复合制造的钛合金多孔性三维结构表征

 

 

复合制造的钛合金多孔性三维结构表征

 

通过Robo-Met.3D分析复合制造的钛合金样品的多孔性情况,对比3D结果和经典的2D体视学方法。经典2D法低估了较大尺寸核心的空隙尺寸和分布情况。使用3D技术能够测量一定体积内的这种空隙粒子的数量和尺寸。三维结构成像分析对于研究空隙尺寸和分布是一种更好的手段。

2D vs 3D空隙特征分析

三维材料微观结构表征能够直观体现空隙的诸如尺寸,形状和分布情况,同时能够提供材料科学与工程综合计算模型关键性参数。空隙在材料机械性能方面扮演着至关重要的角色,合适的材料性能将可以应用到生物医学领域,生物医学应用要求材料具有低硬度和高比表面积;或者应用在特定的航空领域影响材料的疲劳寿命。为了准确的预测材料的机械性质,因此开展对于空隙的尺寸,分布,形貌学研究具有重要意义。

Robo-Met.3D分析

Robo-Met. 3D全自动连续抛磨成像三维3D微结构分析测试系统,采集二维光学结构数据,用于三维重建和分析。复合制造合金材料Ti 6AI 2Sn 4Zr 2Mo (Ti6242)样品,通过电子书能量熔融制造,是从如图1 所示铸件上剪切的。剪切的样品尺寸为20mm×20mm×18mm(长宽高),通过传统金相切片方式进行制备。空隙研究的切片抛光,无须蚀刻,内部特征核心选择的厚度为5μm。光学成像是通过Robo-Met. 3D耦合Zeiss Axiovert倒置显微镜进行采集的,使用10倍物镜,明场照明。共进行70切面,每面16个图像拼合,而后进行三维结构重建。

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1样品切割指向。

2D成像的图片每层都是通过4×4图像拼接而成,然后通过FijiImage JApp进行每层之间的关联。图2显示其中一个切面经过抛光处理后的光学成像。为了分析的方便,大家定义5个像素作为阈值进行物体尺寸识别的判断,物体尺寸低于这个阈值将会被移除,不做记录。像素的分辨率大约为1.08μmXY轴)。在3D成像内,单个重建结构的体积像素为1.08×1.08μm×5.5μm100X放大)。可识别检测的最小核心为一个体积像素。

 

 

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2 样品Ti6242 2D原始图像

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3 Ti6242的二维图像经过处理后的成像(阈值选择)

 

二维和三维成像分析

二元的2D图分析是通过Fiji/Image J打开源文件进行选择像素强度阈值。所有图片通过Image J进行堆叠和校准,使用Dream.3DParaview进行三维图像重建和可视化处理。图4位使用Paraview进行三维重建后的效果图。等效球形直径(ESD)通过Dream.3DApp进行输出。

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4通过Robo-Met.3D三维重建Ti6242样品测试结果

结果和讨论

5表示通过每个切片二维ESD和三维法作出的ESD之间差异的散点图。高亮的对比其中的切片#4465,显示出偏差范围较大,可以看出时下通过单个二维图评估ESD的弱点。针对其中切片#1,其ESD37.4μm,通过单个二维图切面进行分析判断空隙直径,低估了较大核心的尺寸数量,并且高估了小尺寸核心的占比,因为这个可能只是单层内小尺寸核心的数量偏多了。对于#44ESD43.6μm(接近3DESD43.9),但是对于大核心的空隙数量过于高估,相比较而言3D分析方式更能准确直观反映真实的空隙等效直径。

使用Robot-Met.3D直接承揽材料微观特征,能够提供精确的缺陷核心的临界尺寸,用以预测疲劳寿命,特别是对于复合制造材料方面具有重要的应用意义。

 

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