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    工業CT成像技術在典型缺陷檢測中的應用

    發佈時間:2021-08-23 15:05:10    點擊次數:次   

       工業CT裂紋缺陷的檢測與研究

      零部件內部微觀裂紋會隨着零部件服役過程中的載荷作用與變形而不斷變化,最終會發展爲宏觀裂紋,並造成零部件的破壞,甚至會導致災難性事故。因此,檢測零部件內部的裂紋缺陷及研究零部件服役過程中內部裂紋缺陷的演變規律,對保證零部件質量具有重要意義。目前,國內外學者利用工業CT成像技術從不同方向對內部裂紋缺陷的演變規律及擴展機理進行了大量研究。

      BUFFIERE等早在20世紀90年代就在歐洲同步輻射實驗室(ESRF)藉助CT設備對碳化硅顆粒增強鋁基複合材料的疲勞裂紋擴展行爲進行了分析,標出了微米級裂紋分佈。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等進一步論證了採用CT斷層成像技術觀測裂紋等缺陷的可行性。

      PENUMADU等通過高分辨CT設備探明瞭碳纖維增強複合材料裂紋產生的原因,採用OCTOPUS軟件對圖像進行處理,同時選擇濾波反投影法實現了裂紋缺陷的三維重建。

      重慶大學多年來致力於工業CT掃描圖像重建算法的改進以及該技術在材料領域的推廣應用。根據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爲3個階段:顯微尺度微觀裂紋、CT尺度裂紋和宏觀裂紋,爲基於工業CT設備研究裂紋進行了較爲科學的分類。

      西北工業大學在採用工業CT技術檢測裂紋擴展行爲方面進行了較爲深入的探索,提出了一種基於CT圖像密度場的疲勞短裂紋羣擴展行爲監測方法,利用自主研發的CT Framework系統實現了裂紋羣的三維可視化。

      東南大學採用工業CT研究了零部件破壞過程中宏微觀裂紋缺陷的演化特徵,並提出了多尺度缺陷表徵方法,能夠較好地描述微觀裂紋到宏觀缺陷的多尺度演化過程,如圖1所示。從圖1可以看出,零部件變形過程中,裂紋演變過程爲內部裂紋的萌生、擴展及聚合,主要表現爲裂紋擴展和聚合,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佈相對較少的地方。隨着零部件的變形,裂紋會集中在一個帶狀區域,其他區域相對較少,零部件最終也會從該帶狀區域發生斷裂。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。

    工業CT裂紋檢測

      氣孔缺陷的檢測與研究

      氣孔是零部件內部缺陷的主要形式之一,其體積與位置分佈隨機性較大,在外加載荷的作用下,氣孔缺陷會不斷變化,最終會導致零部件整體結構的破壞。

      趙超凡等採用工業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,研究結果表明,隨着零部件變形的增加,其內部缺陷會產生兩種情況:新氣孔的萌生和原氣孔的增長。基於以上研究結果,提出了多尺度氣孔缺陷表徵方法,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,如圖2所示。從圖2可以看出,隨着零部件變形的加劇,零部件的焊接處不斷產生新的氣孔,分佈位置沒有固定規律,而原有氣孔的體積也會增大。在零部件變形過程中,氣孔缺陷的數量和體積均有所增加,而其形狀沒有明顯改變。

    工業CT孔隙率檢測

      POLOZOV等通過選區激光熔覆法制備了鈦合金化合物,並利用工業CT技術檢測其內部孔隙的尺寸與分佈,從而研究了合金的緻密性。結果表明合金內部孔隙尺寸爲32μm,孔隙率只有0.7%,製備的鈦合金化合物是一種全緻密材料。

      夾雜缺陷的檢測與研究

      目前,高鐵齒輪箱體材料多爲鑄件,鑄件中存在各種尺度和維數的缺陷,在服役過程中,微結構形態、缺陷分佈和形貌、界面特性、孔隙率等都極大地影響着材料宏觀整體韌性、強度、硬度等力學性能。鑄件缺陷主要以夾雜缺陷爲主,具有複雜性,一般無損檢測方法不能對其進行直觀、高效地檢測,而工業CT成像技術可以清晰地檢測出鑄件夾雜缺陷的立體結構狀況,直觀地顯示出夾雜缺陷的位置及形狀。

    工業CT夾雜檢測

      利用三維工業CT成像技術對高鐵齒輪箱體內部缺陷進行檢測,指出夾雜缺陷所佔比例*大,通過設計試驗獲得了箱體材料的夾雜缺陷的三維圖像,如圖3所示,實現了對高鐵齒輪箱體內部缺陷自動、準確地分類和識別,爲實現高鐵齒輪箱體材料內部缺陷的自動識別提供了技術支持。

      混凝土,尤其是水泥混凝土已成爲現代工程(建築、道路、橋樑等)*重要的材料之一。混凝土在使用過程中由於各種原因其內部會產生夾雜缺陷,影響混凝土的力學性能,帶來工程安全隱患。

      認爲工業CT成像技術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域在不同壓力下的CT成像,比較CT成像的灰度值,可以推導出該區域微觀夾雜缺陷的演變情況,從而爲完善混凝土的加工和製備工藝,提高混凝土的質量提供理論支持。

      由於複合材料具有低線脹係數、高比模數、高比強度、防腐耐蝕等優點,已廣泛應用於武器裝備、航空航天、汽車等領域。但複合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料通過化學或物理方法制備而成的,在應用過程中會由於原材料中自帶雜質或油污、加工工藝技術問題及操作不當等因素產生以夾雜、分層爲主的各種缺陷,因此工業CT成像技術對控制和提高複合材料製品的質量,改善生產工藝有指導意義。

      利用工業CT成像技術有效地檢測出了樹脂基複合材料製品的內部缺陷,並能精確地測定缺陷的位置與幾何尺寸。圖中發亮的部位是複合材料製品內部的夾雜缺陷,該夾雜缺陷的密度大於原材料的密度,所以其灰度比周邊大;但由於大多數材料的密度較爲接近,所以無法只依據CT圖像對夾雜的類別做出判斷。圖中黑色的連續不規則的線條爲複合材料製品內部的分層缺陷。

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