激光熔覆技術(shù)作為一種先進(jìn)的增材再制造技術(shù)，具有涂層與基體為冶金結(jié)合、能量集中、熱影響區(qū)小、對(duì)基體損傷小、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜零部件的高效修復(fù)。在激光熔覆增材再制造過(guò)程中，再制造區(qū)域內(nèi)形成的各種界面統(tǒng)稱(chēng)為再制造界面，該界面是再制造零部件的薄弱區(qū)域，為了使再制造零部件的性能達(dá)到甚至超過(guò)新品的性能，對(duì)該界面的缺陷進(jìn)行分析是非常必要的。

 

目前主要通過(guò)物理解剖法、數(shù)值模擬法及超聲法、磁粉法、滲透法等無(wú)損檢測(cè)方法獲得零部件內(nèi)部缺陷的信息，但是這些方法都存在不足之處，如對(duì)零部件造成不可逆的破壞;檢測(cè)結(jié)果顯示不直觀、不準(zhǔn)確;只對(duì)零部件的表面或近表面缺陷敏感等。

工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層成像(CT)技術(shù)是一種依據(jù)外部投影數(shù)據(jù)重建物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可以非接觸、非破壞性地檢測(cè)物體內(nèi)部缺陷，得到?jīng)]有重疊的數(shù)字化圖像，該技術(shù)不僅可以獲得零部件內(nèi)部缺陷的二維及三維空間信息，而且可以直觀、準(zhǔn)確地表達(dá)零部件內(nèi)部缺陷的全方位信息。基于此將工業(yè)CT技術(shù)應(yīng)用于零部件再制造界面的缺陷檢測(cè)有其可行性和優(yōu)勢(shì)。

 

工業(yè)CT成像技術(shù)主要性能

工業(yè)CT

主要零部件包括：射線源、輻射探測(cè)器與準(zhǔn)直器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、樣品掃描機(jī)械系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及輔助電源和輻射安全系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)等。

目前，用于評(píng)價(jià)工業(yè)CT成像系統(tǒng)性能的主要參數(shù)包括：檢測(cè)試件的范圍、射線源種類(lèi)、掃描模式、檢測(cè)時(shí)間、空間分辨率、密度分辨率及偽像等。

零部件再制造典型缺陷具有形貌復(fù)雜，尺寸較小，分布面積較廣，缺陷邊界不規(guī)則、不連續(xù)、多分支的特點(diǎn)，因此缺陷易被噪聲所掩蓋，缺陷的位置難以檢測(cè)，缺陷的形成原因難以確定。當(dāng)缺陷尺寸接近工業(yè)CT系統(tǒng)的檢出限時(shí)，在CT圖像上就會(huì)表現(xiàn)出容積效應(yīng);當(dāng)缺陷表面與工業(yè)CT掃描平面不垂直時(shí)，工業(yè)CT圖像中缺陷邊緣有較寬的灰度過(guò)渡區(qū)，從而形成弱邊緣;以上兩點(diǎn)都會(huì)增大缺陷檢測(cè)的難度。

針對(duì)再制造典型缺陷的上述特點(diǎn)，研究人員通過(guò)在工業(yè)CT系統(tǒng)中引入新的圖像計(jì)算模型，或通過(guò)改善工業(yè)CT檢測(cè)工藝參數(shù)，如切片厚度、探測(cè)器單元的微動(dòng)次數(shù)、觸發(fā)次數(shù)及圖像矩陣等，有效降低了再制造典型缺陷圖像噪聲和偽像，提高了再制造典型缺陷圖像顯示的對(duì)比度，增強(qiáng)了再制造典型缺陷細(xì)節(jié)特征分辨率。

 

激光熔覆增材再制造典型缺陷形成機(jī)理

激光熔覆過(guò)程是一個(gè)快速成型的過(guò)程，即在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生快速熔化與快速凝固的過(guò)程，因此在涂層內(nèi)部極易產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾雜等不良缺陷，嚴(yán)重影響再制造零部件的質(zhì)量和性能。

