增材制造模型重建优化技术(南昌航空大学敖波教授：激光增材制造微小孔隙的射线成像及误差分析)

增材制造(AdditiveManufacturing，AM)是超燃冲压发动机燃烧室新型制造方法，是目前航空航天研究热点之一，美国NASA、轨道ATK公司等广泛采用增材制造技术制造超燃冲压发动机燃烧室等关键部件，增材制造是实现高超声速飞行器的关键技术。

GH3625镍基高温合金广泛应用于制造燃烧室等复杂热端部件，常采用SLM技术成形。由于金属增材制造工艺本身或者粉末原因，可能会引起在零件增材制造过程中，内部会形成非常小的孔隙。这些微孔会降低零件的整体密度，导致裂纹和疲劳问题。另外，金属增材制造的不足之一是零件的表面粗糙度较差，国内制造精度为±0.3mm，缺陷无损检测的可靠性尚未得到解决，已成为制约增材制造技术工程应用推广的瓶颈，高温合金增材制件无损检测与误差分析是目前急迫需要解决的问题。

增材制件品质无损检测方法主要有计算机断层成像技术(CT)、超声检测、射线检测(胶片照相或DR、CR)、渗透检测等。周炳如等对增材制造的15mm厚的TC4合金制件进行射线照相检测，可识别出制件中直径为0.4~0.5mm的孔隙，证明射线检测是增材制造内部缺陷非常有效的无损检测方法。通过对比增材制造件CT测量与三坐标测量机参考测量结果；SHAHP等评价了CT扫描、软件重建的精度和测量能力。ORTEGAN等使用CT、坐标测量机与共焦显微镜分别对NIST标准试样和不同厚度层参数制造几何条件相同的2个SLM制件进行测量分析，从几何误差、表面粗糙度和工艺精度等方面提出了质量控制的方法]。由于CT成像分辨率受试样尺寸影响，Plessis指出Micro-CT成像分辨率与零件尺寸成线性关系，零件尺寸为50mm的成像分辨率为50μm，并制定了孔隙率测量、密度测量、表面粗糙度、金属粉末分析等标准化质量控制程序。

南昌航空大学敖波教授在2022年第42卷第11期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了“激光增材制造微小孔隙的射线成像及误差分析”的文章。文章通过激光选区熔化技术制备GH3625高温合金制件，内部预制多个不同尺寸的孔隙。分别采用X射线数字成像和显微CT(microcomputedtomography，Micro-CT)对制件孔隙进行二维/三维表征。结果表明，对于直径为5mm的GH3625高温合金SLM(selectivelasermelting)制件，在DR(digitalradiography)图像上能观察到全部直径设计值≥0.2mm的预制孔隙，最小可检孔隙尺寸为0.18mm。CT数据显示直径设计值为0.05mm和0.1mm的孔隙均未预制成功，直径设计值大于0.2mm的孔隙全部预制成功，直径设计值为0.2mm的孔隙中有两个未预制成功，其余全部预制成功，检测出的孔隙直径最小值为0.05mm。结果表明，直径实测值大于设计值，绝对误差最大为0.26mm，最小为0.03mm。最后将不同位置的孔隙平移到基准位置，结合孔隙三维形貌，根据穿透厚度差分析射线入射方向对不同孔隙成像的影响。

【试验材料及方法】

采用EOSM290设备，SLM成形GH3625高温合金拉伸件，激光功率为200W，扫描速率为1083mm/s，扫描间距为0.09mm，堆积层厚度为0.04mm，成形方向沿长轴(z轴)方向。图1为GH3625高温合金SLM成形拉伸件。拉伸件内部预制多个孔隙，按照孔隙的分布位置和孔隙大小，拉伸件编号为0~9号，预制孔隙直径设计最大值为0.7mm，最小值为0.05mm，预制孔隙设计见表1。0~8号内部预制孔隙数量全部相同。8号件预制孔隙数量为8个，孔隙直径设计值分别为0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6和0.7mm。9号件预制孔隙数量为32个，分为8组，每组有4个直径相同的孔隙，预制孔隙直径设计值分别为0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.和0.7mm。

