加，其內(nèi)部缺陷會產(chǎn)生兩種情況：新氣孔的萌生和原氣孔的增長?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，提出了多尺度氣孔缺陷表征方法，很好地描述了從微觀氣孔萌生、增長到零部件失效的全過程(見圖2,圖中ε為應(yīng)變)。從圖2可以看出，隨著零部件變形的加劇，零部件的焊接處不斷產(chǎn)生新的氣孔，分布位置沒有固定規(guī)律，而原有氣孔的體積也會增大。在零部件變形過程中，氣孔缺陷的數(shù)量和體積均有所增加，而其形狀沒有明顯改變。POLOZOV等[41]通過選區(qū)激光熔覆法制備了鈦合金化合物，并利用工業(yè)CT技術(shù)檢測其內(nèi)部孔隙的尺寸與分布，從而研究了合金的致密性。結(jié)果表明,合金內(nèi)部孔隙尺寸為32 μm，孔隙率只有0.7%，制備的鈦合金化合物是一種全致密材料。

3.3 夾雜缺陷的檢測與研究

目前,高鐵齒輪箱體材料多為鑄件，鑄件中存在各種尺度和維數(shù)的缺陷[42-44]，在服役過程中，微結(jié)構(gòu)形態(tài)、缺陷分布和形貌、界面特性、孔隙率等都極大地影響著材料宏觀整體韌性、強度、硬度等力學(xué)性能。鑄件缺陷主要以夾雜缺陷為主，具有復(fù)雜性，一般無損檢測方法不能對其進行直觀、高效地檢測，而工業(yè)CT成像技術(shù)可以清晰地檢測出鑄件夾雜缺陷的立體結(jié)構(gòu)狀況，直觀地顯示出夾雜缺陷的位置及形狀。艾軼博等[45]利用三維工業(yè)CT成像技術(shù)對高鐵齒輪箱體內(nèi)部缺陷進行檢測，指出夾雜缺陷所占比例最大，通過設(shè)計試驗獲得了箱體材料的夾雜缺陷的三維圖像(見圖3)，實現(xiàn)了對高鐵齒輪箱體內(nèi)部缺陷自動、準確地分類和識別，為實現(xiàn)高鐵齒輪箱體材料內(nèi)部缺陷的自動識別提供了技術(shù)支持。

圖3 高鐵齒輪箱體內(nèi)部夾雜缺陷三維圖

混凝土，尤其是水泥混凝土已成為現(xiàn)代工程(建筑、道路、橋梁等)最重要的材料之一?；炷猎谑褂眠^程中由于各種原因其內(nèi)部會產(chǎn)生夾雜缺陷，影響混凝土的力學(xué)性能，帶來工程安全隱患。ZHU等[46]認為工業(yè)CT成像技術(shù)是測試混凝土微觀夾雜缺陷的重要手段，通過觀察混凝土同一區(qū)域在不同壓力下的CT成像，比較CT成像的灰度值，可以推導(dǎo)出該區(qū)域微觀夾雜缺陷的演變情況，從而為完善混凝土的加工和制備工藝，提高混凝土的質(zhì)量提供理論支持。

由于復(fù)合材料具有低線脹系數(shù)、高比模數(shù)、高比強度、防腐耐蝕等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于武器裝備、航空航天、汽車等領(lǐng)域。但復(fù)合材料[47-49]是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料通過化學(xué)或物理方法制備而成的，在應(yīng)用過程中會由于原材料中自帶雜質(zhì)或油污、加工工藝技術(shù)問題及操作不當?shù)纫蛩禺a(chǎn)生以夾雜、分層為主的各種缺陷，因此工業(yè)CT成像技術(shù)對控制和提高復(fù)合材料制品的質(zhì)量，改善生產(chǎn)工藝有指導(dǎo)意義。趙付寶等[50]利用工業(yè)CT成像技術(shù)有效地檢測出了樹脂基復(fù)合材料制品的內(nèi)部缺陷，并能精確地測定缺陷的位置與幾何尺寸(見圖4)。圖4(a)中發(fā)亮的部位是復(fù)合材料制品內(nèi)部的夾雜缺陷，該夾雜缺陷的密度大于原材料的密度，所以其灰度比周邊大；但由于大多數(shù)材料的密度較為接近，所以無法只依據(jù)CT 圖像對夾雜的類別做出判斷。圖4(b)中黑色的連續(xù)不規(guī)則的線條為復(fù)合材料制品內(nèi)部的分層缺陷。

