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航天复合资料中显微CT检测手艺的操纵

来历:宇航资料工艺 作者:陈博,袁平生,金珂,徐
宣布于:2020-05-20 共4415字

  摘    要: 文摘针对今朝大型产业CT分辩率受限的题目,本文简述了显微CT手艺的观点、道理、手艺上风,经由进程显微CT手艺对典范航天资料的检测实例,研讨了显微CT手艺在小尺寸的航天资料检测中的上风。成果标明,显微CT手艺可以或许或许或许发明资料中微米级缺点,可以或许或许或许察看资料中藐小缺点在空间的描摹及散布,并且能经由进程图象处置软件统计缺点的尺寸散布,为航天资料无损检测研讨供给了新思绪。

  关头词: 显微CT; 航天资料;

  Abstract: To overcome the difficulty in microstructure distinction of aerospace materials for their low resolution in industrial-CT,the technology of micro-CT was introduced in this article,the concepts,principles and superiorities of micro-CT were investigated. The advantages of micro-CT in small sample detection were analysed through the micro-CT tests of aerospace materials. The results demonstrate that micro-CT can be able to detect micron-scale defects. The distribution and morpholpgy features of the defects can be observed by micro-CT. In addition,the dimension analysis of the defects can also be counted by using image processing software. Micro-CT can be a new method for nondestructive test of aerospace materials.

  Keyword: Micro-CT; Aerospace material;
 

航天复合资料中显微CT检测手艺的操纵
 

  0 、弁言

  射线检测手艺[1]不受检测资料品种的影响[2],对资料中大局部缺点比方松散、同化,脱粘等有较高的检测活络度。最近几年来射线检测由以往的单一胶片成像逐步成长为数字射线成像,包含CR、DR、和CT。接纳数字射线CT手艺可以或许或许或许取得资料外部的三维平面图象,直观显现复合资料布局,显现缺点的地位、体积、外形和散布状况[3]。传统产业CT的空间分辩率极限为4 lp/mm,遭到射线核心、探测器和重构矩阵分辩率的限定,没法分辩直径小于7μm的缺点,产业CT通俗用于较大尺寸产物检测,图1为碳/碳复合资料产物和陶瓷复合资料产物的加快器产业CT检测图象。可见,加快器产业CT可以或许或许或许检测碳碳复合资料产物中的富碳区和陶瓷基复合资料产物中低密度区,可是没法别离碳碳复合资料产物中纤维和陶瓷基复合资料产物中的孔洞散布情况。

  图1 产业CT检测图象
图1 产业CT检测图象

  Fig.1 Images of industrial-CT

  最近几年来CT的精度大大进步,操纵微核心射线源构建的显微CT体系已用于资料阐发检测及察看生物体的微观布局,察看精度已由厘米级成长到微米级乃至纳米级,为资料的无损检测供给了新思绪。

  本文先容了显微CT检测手艺的观点、道理、手艺上风,重点论述了显微CT检测手艺在航天资料中的操纵,处置了以往射线检测没法检测的困难。

  1 、显微CT检测手艺

  显微CT,也称为Micro-CT,X射线微断层拍照手艺。它是一种非侵入性和非粉碎性成像手艺,在不粉碎产物的情况下,操纵X射线对产物停止扫描取得三维图象,经由进程图象软件阐发取得外部详实的三维布局信息[4]。

  1.1 、任务道理

  显微CT检测是操纵强度均匀的X射线穿过密度差别的物资后,X射线的强度变得不均匀,这一不均匀水平与物体的密度绝对应,投射到探测器上构成于物资密度绝对应的影响[5],显微CT完成高的空间分辩率在于接纳了微焦斑X射线源,高分辩率探测器和多少缩小,另外,影响空间分辩率的身分还包含转台不变性和CT重构中的滤波算法。

  显微CT体系的根基构建包含3局部:X射线源、扭转载物台和高分辩率面阵探测器。如图2所示,由X射线源持续发生射线,穿透载物台上的样品后,探测器停止X射线的搜集,将搜集的各个断面的二维图象停止重修,从而取得样品外部布局的三维图象[6]。

  图2 显微CT检测体系
图2 显微CT检测体系

  Fig.2 Schematic diagram of micro-CT

  1.2、 特色及上风

  显微CT检测最大上风是可以或许或许或许取得原位的,非粉碎的,分辩率高的三维布局信息[7];缺乏的地方是对样品尺寸及衰减系数有必然请求[8]。

  2 、显微CT检测手艺在航天复合资料的操纵

  2.1、 检测体系

  接纳的225 k V微核心X射线机和面阵阵列探测器构成X射线显微CT检测体系,最高分辩率5μm。显微CT检测体系的检测参数:核心尺寸3μm,空间分辩率6 lp/mm,密度分辩率0.5%,可检最大工件直径150 mm,任务电压15~180 k V,任务电流60~150μA,最小扭转角增量0.1°,均匀帧数为5,像素组合2×2。

  2.2 、检测资料

  显微CT检测的资料包含C/C复合资料、陶瓷基复合资料和金属资料。将检测的样品加工成检测台能安定的尺寸,对产物停止DR扫描来肯定扫描地位,按照DR图象肯定要停止三维扫描的地区,取得产物的三维数据信息。操纵VG图象处置软件处置阐发各个层面的微观信息图。