裂紋形成機(jī)理

激光熔覆是一個(gè)速熱、速冷的過(guò)程，該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生局部受熱不均勻，溫度較高區(qū)域在冷卻和凝固時(shí)會(huì)受到溫度較低區(qū)域的約束，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力;同時(shí)，該過(guò)程中基體表面材料、涂層材料都會(huì)經(jīng)歷固態(tài)變液態(tài)、液態(tài)又變回固態(tài)的變化，在這兩個(gè)變化過(guò)程中，基體表面和涂層材料都會(huì)產(chǎn)生不同程度的體積收縮，必然會(huì)受到周邊晶粒的牽制和約束，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力;當(dāng)熱應(yīng)力或拉應(yīng)力大于熔覆材料的抗形變能力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。裂紋缺陷是激光熔覆增材再制造過(guò)程中最主要的內(nèi)部缺陷，是對(duì)再制造零部件的質(zhì)量和性能影響較大的一種缺陷，是激光熔覆過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)消除的缺陷類(lèi)型。

氣孔形成機(jī)理

在激光熔覆過(guò)程中，當(dāng)氣體進(jìn)入熔池或與金屬表面氧化物發(fā)生還原反應(yīng)生成氣體時(shí)，由于熔覆涂層的凝固過(guò)程會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)完成，所以上述氣體來(lái)不及從熔融液體中逸出，便會(huì)形成氣孔。氣孔缺陷是激光熔覆增材再制造過(guò)程中極易形成的內(nèi)部缺陷，嚴(yán)重影響再制造零部件的力學(xué)性能，從而降低再制造零部件的使用壽命。

夾雜形成機(jī)理

基體表面和涂層材料所含的元素不同，其所具有的凝固點(diǎn)也不同，在激光熔覆的過(guò)程中，低熔點(diǎn)元素先熔化，高熔點(diǎn)元素后熔化，且可能存在未完全熔化的情況，在后續(xù)冷凝過(guò)程中，熔覆涂層中可能產(chǎn)生夾雜;在激光熔覆的冷卻和凝固過(guò)程中，高熔點(diǎn)元素先凝固，低熔點(diǎn)元素后凝固，且低熔點(diǎn)元素會(huì)隨著固液界面的上升而移向上層，因此熔覆涂層表層以低熔點(diǎn)元素為主，元素成分不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致熔覆涂層的組織中產(chǎn)生夾雜;以上兩種情況下產(chǎn)生的夾雜缺陷都為裂紋缺陷的萌生提供了源頭。

工業(yè)CT成像技術(shù)在典型缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

裂紋缺陷的檢測(cè)與研究

零部件內(nèi)部微觀裂紋會(huì)隨著零部件服役過(guò)程中的載荷作用與變形而不斷變化，最終會(huì)發(fā)展為宏觀裂紋，并造成零部件的破壞，甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難性事故。因此，檢測(cè)零部件內(nèi)部的裂紋缺陷及研究零部件服役過(guò)程中內(nèi)部裂紋缺陷的演變規(guī)律，對(duì)保證零部件質(zhì)量具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用工業(yè)CT成像技術(shù)從不同方向?qū)?nèi)部裂紋缺陷的演變規(guī)律及擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了大量研究。

BUFFIERE等早在20世紀(jì)90年代就在歐洲同步輻射實(shí)驗(yàn)室(ESRF)借助CT設(shè)備對(duì)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了分析，標(biāo)出了微米級(jí)裂紋分布。通過(guò)圖像重建得到了三維裂紋體，測(cè)定了裂紋初始形核角度。

SCHILLING等進(jìn)一步論證了采用CT斷層成像技術(shù)觀測(cè)裂紋等缺陷的可行性。

PENUMADU等通過(guò)高分辨CT設(shè)備探明了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料裂紋產(chǎn)生的原因，采用OCTOPUS軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，同時(shí)選擇濾波反投影法實(shí)現(xiàn)了裂紋缺陷的三維重建。