圖4 復(fù)合材料制品內(nèi)部缺陷外觀

4 工業(yè)CT成像技術(shù)在再制造界面缺陷研究中的難點

在激光熔覆增材再制造過程中形成的再制造界面即有同質(zhì)界面又有異質(zhì)界面，界面成分眾多，組織結(jié)構(gòu)龐大，常用的無損檢測技術(shù)無法準確、直觀地確定再制造界面的缺陷。工業(yè)CT成像技術(shù)不受零件結(jié)構(gòu)、組成成分與表面狀態(tài)等限制，可以準確表征出零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，為激光熔覆增材再制造界面的缺陷檢測提供了最佳檢測手段。

在實際應(yīng)用中，激光熔覆增材再制造零部件自身形狀不規(guī)則；再制造界面情況更為復(fù)雜：界面材料成分繁多；界面組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜；界面缺陷種類較多、尺寸較小、分布面積較廣；界面缺陷的邊界不規(guī)則、不連續(xù)、多分支。而工業(yè)CT成像系統(tǒng)自身也有局限性：檢測對象的尺寸和材料必須與所用設(shè)備的運轉(zhuǎn)系統(tǒng)和射線的能量相匹配，能量太低無法穿透檢測對象，能量太高會使檢測對象曝光過度；檢測對象的幾何特性影響工業(yè)CT成像系統(tǒng)的空間分辨能力與密度分辨能力；工業(yè)CT圖像中的每個點都要經(jīng)過大量計算模擬，在模擬過程中如數(shù)據(jù)處理不當，就會產(chǎn)生與檢測對象不相符的偽像。因此，提高工業(yè)CT成像技術(shù)在再制造界面缺陷分析研究中的空間分辨率、密度分辨率，及改善檢測過程中的偽像是廣大學(xué)者研究的難點與重點。

5 工業(yè)CT成像技術(shù)在再制造典型缺陷研究中的展望

為了使激光熔覆增材再制造零部件的性能達到甚至超過新品的性能，滿足再次服役的要求，必須對其進行缺陷檢測。工業(yè)CT成像技術(shù)有望成為再制造典型缺陷分析研究中一種重要的無損檢測手段，其研究發(fā)展方向主要涉及以下幾個方面。

(1) 提高工業(yè)CT技術(shù)檢測精度?；谠僦圃炝悴考?nèi)部及再制造界面的典型缺陷的特點，工業(yè)CT成像技術(shù)的迅速發(fā)展將成為再制造典型缺陷分析研究實現(xiàn)突破性進展的前提條件，只有工業(yè)CT成像技術(shù)擁有更小的尺寸精度、更高的分辨率、更精準的重建算法及更有效的圖像處理技術(shù)，才可能實現(xiàn)再制造零部件內(nèi)部及再制造界面缺陷的智能化檢測、自動化識別與分類。

(2) 大型再制造零部件的缺陷檢測。高端大型再制造零部件的體積龐大、結(jié)構(gòu)特殊、工藝復(fù)雜，常規(guī)的無損檢測手段均無法準確獲取產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和缺陷信息，工業(yè)CT成像技術(shù)是大型再制造零部件不可替代的缺陷檢測手段。大型再制造零部件由多種材料構(gòu)成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對缺陷檢測技術(shù)要求極高，如成像視野直徑要大(超過2 m)、缺陷識別種類多、檢測精度要求高等，導(dǎo)致大型再制造零部件缺陷檢測面臨著工業(yè)CT成像系統(tǒng)的高分辨率與大掃描直徑、探測效率、掃描速度、動態(tài)范圍之間的矛盾。通過增強工業(yè)CT成像系統(tǒng)的射線源，完善系統(tǒng)的探測器設(shè)計，提高系統(tǒng)的掃描效率，引入合理的圖像重建運算方法，可確保工業(yè)CT成像技術(shù)實現(xiàn)對大型再制造零部件內(nèi)部缺陷的高效識別與檢出。

(3) 降低檢測成本，擴大使用范圍。工業(yè)CT成像裝置本身造價高于其他無損檢測設(shè)備，且該技術(shù)檢測過程較耗時，檢測效率相對較低，檢測成本較高，導(dǎo)致其使用范圍受到限制。通過在工業(yè)CT成像系統(tǒng)中引入新型計算模擬技術(shù)，提高了工業(yè)CT成像技術(shù)的檢測效率，降低了檢測成本，擴大了工業(yè)CT成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。