摘要
针对金属增材制造样品中微米级尺度缺陷工业 CT检测灵敏度验证问题，设计并制造了一种包含参考标样的组装结构试块，实现了零件感兴趣区域的检测效果验证。使用试块初步研究了不同几何放大倍数下及不同偏心距离下试块感兴趣区域的缺陷检测灵敏度变化规律。研究结果表明，随着检测几何放大倍数的降低，及偏心距离的不断增大，缺陷的不可检缺陷的尺寸逐渐增大，缺陷的可检性及识别的准确率逐渐降低。
金属增材制造技
对于一种新的检测技术、一套新的检测设备或一种新结构形式的零件，在正式开展无损检测前通常需要开展检测设备的性能评价及检测工艺研究。通过针对零件的验收要求开展检测灵敏度分析及评价，确定合适的检测参数以确保零件中缺陷的可检性。为确保检测效果，相关工业CT检测标准规范均包含了必要的受控条款，如应定期监测设备的空间分辨率及密度分辨率指标对设备的性能及稳定性进行评估。与此同时，ASTM E1570、GB/T 29070、ISO 15708等主流的工业CT检测标准还要求对零件正式开展检测前应对设备特定检测参数下的缺陷检测能力进行验证。与超
试块的设计制造思路如下：首先，根据被检零件的材料特性使用相同的制造工艺打印数个尺寸相等的微型圆柱体，微圆柱体的直径为1 mm，高度为2 mm。然后根据零件的检测灵敏度要求，通过调整激光功率、扫描线距、扫描速度等手段在微圆柱打印过程中随机引入微缺陷。使用经计量的高分辨率微焦点工业CT设备对微圆柱体上微缺陷的形貌及尺寸进行标定，筛选出包含特定典型缺陷的微圆柱作为参考标样，剩余的微圆柱则作为填充物使用。相对于常规尺寸的样品，微小尺寸的样品可使用相对较大的放大倍数进行CT扫查，进而具备更好的细节分辨能力。因此相对于传统的尺寸较大的参考标样，该方案可实现标样内部的缺陷形貌的较精准标定。
其次，根据被检零件的形貌特性设计并制造代表其结构特征的对比试块胚体。在试块设计时在检测灵敏度关注区域预留和微圆柱体尺寸相匹配的空腔，同时将试块设计为多个独立的镶嵌部段，保证在每一个检测灵敏度关注区域均留有放置参考标样的空腔及对应的开口。各个部段通过组装的方式形成试块整体，组装完成后，理论上试块内部将基本不包含额外的缝隙与空腔，射线等效穿透厚度将与实际零件等同，但由于实际制造难度、精度、装配工艺性等因素制约，试块在组装后其内部可能会存在因误差导致的缝隙，但缝隙的宽度相对于零件的透射厚度来说可近似忽略，此外还可以通过合理设计空腔的开口方向进一步降低缝隙对零件内部射线透射衰减效应的影响。此时试块的检测效果可为正式零件的无损检测工艺质量评价提供较准确的参考。本研究假定检测对象为直径10 mm，高度为11 mm的Ti-6Al-4V棒状样品。试块的外形尺寸与检测对象保持一致，根据上述思路将试块设计为两段式组装结构，并在试块的中心轴及最外侧偏下区域分别设置了检测灵敏度关注区域，试块设计及实物如
（a） 试块设计示意图
（b） 参考体实物图
（c） 试块胚体实物图
（d） 试块组装实物图
图 1 试块设计示意图及实物图
Fig.1 Schematic and physical diagram of the test block
使用微焦点工业CT检测系统对不同检测条件下试块的工业CT成像效果进行了研究。将经筛选过的含有微缺陷的参考标样分别放入检测灵敏度关注区域的空腔中，其余的空腔则放入同样材质的等效填充物。测试时将试块用热熔胶牢固固定在玻璃棒上以避免震动造成伪影，测试示意图如
图2 样品扫测示意图
Fig.2 Schematic diagram of the sample testing
（a） 俯视图
（b） 侧视图
图3 典型的试块CT扫查结果
Fig.3 Typical CT test results of the test block
根据样品的尺寸和工业CT设备硬件条件，分别设计了一种针对参考标样及4种针对零件/试块的透照布置参数，如
| FOD距离/mm | FDD距离/mm | 放大倍数 | 理论体素大小/μm |
|---|---|---|---|
| 10.0 | 350 | 35.0 | 1.429 |
| 37.5 | 350 | 9.33 | 5.357 |
