Characterization of defects and damage in Al alloy formed by SLM based on micro-nano CT
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摘要:
使用微纳CT检测技术和图像分析方法对激光选区熔化成形（SLM）AlSi10Mg合金拉伸试样内部微观缺陷进行高分辨率表征,获取了缺陷的等效直径、距离材料表面最短距离、球度、表面网格模型等几何特征,同时对拉断后失效试样的内部损伤进行高分辨率检测。试验结果表明,拉伸试样内部缺陷主要为气孔和高密夹杂,平均等效直径分别为30 μm和35 μm,距离材料表面平均最短距离分别为0.89 mm和0.70 mm,平均球度分别为0.71和0.70,以亚体素精度重构了气孔表面结构的网格模型,在失效试样断口区域发现了高密夹杂引起的微裂纹,其平均开口宽度为20 μm。
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关键词:
- 微纳CT /
- 激光选区熔化 /
- AlSi10Mg合金 /
- 缺陷 /
- 损伤
Abstract:The paper employed micro-CT inspection technology and image analysis methods to conduct high-resolution characterization of internal micro-defects in the selective laser melting (SLM) AlSi10Mg alloy tensile specimens. Geometric features of defects such as equivalent diameter, shortest distance to the material surface, sphericity, and surface mesh model was obtained.Simultaneously, high-resolution detection of internal damage in the failed specimens after tensile testing was conducted. The experimental results indicated that the internal defects in the tensile specimens were primarily pores and high-density inclusions, with average equivalent diameters of 30 μm and 35 μm, and average shortest distance to the material surface of 0.89 mm and 0.70 mm respectively. The average sphericity was 0.71 and 0.70. The mesh model of the pore surface structure was reconstructed with sub-voxel accuracy, and micro-cracks caused by high-density inclusions were discovered in the fracture area of the failed specimen, with an average opening width of 20 μm.
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Keywords:
- micro-nano CT /
- selective laser melting /
- AlSi10Mg alloy /
- defect /
- damage
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AlSi10Mg合金属于Al-Si系合金,具有密度低、热传导率高、比强度高、易加工等优点,在航空航天、轨道交通、汽车工业、医学等领域有广泛应用[1]。传统的AlSi10Mg合金构件成型方法往往工艺复杂、生成周期长、成本高,无法满足大型化、整体化、结构复杂化、薄壁化、快速响应的制造需求。激光选区熔化技术采用高能激光直接熔化金属粉末,依据数字模型切片,通过逐层铺粉、逐层扫描、逐层固化叠加的方式对复杂结构的金属构件直接成型,具有材料利用率高、生成周期短、表面质量好的技术优势,可较好地解决上述问题[2]。然而受成型材料、成型设备、成型工艺、成型环境等因素影响,SLM成型过程中会无法避免地产生缺陷,显著影响AlSi10Mg合金构件的内部质量和性能,制约SLM成形AlSi10Mg构件的工程和应用发展。通过对SLM成型AlSi10Mg内部缺陷的表征和统计,可优化成型工艺参数,降低缺陷水平,提高构件内部质量。扫描电镜和光学显微镜表面观测方法是传统的有损二维表征手段,无法获取缺陷的三维特征,而微纳CT检测方法能对材料内部进行无损的高分辨率三维成像,已被广泛应用于金属增材制造中的缺陷表征[3-6]。但上述研究是针对缺陷的1个或2个几何特征进行表征,并未对缺陷的尺度、形貌、位置以及表面结构等参数进行全面表征,且未对缺陷表征的CT图像分析流程进行详细描述。