重慶大學(xué)多年來(lái)致力于工業(yè)CT掃描圖像重建算法的改進(jìn)以及該技術(shù)在材料領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。根據(jù)裂紋不同階段的尺度差異，提出將裂紋萌生、擴(kuò)展至斷裂的整個(gè)過(guò)程分為3個(gè)階段：顯微尺度微觀裂紋、CT尺度裂紋和宏觀裂紋，為基于工業(yè)CT設(shè)備研究裂紋進(jìn)行了較為科學(xué)的分類(lèi)。

西北工業(yè)大學(xué)在采用工業(yè)CT技術(shù)檢測(cè)裂紋擴(kuò)展行為方面進(jìn)行了較為深入的探索，提出了一種基于CT圖像密度場(chǎng)的疲勞短裂紋群擴(kuò)展行為監(jiān)測(cè)方法，利用自主研發(fā)的CT Framework系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了裂紋群的三維可視化。

東南大學(xué)采用工業(yè)CT研究了零部件破壞過(guò)程中宏微觀裂紋缺陷的演化特征，并提出了多尺度缺陷表征方法，能夠較好地描述微觀裂紋到宏觀缺陷的多尺度演化過(guò)程，如圖1所示。從圖1可以看出，零部件變形過(guò)程中，裂紋演變過(guò)程為內(nèi)部裂紋的萌生、擴(kuò)展及聚合，主要表現(xiàn)為裂紋擴(kuò)展和聚合，同時(shí)會(huì)伴隨有部分新的裂紋萌生，而萌生的位置常常會(huì)在裂紋分布相對(duì)較少的地方。隨著零部件的變形，裂紋會(huì)集中在一個(gè)帶狀區(qū)域，其他區(qū)域相對(duì)較少，零部件最終也會(huì)從該帶狀區(qū)域發(fā)生斷裂。與零部件中間位置的裂紋相比，邊緣的裂紋擴(kuò)展速度更快，往往更容易造成零部件的斷裂。

 
圖1 零部件變形過(guò)程中微觀裂紋擴(kuò)展過(guò)程

氣孔缺陷的檢測(cè)與研究

氣孔是零部件內(nèi)部缺陷的主要形式之一，其體積與位置分布隨機(jī)性較大，在外加載荷的作用下，氣孔缺陷會(huì)不斷變化，最終會(huì)導(dǎo)致零部件整體結(jié)構(gòu)的破壞。

趙超凡等采用工業(yè)CT研究了零部件在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中宏微觀氣孔缺陷的演化過(guò)程，研究結(jié)果表明，隨著零部件變形的增加，其內(nèi)部缺陷會(huì)產(chǎn)生兩種情況：新氣孔的萌生和原氣孔的增長(zhǎng)。基于以上研究結(jié)果，提出了多尺度氣孔缺陷表征方法，很好地描述了從微觀氣孔萌生、增長(zhǎng)到零部件失效的全過(guò)程，如圖2所示。從圖2可以看出，隨著零部件變形的加劇，零部件的焊接處不斷產(chǎn)生新的氣孔，分布位置沒(méi)有固定規(guī)律，而原有氣孔的體積也會(huì)增大。在零部件變形過(guò)程中，氣孔缺陷的數(shù)量和體積均有所增加，而其形狀沒(méi)有明顯改變。

 圖2 零部件變形過(guò)程中氣孔演化過(guò)程(ε為應(yīng)變)

POLOZOV等通過(guò)選區(qū)激光熔覆法制備了鈦合金化合物，并利用工業(yè)CT技術(shù)檢測(cè)其內(nèi)部孔隙的尺寸與分布，從而研究了合金的致密性。結(jié)果表明合金內(nèi)部孔隙尺寸為32μm，孔隙率只有0.7%，制備的鈦合金化合物是一種全致密材料。