微焦点射线机发射Ｘ射线束透过被检工件后以不均匀的射线强度照射在平板探测器上，平板探测器的闪烁体层将入射射线信号转换为可见光信号，非晶硅光电二极管将光信号转换为电荷，电荷存储在光电二极管电容中，由读出电路将电信号读出并转换为数字信号传输至计算机，形成数字图像。

检测设备为FOMR225.030RT射线机，最大管电压为225kV，焦点尺寸为5μm，平板探测器为XRpad24336非晶硅平板探测器，闪烁体材料为碘化铯，探测器单元尺寸为100μm×100μm，成像矩阵为4288×3524，A/D位数为16bit。微焦点射线DR成像检测试验参数：管电压为140kV，管电流为100μA，积分时间为1500ms，射线源到拉伸件的距离f为100mm，射线源到探测器的距离F为800mm，放大倍数为8倍，图2为X射线微焦点DR成像透照布置。

Fig.2Exposurearrangementofmicro-focusDRimaging

试验设备为nanoVoxel-4000型显微CT成像系统，其中微焦点射线源型号为WorXXWT-225-CT，最大管电压为225kV，焦点尺寸为4μm；平板探测器为VAREX4343DX，探测器单元尺寸为139μm×139μm，成像矩阵为3072×3072，A/D位数为16bit。CT扫描试验参数：源到样品旋转中心距离(SOD)为89mm，源到探测器距离(SDD)为858mm，管电压为200kV，管电流为250μA，积分时间为1s，在360°范围共获取1440幅投影图像，CT重建方向为z轴方向，成像分辨率为14.5μm。

【图文结果】

拉伸件DR试验结果表明，在DR图像上能观察到全部直径设计值大于0.2mm的预制孔隙，除2号拉伸件DR图像上有2个直径设计值为0.2mm的孔隙未观察到之外(CT结果显示未预制成功)，其余直径设计值为0.2mm的孔隙全部可见，未观察到直径设计值为0.05mm和0.1mm的预制孔隙(CT结果显示未预制成功)。对于预制孔隙外的其他孔隙，DR试验能检测出的孔隙直径最小值为0.18mm。

拉伸件显微CT结果表明，增材制造过程中拉伸件内部直径设计值大于0.2mm的孔隙全部成功制出，2号拉伸件中有两个直径设计值为0.2mm的孔隙未预制成功，其余全部预制成功，直径设计值为0.05mm和0.1mm的孔隙均未成功制出。1号和9号拉伸件DR与CT检测结果在预制孔隙数量上一致，但拉伸件内部存在多个预制外的孔隙，CT试验能检测出的孔隙直径最小值为0.05mm。

9号拉伸件显微CT孔隙尺寸分析结果表明，在激光功率为200W，扫描速率为1083mm/s，扫描间距为0.09mm，堆积层厚度为0.04mm条件下，直径为5mm的拉伸件内部预制孔隙增材制造后的尺寸普遍大于设计尺寸，绝对误差最大为0.26mm，最小为0.03mm。通过2号拉伸件显微CT结果，表明由于增材制造误差的存在，直径设计值为0.2mm的孔隙不能实现100%成功制造。

结合CT数据，按基准位置对不同位置的预制孔隙进行平移和三维可视化处理，可以观察全部预制孔隙的形貌分布，可见DR透照时无法实现全部孔隙直径最大值方向与射线透照方向一致，因此在DR图像上可能无法清晰观察到全部的预制孔隙。

(a)第989层切片图像(b)三维可视化结果

【文献信息】

宋鸿玉,敖波,危荃,等.激光增材制造微小孔隙的射线成像及误差分析[J].特种铸造及有色合金,2022,42(11):1370-1375.

SONGHY,AOB,WEIQ,etal.X-rayimaginganderroranalysisofmicroporesduringlaseradditivemanufacturing[J].SpecialCasting&NonferrousAlloys,2022,42(11):1370-1375.