笔者以SLM成型AlSi10Mg合金标准拉伸试样为研究对象,采用微纳CT检测技术和图像分析方法,对其内部微观缺陷进行三维表征,定量获取缺陷的尺度、形貌、位置以及表面结构网格模型等几何特征,同时对拉断后失效试样的损伤进行表征。该研究为制造人员提供了内部缺陷统计结果,从而帮助其优化SLM成型工艺参数,降低缺陷的水平,并为研究缺陷与力学之间的关系以及材料的失效模式提供了一定参考。
1. 试验过程
1.1 试验对象
试验对象为SLM成型AlSi10Mg合金拉伸试样,成型工艺参数如下：激光功率为400 W；激光扫描速度为1 150 mm·s-1；层厚为40 μm。拉伸前后试样及其工程图纸如图1所示。
1.2 CT检测
采用Phoenix V |tomex|M型微纳CT系统的纳米管分别对拉伸试样的标距段及拉断试样的断口段进行高分辨率三维成像检测,纳米管设备主要参数如表1所示,CT扫描参数如表2所示,试样CT透照布置如图2所示。
Table 1. 微纳CT设备主要参数项目 参数 最大管电压/kV 180 最大靶功率/W 15 探测器面积（长×宽）/mm 400×400 探测器单元尺寸/μm 100 Table 2. CT扫描参数试样状态 电压/kV 电流/μA 滤波片厚度/mm 体素尺寸/μm 投影数量/张 拉伸试样 100 300 0.2(Cu) 10 1 600 拉断试样 100 200 0.2(Cu) 5 1 600 1.3 图像分析流程
对重构后拉伸试样内部缺陷的CT体积数据进行分析,其流程如图3所示,主要包括图像预处理、缺陷分割、缺陷几何量化及建模3个过程。在图像预处理过程中,首先使用试样数据的轴向作为当前坐标系的z方向,先将其摆正,然后裁剪数据的标距段进行后续处理和分析,最后使用Non-Local Mean滤波方法[7]对裁剪后的数据进行滤波降噪,该方法在有效去除噪声的同时,能够保留缺陷的外形轮廓和对比度。在图像分割的过程中,使用top-hat分割算法对滤波后的体积数据进行缺陷识别,该方法能够有效识别图像中的暗区或者亮区(暗区对应孔隙和裂纹类缺陷,亮区对应高密夹杂缺陷),随后实施腐蚀运算去除错误识别的噪声,最后对缺陷进行连通区域提取,分割互不相连的缺陷。在缺陷几何量化与建模过程中,首先对识别后的单个缺陷的几何特征进行量化,其中缺陷的尺度特征用与缺陷体积相等的等效球直径表征,缺陷的形状特征用与缺陷体积相等的等效球的表面积和缺陷表面积的比值表征(定义为球度),缺陷的位置特征用缺陷表面与材料表面的最短距离表征；然后对所有缺陷的几何特征进行统计分析,得到缺陷特征的分布情况；最后建立典型缺陷结构的几何模型,将该模型应用于考虑真实缺陷结构的有限元软件进行力学行为分析。
2. 试验结果与分析
2.1 缺陷三维可视化
拉伸试样标距段经过CT三维成像后,对其进行图像分析,发现内部存在气孔和高密夹杂两类缺陷。拉伸试样内部缺陷的分布及其三维形貌如图4所示。由图4（a）可以看出气孔的亮度比基体亮度低,高密夹杂的亮度比基体材料亮度高。标距段区域内部缺陷的三维分布如图4(b)所示,其中气孔被渲染为红色,高密夹杂被渲染为黄色,可看出气孔数量比夹杂数量多,气孔沿着打印方向呈均匀分布状态,夹杂呈随机分布状态。由图4（c）可看出夹杂呈不规则的颗粒状,由图4（d）可看出气孔呈规则的球状或椭球状。
2.2 缺陷几何特征统计
识别气孔和高密夹杂后,分别对其尺度、位置、形状几何特征进行量化和统计。气孔和高密夹杂的几何特征统计结果如图5,6所示。图5（a）和图6（a）分别为气孔和高密夹杂的等效直径频率直方图,可看出气孔和夹杂的等效直径分布为14~100 μm和15~145 μm,平均直径分别为35 μm和30 μm,气孔和夹杂的尺寸跨度较小,数量较少,整体气孔率为0.02 %,夹杂率为0.001 %。图5（b）和图6（b）为气孔和高密夹杂的球度频率直方图,可见气孔和夹杂的球度分布分别为0.56~0.81和0.4~0.81,平均球度为0.71和0.70,气孔球度分布呈现近似正态分布的特征。与图5（c）和图6（c）分别为气孔和高密夹杂表面距离材料表面最短距离频率直方图,拉伸试样的直径为5 mm,气孔和夹杂表面与材料表面的最短距离分布为0.02~2.4 mm和0.05~2.4 mm,平均最短距离分别为0.89 mm和0.70 mm,随着与材料表面距离的增加,其数量呈现减少的趋势,其中气孔位置呈现全域分布的特点。图5（d）和图6（d）分别为气孔和高密夹杂的等效直径与球度的关系图,可看出气孔和夹杂的球度随着等效直径的增大呈现减小的趋势,小气孔呈近球型,大气孔呈椭球状,大尺度高密夹杂呈不规则的颗粒状。