夾雜缺陷的檢測(cè)與研究

目前，高鐵齒輪箱體材料多為鑄件，鑄件中存在各種尺度和維數(shù)的缺陷，在服役過(guò)程中，微結(jié)構(gòu)形態(tài)、缺陷分布和形貌、界面特性、孔隙率等都極大地影響著材料宏觀整體韌性、強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能。鑄件缺陷主要以?shī)A雜缺陷為主，具有復(fù)雜性，一般無(wú)損檢測(cè)方法不能對(duì)其進(jìn)行直觀、高效地檢測(cè)，而工業(yè)CT成像技術(shù)可以清晰地檢測(cè)出鑄件夾雜缺陷的立體結(jié)構(gòu)狀況，直觀地顯示出夾雜缺陷的位置及形狀。

艾軼博等利用三維工業(yè)CT成像技術(shù)對(duì)高鐵齒輪箱體內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，指出夾雜缺陷所占比例最大，通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)獲得了箱體材料的夾雜缺陷的三維圖像，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高鐵齒輪箱體內(nèi)部缺陷自動(dòng)、準(zhǔn)確地分類(lèi)和識(shí)別，為實(shí)現(xiàn)高鐵齒輪箱體材料內(nèi)部缺陷的自動(dòng)識(shí)別提供了技術(shù)支持。

 圖3 高鐵齒輪箱體內(nèi)部夾雜缺陷三維圖

混凝土，尤其是水泥混凝土已成為現(xiàn)代工程(建筑、道路、橋梁等)最重要的材料之一。混凝土在使用過(guò)程中由于各種原因其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生夾雜缺陷，影響混凝土的力學(xué)性能，帶來(lái)工程安全隱患。

ZHU等認(rèn)為工業(yè)CT成像技術(shù)是測(cè)試混凝土微觀夾雜缺陷的重要手段，通過(guò)觀察混凝土同一區(qū)域在不同壓力下的CT成像，比較CT成像的灰度值，可以推導(dǎo)出該區(qū)域微觀夾雜缺陷的演變情況，從而為完善混凝土的加工和制備工藝，提高混凝土的質(zhì)量提供理論支持。

由于復(fù)合材料具有低線脹系數(shù)、高比模數(shù)、高比強(qiáng)度、防腐耐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于武器裝備、航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域。但復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料通過(guò)化學(xué)或物理方法制備而成的，在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)由于原材料中自帶雜質(zhì)或油污、加工工藝技術(shù)問(wèn)題及操作不當(dāng)?shù)纫蛩禺a(chǎn)生以?shī)A雜、分層為主的各種缺陷，因此工業(yè)CT成像技術(shù)對(duì)控制和提高復(fù)合材料制品的質(zhì)量，改善生產(chǎn)工藝有指導(dǎo)意義。

趙付寶等利用工業(yè)CT成像技術(shù)有效地檢測(cè)出了樹(shù)脂基復(fù)合材料制品的內(nèi)部缺陷，并能精確地測(cè)定缺陷的位置與幾何尺寸，如圖4所示。圖4(a)中發(fā)亮的部位是復(fù)合材料制品內(nèi)部的夾雜缺陷，該夾雜缺陷的密度大于原材料的密度，所以其灰度比周邊大;但由于大多數(shù)材料的密度較為接近，所以無(wú)法只依據(jù)CT圖像對(duì)夾雜的類(lèi)別做出判斷。圖4(b)中黑色的連續(xù)不規(guī)則的線條為復(fù)合材料制品內(nèi)部的分層缺陷。

 
圖4 復(fù)合材料制品內(nèi)部缺陷外觀

工業(yè)CT成像技術(shù)在再制造界面缺陷研究中的難點(diǎn)

在激光熔覆增材再制造過(guò)程中形成的再制造界面即有同質(zhì)界面又有異質(zhì)界面，界面成分眾多，組織結(jié)構(gòu)龐大，常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確、直觀地確定再制造界面的缺陷。工業(yè)CT成像技術(shù)不受零件結(jié)構(gòu)、組成成分與表面狀態(tài)等限制，可以準(zhǔn)確表征出零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，為激光熔覆增材再制造界面的缺陷檢測(cè)提供了最佳檢測(cè)手段。

在實(shí)際應(yīng)用中，激光熔覆增材再制造零部件自身形狀不規(guī)則;再制造界面情況更為復(fù)雜：界面材料成分繁多;界面組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜;界面缺陷種類(lèi)較多、尺寸較小、分布面積較廣;界面缺陷的邊界不規(guī)則、不連續(xù)、多分支。

