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顯微 CT 在各類零部件缺陷檢測分析中的應用分享

復納科技 2023-10-26 | 閱讀：754

X 射線檢測技術不受檢測材料種類的影響，對材料中大部分缺陷，如疏松、夾雜、脫粘等均有較高的檢測靈敏度。但傳統工業 CT 的空間分辨率受到射線焦點、探測器和重構矩陣分辨率的限制，分辨率有限，無法分辨直徑為數微米的特征。但近些年隨著科技進步，逐漸發展起來的顯微 CT 則可以彌補這一缺陷。

顯微 CT，也稱為 Micro-CT，或 XRM（X 射線顯微鏡），是一種非侵入性和非破壞性成像技術，在不破壞產品的情況下，利用 X 射線對產品進行掃描得到高分辨圖像，通過圖像軟件處理與分析可獲得物體內部詳盡的結構信息。

本期內容我們分享顯微 CT 無損成像技術在各類零部件缺陷檢測分析中的應用。

01 焊縫缺陷檢測分析

航天產品的焊接結構要求高密封性和高可靠性，對于采用電子束焊接等工藝的精密工件，其設計要求高、材料特殊、結構復雜，需要從微觀角度評判焊縫的焊接質量，如氣孔、夾雜、未焊透、裂紋等缺陷。對于內部結構復雜的焊縫，傳統的射線檢測方法無法識別這些缺陷，而 X 射線顯微 CT 具有焦點尺寸小(微米級)、檢測分辨率高等優點，能夠實現焊縫的三維成像，檢測出焊縫中的微小氣孔和微裂紋，并準確地測定其幾何尺寸，給出其在工件中的位置，同時能夠準確測量焊縫熔深，實現對復雜結構焊縫的無損檢測與評估。

圖 1：顯微 CT 下氣孔缺陷圖像

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圖 2：顯微 CT 下端面焊縫圖像

圖 3：顯微 CT 下釬焊縫圖像

02 鑄件缺陷檢測分析

物體鑄造過程中由于其自身生產工藝的特點，常常會產生縮孔、氣孔等缺陷，這些內部缺陷會對零件質量產生不好的影響，也會縮短零件壽命，因此需要準確地識別出這些內部缺陷。

顯微 CT 可以更快更準確地檢測到工件內部的缺陷，直觀地顯示材料內部缺陷的形貌特征。顯微 CT 能夠對鑄件內部缺陷在微觀尺度下開展分析研究，有助于全面了解其各項力學參數與內在結構的關系，建立起含缺陷材料的力學性能的評估方法，對使用鑄造技術生產的結構服役能力及安全性能評估具有重要價值。

圖 4 : 高壓渦輪葉片的 CT 掃描圖像，鑄造葉片榫頭缺陷（上）及加工葉片榫頭缺陷（下）。

圖 5 :鑄造缺陷對應變分布的影響。圖中③、④左側均為試樣分層 CT 照片，右側為 DIC 測出的軸向應變分布圖。兩者對比分析可知，軸向應變高度集中于缺陷區域。縮松嚴重影響球墨鑄鐵的力學性能，降低其彈性模量、強度極限，尤其是使材料伸長率下降，極易在缺陷處發生失效及斷裂。

03 增材制造（3D打印）零件缺陷檢測分析

近年來，增材制造技術快速發展，通常其所制造的復雜制件也需經過設計、測試、生產和質量控制檢查等環節。常規的缺陷特征可通過金相或試樣斷口觀察得到，但這種截面觀察方法只能獲得缺陷的二維形貌。考慮到合金粉末特性及成形工藝的特殊性，僅僅通過二維截面的局部觀察并不能全面、準確地獲得缺陷特征及其變化規律，而借助顯微 CT 技術獲得缺陷的三維特征有利于后續建立缺陷與力學性能的定量關系。

圖 6 :上圖為 SLM 成形 GH3536 試樣的重建數據分析結果，其中第一行數據為不同成形工藝試樣中缺陷（被渲染成藍色）的三維分布，第二行數據為試樣中垂直 Z 向的典型 CT 切片。由圖可知，不同參數組合成形的試樣中都含有缺陷，且彼此之間缺陷數量差異較大，這表明通過控制工藝參數可以獲得不同致密度的試樣。

04 復合材料內部缺陷檢測分析

復合材料是由兩種或兩種以上材料經過特殊的復合工藝而制備的一種多相材料，其內部各種材料在性能上互相取長補短，使其綜合性能優于原組成材料，從而滿足各種多樣的需求，被廣泛應用于航空航天、兵器、體育、汽車等領域。然而，在其制備過程中不免會產生各類缺陷，顯微 CT 成像檢測技術在復合材料內部缺陷的檢測當中起到了關鍵性的作用。

例如，新型復合材料具有各向異性及不均勻性的結構問題，與基體粘接過程存在缺陷。借助顯微 CT 無損成像檢測技術對新型復合材料粘接界面缺陷進行研究，可有效避免復合材料粘接界面虛粘、脫粘、孔洞等缺陷導致的損失。

圖 7 :粘接層切片圖

圖 8 :脫粘缺陷切片圖

圖 9 :孔洞缺陷切片圖，由缺陷切片圖結果分析得到，基于顯微 CT 系統條件，可以清晰獲取陶瓷基復合材料缺陷的位置、大小、類型等信息。

關于臺式顯微 CT

NEOSCAN 是一家專注于設計和生產臺式顯微 CT 儀器的公司，由具有豐富經驗的 Alexander Sasov 創立于比利時。目前 NEOSCAN 推出三款顯微 CT 產品：N80、N70、N60，可在不破壞樣品的同時，得到樣品的結構信息（空腔孔隙）、密度信息（組分差異），同時可以輸出三維模型，進行仿真分析。