2.3 气孔表面几何建模
设计人员一般在对缺陷的危害程度进行定级时,通常会使用有限元软件研究材料缺陷对其力学性能的影响,建立和缺陷相关的力学性能预测模型,但由于缺陷的真实几何形状模型不好获取,其建立的缺陷模型通常是标准几何形状,例如模拟气孔缺陷对材料性能的影响时,建立的模型是球或椭球,但真实气孔的表面形状与标准球或者椭球通常会有较大差异,该差异会对力学性能预测产生影响。因此,笔者通过高分辨率CT检测技术与图像和图形处理技术对真实气孔缺陷的表面形状进行几何建模,获取气孔表面形状的三角形网格,即气孔的几何模型,作为有限元软件中气孔的真实几何模型。
SLM成型AlSi10Mg合金中气孔缺陷的几何建模过程如图7所示,首先以亚体素精度计算拉伸试样CT图像中气孔的表面；其次对气孔表面点坐标进行高密度采样,获取表面点云；然后对点云进行空间位置连接,得到三角形网格,即缺陷表面的几何模型,可导出为STL格式文件,作为输入导入到有限元软件中,即为真实气孔的几何模型；最后对网格文件中的三角面片进行渲染,可得到气孔实体,用于可视化显示。
一般而言,通过高分辨率的CT扫描与亚体素精度的气孔表面确定方法,可得到逼近气孔表面真实结构的高精度三角形网格几何模型,该试验得到的气孔STL格式几何模型的精度可达1μm,能代替模拟气孔的球状或者椭球状几何模型,作为真实气孔的几何模型,减少气孔形状误差带来的力学预测模拟误差。
2.4 失效试样内部损伤表征
通常采用扫描电镜对力学测试后的失效试样的断口处进行成像,进而分析其失效模式。该方法尽管分辨率高,但只能观测到断口的表面,无法观察到断口位置处材料内部区域的损伤,而采用微纳CT对失效试样进行检测,不仅具有与扫描电镜接近的分辨率,同时还能够无损地对断口区域进行三维成像,观测到断口处以及附近区域内部材料的损伤情况,从而获得更多的材料失效信息。
笔者对拉断后失效试样的断口段进行高分辨率CT三维成像,分辨率为5 μm,其损伤表征结果如图8所示。断口处三维重构图像如图8(a)所示,可看出主裂纹附近存在表面微裂纹,平均开口宽度约为25 μm,进一步对试样yOz截面进行分析,发现在主裂纹处存在多处高密夹杂,夹杂的平均尺寸约为40 μm；图8(b)为在主裂纹处发现的两个尺寸分别为30 μm和50 μm的高密夹杂,进一步对断口处内部材料进行观察,发现在主裂纹附近区域有多处微裂纹,其平均开口宽度约为20 μm,同时在多处微裂纹处也发现高密夹杂,夹杂的平均尺寸也约为40 μm；由图8(c),（d）可见,夹杂的尺寸分别为40 μm和50 μm。通过对试样内部损伤的分析,可初步判断一定尺寸的高密夹杂处容易成为材料内部应力集中区域,使得主裂纹沿着高密夹杂处进行扩展,同时成为微裂纹的萌生源。
3. 结论
（1）使用微纳CT检测方法和图像处理方法可对SLM成型AlSi10Mg合金拉伸试样内部缺陷进行三维可视化和量化统计,发现缺陷类型为气孔和高密夹杂,其平均等效直径分别为30 μm和35 μm,距离材料表面平均最短距离分别为0.89 mm和0.70 mm,平均球度分别为0.71和0.70,其中球度值随着等效直径的增大而减小。上述缺陷的统计结果可用于优化SLM成型工艺,研究缺陷几何特征与性能之间的关系。
（2）通过高分辨率的微纳CT检测、亚体素的表面确定方法以及图形技术处理,能够以微米级精度构建试样中可导入到有限元软件中的气孔的三角形几何模型,以便于设计人员研究气孔与力学性能之间的关系,从而对气孔进行定级。
（3）通过高分辨率的微纳CT检测方法,对拉断后AlSi10Mg合金失效试样断口段的损伤进行表征,发现在主裂纹附近区域存在多处平均开口宽度约为20 μm的微裂纹,且在主裂纹和微裂纹处发现多个平均尺寸约为40 μm的高密夹杂, 表明一定尺度的高密夹杂缺陷容易成为SLM成型AlSi10Mg合金裂纹的萌生源以及扩展通道。
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Table 2 CT扫描参数
试样状态 电压/kV 电流/μA 滤波片厚度/mm 体素尺寸/μm 投影数量/张 拉伸试样 100 300 0.2(Cu) 10 1 600 拉断试样 100 200 0.2(Cu) 5 1 600 
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