而工業(yè)CT成像系統(tǒng)自身也有局限性：檢測(cè)對(duì)象的尺寸和材料必須與所用設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)和射線的能量相匹配，能量太低無(wú)法穿透檢測(cè)對(duì)象，能量太高會(huì)使檢測(cè)對(duì)象曝光過(guò)度;檢測(cè)對(duì)象的幾何特性影響工業(yè)CT成像系統(tǒng)的空間分辨能力與密度分辨能力;工業(yè)CT圖像中的每個(gè)點(diǎn)都要經(jīng)過(guò)大量計(jì)算模擬，在模擬過(guò)程中如數(shù)據(jù)處理不當(dāng)，就會(huì)產(chǎn)生與檢測(cè)對(duì)象不相符的偽像。因此，提高工業(yè)CT成像技術(shù)在再制造界面缺陷分析研究中的空間分辨率、密度分辨率，及改善檢測(cè)過(guò)程中的偽像是廣大學(xué)者研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)。

工業(yè)CT成像技術(shù)在再制造典型缺陷研究中的展望

為了使激光熔覆增材再制造零部件的性能達(dá)到甚至超過(guò)新品的性能，滿足再次服役的要求，必須對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)。工業(yè)CT成像技術(shù)有望成為再制造典型缺陷分析研究中一種重要的無(wú)損檢測(cè)手段，其研究發(fā)展方向主要涉及以下幾個(gè)方面：

1 提高工業(yè)CT技術(shù)檢測(cè)精度。

基于再制造零部件內(nèi)部及再制造界面的典型缺陷的特點(diǎn)，工業(yè)CT成像技術(shù)的迅速發(fā)展將成為再制造典型缺陷分析研究實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展的前提條件，只有工業(yè)CT成像技術(shù)擁有更小的尺寸精度、更高的分辨率、更精準(zhǔn)的重建算法及更有效的圖像處理技術(shù)，才可能實(shí)現(xiàn)再制造零部件內(nèi)部及再制造界面缺陷的智能化檢測(cè)、自動(dòng)化識(shí)別與分類(lèi)。

2 大型再制造零部件的缺陷檢測(cè)。

高端大型再制造零部件的體積龐大、結(jié)構(gòu)特殊、工藝復(fù)雜，常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)手段均無(wú)法準(zhǔn)確獲取產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和缺陷信息，工業(yè)CT成像技術(shù)是大型再制造零部件不可替代的缺陷檢測(cè)手段。大型再制造零部件由多種材料構(gòu)成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)缺陷檢測(cè)技術(shù)要求極高，如成像視野直徑要大(超過(guò)2m)、缺陷識(shí)別種類(lèi)多、檢測(cè)精度要求高等，導(dǎo)致大型再制造零部件缺陷檢測(cè)面臨著工業(yè)CT成像系統(tǒng)的高分辨率與大掃描直徑、探測(cè)效率、掃描速度、動(dòng)態(tài)范圍之間的矛盾。通過(guò)增強(qiáng)工業(yè)CT成像系統(tǒng)的射線源，完善系統(tǒng)的探測(cè)器設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的掃描效率，引入合理的圖像重建運(yùn)算方法，可確保工業(yè)CT成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大型再制造零部件內(nèi)部缺陷的高效識(shí)別與檢出。

3 降低檢測(cè)成本，擴(kuò)大使用范圍。

工業(yè)CT成像裝置本身造價(jià)高于其他無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，且該技術(shù)檢測(cè)過(guò)程較耗時(shí)，檢測(cè)效率相對(duì)較低，檢測(cè)成本較高，導(dǎo)致其使用范圍受到限制。通過(guò)在工業(yè)CT成像系統(tǒng)中引入新型計(jì)算模擬技術(shù)，提高了工業(yè)CT成像技術(shù)的檢測(cè)效率，降低了檢測(cè)成本，擴(kuò)大了工業(yè)CT成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。