  3 、显微CT检测成果阐发与会商

  3.1、 C/C复合资料

  C/C复合资料在颠末屡次的复合后,资料外部轻易显现富碳区、分层、裂纹等缺点。传统的射线拍照检测只能拔取某一标的目的停止透照,取得产物单一标的目的上的叠加图象信息,检测分层及裂纹范例的缺点须要特定的角度能力检出,而产业CT分辩率低,没法检测藐小孔洞及裂纹,显微CT检测很好地处置了上述题目。

  图3中三个切面可以或许或许经由进程坐标数值的转变从而察看检测产物肆意地位的微观布局,经由进程对资料各个角度的投影信息停止三维数据重构取得全体三维布局信息,操纵图象处置软件对资料外部检测规模内肆意断层面的信息停止处置阐发,取得更加丰硕的微观布局数据。从3个切面信息中可以或许或许发明C/C复合资料复合情况较好,未发明富碳区、裂纹及纤维束标的目的上的分层缺点;但外部基体上存在大批散布不法则的孔洞,这从三维重构的图象中也可以或许或许清楚看到。经由进程对图象履行外表测定并对孔洞尺寸停止统计阐发,孔洞体积巨细集合在0.03~0.16mm3(图4)。

  综上所述,显微CT检测具备分辩率高,能三维成像等特色,能很好的分辩C/C复合资料中的碳纤维束、基体、孔隙等布局,C/C复合资料在复合事后不可防止的会发生藐小的孔洞,但全体未显现富碳区,基体和纤维束上未显现裂纹。

  图3 C/C复合资料显微CT检测三维及截面图象
图3 C/C复合资料显微CT检测三维及截面图象

  Fig.3 Reconstructed images of C/C composite

  图4 C/C复合资料孔洞阐发图象
图4 C/C复合资料孔洞阐发图象

  Fig.4 Porosity measurement of the C/C composite

  3.2 、陶瓷基复合资料

  图5为陶瓷基复合资料的显微CT检测图象,陶瓷基复合资料作为多孔复合资料,资料的孔隙率是考查资料机能的目标之一。通俗射线检测方式难以对其孔隙巨细和孔隙率停止测定,操纵显微CT检测体系和图象处置软件,接纳图象阈值朋分法将陶瓷基复合资料外部的孔隙提取出来并停止统计计较,取得资料的孔隙率,处置以往的困难。成果标明:资料总孔隙率为70%且尺寸大于1.5 mm的孔隙只占总孔隙的5%,尺寸巨细在0~0.4 mm之间的孔隙占75%。

  图5 陶瓷基复合资料显微CT检测三维及截面图象
图5 陶瓷基复合资料显微CT检测三维及截面图象

  Fig.5 Reconstructed images of ceramic composite

  惯例的X射线难以检测资料中的裂纹,且难以鉴定裂纹的深度和裂纹延展的标的目的,显微CT检测能很好的处置此题目。图6所示为石英加强纤维复合资料的显微CT检测成果,阐发可知:产物外表存在一条长度约为20.0 mm的裂纹,延着z向延长长度约为19.0 mm。

  图6 石英加强复合资料显微CT三维及截面图象
图6 石英加强复合资料显微CT三维及截面图象

  Fig.6 Reconstructed images of silica composite

  上述成果标明,显微CT检测可以或许或许或许清楚的辨认资料外部孔洞、裂纹,能对这些缺点停止定量表征,可以或许或许对资料外部缺点的尺寸停止统计阐发,丈量精度到达微米级。

  3.3 、金属资料

  航天紧密整机外部布局较为庞杂,惯例的无损检测手腕对其外部品质难以评判。图7所示为导管组件外部的导管在进气时存在漏气景象。

  图7 金属资料显微CT检测图象
图7 金属资料显微CT检测图象

  Fig.7 Detection images of metal material by micro-CT

  阐发漏气缘由可以或许有两种:一是导管存在裂口;二是添补导管四周的金属填料存在气孔。这些气孔恰好散布在导管四周,操纵显微CT检测体系对样品停止检测,看出在某一截面上右边导管存在一处贯串性裂口,约为0.15 mm。图8所示为金属填料外部气孔阐发,可以或许或许看出金属填料外部存在一些孔洞(0.62~1.42 mm),这些孔洞不散布在导管四周,而是混乱地散布在接近金属外壁的四周,阔别导管,导管组件漏气的由于是导管外部存在一处裂口。显微CT经由进程数据重构显现三维图象,将资料外部缺点的空间散布显现出来,为布局较为庞杂的零部件外部品质检测供给了思绪。

  图8 金属资料孔洞阐发
图8 金属资料孔洞阐发

  Fig.8 Porosity measurement of the metal material

  4 、论断

  (1)显微CT因其射线源核心尺寸小、分辩率高的特色,可以或许或许或许完成资料中微米级气孔、微裂纹和分层的检测,填补了大型产业CT在分辩率上的缺乏,为航天资料的研制和工艺晋升供给了新的思绪。

  (2)操纵显微CT的三维检测图象和图象处置软件,可以或许或许或许对资料外部缺点停止定位和定量丈量,丈量精度到达微米级,对复合资料中的孔洞阐发及孔隙率计较供给了新的方式。

  (3)显微CT手艺可以或许或许或许取得资料原位三维图象,可以或许或许或许很好显现布局庞杂、紧密藐小器件的外部布局,在不粉碎产物的条件下,对其外部缺点可以或许或许或许精准定位,为航天资料的机械产物及元器件的生效阐发供给了新的根据。

  参考文献

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作者单元:航天资料及工艺研讨所 北京固鸿科技无限公司
原文来由:陈博,袁平生,金珂,徐林,李俊江.显微CT手艺在航天资料中的操纵[J].宇航资料工艺,2021,51(02):87-91.
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