| 50.0 | 350 | 7.00 | 7.143 |
| 62.5 | 350 | 5.60 | 8.929 |
| 75.0 | 350 | 4.67 | 10.71 |
| （1） |
式中，d为探测器的宽度，a为射线源焦点尺寸，M为放大倍数。可见，在CT检测系统硬件参数确定的情况下，点扩散函数的宽度随放大倍数的减小而逐渐增大，进而导致更多缺陷的尺寸或缺陷局部细节尺寸处于小于点扩散函数宽度的区间范围，在卷积计算后对比度差异的下降导致了缺陷可检性的下降。
（a） 35.00倍（标定状态）
（b） 9.33倍
（c） 7.00倍
（d） 5.60倍
（e） 4.67倍
图4 不同放大倍数下参考标样内部缺陷工业CT三维成像结果Fig.4 Results of industrial CT 3D imaging of internal defects in reference specimens at different magnifications
（a） 35.00倍（标定状态）
（b） 9.33倍
（c） 7.00倍
（d） 5.60倍
（e） 4.67倍
图5 不同放大倍数下参考标样内部相同位置处的工业CT断层成像结果（俯视）
Fig.5 Industrial CT tomography results at the same location within the reference specimen at different magnifications （top view）
对不同放大倍数下的缺陷进行统计分析，结果如
（a） 孔隙率
（b） 孔隙缺陷体积分布
图6 不同放大倍数下参考标样内孔隙缺陷分析统计结果
Fig.6 Statistical results of the analysis of porosity defects in reference specimens at different magnifications
对处于相同放大倍数条件下试块不同区域缺陷的CT检测效果进行了考察，选用的放大倍数为7倍，在该检测条件下理论体素大小约7.14 μm。然后将参考标样分别放置在试块中心及试块边缘的空腔内，使用一致的参数进行CT扫查及三维重建，使用基本一致的窗宽和窗位对CT重建结果进行了可视化成像，并基于阈值分析对参考标样内部缺陷的相关信息进行了统计。
从
| （2） |
式中，为光子数，为平均能量的射线束透射圆柱体的线性衰减系数，为圆柱体的半径。可以看出图像噪声与样品的旋转半径密切相关，噪声随旋转半径的增大而增加，导致缺陷可检性的下降，这与试验观察结果相符。
（a） 参考体位于中心区域
（b） 参考体位于边缘区域
（c） 统计结果
图7 典型放大倍数下不同区域的缺陷检测效果模拟验证结果
Fig.7 Results of defect detection in different areas at a typical magnification
本文针对金属增材制造样品中微米级尺度缺陷工业CT检测灵敏度验证问题，设计并制造了一种包含参考标样的组装结构试块，试块具有良好的微缺陷检测灵敏度验证能力，可有效实现该类零件的工业CT检测工艺的灵敏度评价。其主要优点如下：
（1）可有效代表被测零件的结构特征，开展关注区域工业CT检测效果评价工作，具有微米级缺陷检测灵敏度验证能力。
（2）基于CT技术的检测原理，通常越小的样品可以获得越高的检测分辨率，通过在体积较小的微型块上布置微缺陷，相对于传统的一体式的金属增材制造CT检测对比试块可以更好地实现对缺陷的尺寸和形貌的标定。
（3）参考标样可重复使用，具有较高的通用性和较低的差异化试块制造成本，此外可通过合理设计组装胚体结合多次测量的方式保证不同检测灵敏度考察区域中的模拟缺陷大小和形貌严格一致。
针对直径10 mm的棒状零件设计制造了两段式组装试块，初步研究了不同放大倍数下及试块不同离心距离下的感兴趣区域的缺陷检测灵敏度变化规律，发现随着检测放大倍数的降低及偏心距离的不断增大，缺陷的不可检缺陷的尺寸逐渐增大，缺陷的可检性及识别的准确率逐渐降低。
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