復合製造的鈦合金多孔性三維結構表征

通過Robo-Met.3D分析復合製造的鈦合金樣品的多孔性情況,對比3D結果和經典的2D體視學方法。經典2D法低估了較大尺寸核心的空隙尺寸和分布情況。使用3D技術能夠測量一定體積內的這種空隙粒子的數量和尺寸。三維結構成像分析對於研究空隙尺寸和分布是一種更好的手段。

2Dvs3D空隙特徵分析

三維材料微觀結構表征能夠直觀體現空隙的諸如尺寸,形狀和分布情況,同時能夠提供材料科學與工程綜合計算模型關鍵性參數。空隙在材料機械性能方面扮演著至關重要的角色,合適的材料性能將可以應用到生物醫學領域,生物醫學應用要求材料具有低硬度和高比表面積;或者應用在特定的航空領域影響材料的疲勞壽命。為了準確的預測材料的機械性質,因此開展對於空隙的尺寸,分布,形貌學研究具有重要意義。

Robo-Met.3D分析

Robo-Met.3D全自動連續拋磨成像三維3D微結構分析測試系統,采集二維光學結構數據,用於三維重建和分析。復合製造合金材料Ti6AI2Sn4Zr2Mo(Ti6242)樣品,通過電子書能量熔融製造,是從如圖1所示鑄件上剪切的。剪切的樣品尺寸為20mm×20mm×18mm(長寬高),通過傳統金相切片方式進行制備。空隙研究的切片拋光,無須蝕刻,內部特徵核心選擇的厚度為5μm。光學成像是通過Robo-Met.3D耦合ZeissAxiovert倒置顯微鏡進行采集的,使用10倍物鏡,明場照明。共進行70切面,每面16個圖像拼合,而後進行三維結構重建。

復合製造的鈦合金多孔性三維結構表征 單身約會 第1張

1樣品切割指向。

2D成像的圖片每層都是通過4×4圖像拼接而成,然後通過FijiImageJ軟體進行每層之間的關聯。圖2顯示其中一個切面經過拋光處理後的光學成像。為了分析的方便,我們定義5個像素作為閾值進行物體尺寸識別的判斷,物體尺寸低於這個閾值將會被移除,不做記錄。像素的分辨率大約為1.08μmXY軸)。在3D成像內,單個重建結構的體積像素為1.08×1.08μm×5.5μm100X放大)。可識別檢測的最小核心為一個體積像素。

復合製造的鈦合金多孔性三維結構表征 單身約會 第2張

2樣品Ti62422D原始圖像

復合製造的鈦合金多孔性三維結構表征 單身約會 第3張

3Ti6242的二維圖像經過處理後的成像(閾值選擇)

二維和三維成像分析

二元的2D圖分析是通過Fiji/ImageJ打開源文件進行選擇像素強度閾值。所有圖片通過ImageJ進行堆疊和校準,使用Dream.3DParaview進行三維圖像重建和可視化處理。圖4位使用Paraview進行三維重建後的效果圖。等效球形直徑(ESD)通過Dream.3D軟體進行輸出。

復合製造的鈦合金多孔性三維結構表征 單身約會 第4張

4通過Robo-Met.3D三維重建Ti6242樣品測試結果

結果和討論

5表示通過每個切片二維ESD和三維法作出的ESD之間差異的散點圖。高亮的對比其中的切片#4465,顯示出偏差範圍較大,可以看出時下通過單個二維圖評估ESD的弱點。針對其中切片#1,其ESD37.4μm,通過單個二維圖切面進行分析判斷空隙直徑,低估了較大核心的尺寸數量,並且高估了小尺寸核心的占比,因為這個可能只是單層內小尺寸核心的數量偏多了。對於#44ESD43.6μm(接近3DESD43.9),但是對於大核心的空隙數量過於高估,相比較而言3D分析方式更能準確直觀反映真實的空隙等效直徑。

使用Robot-Met.3D直接承攬材料微觀特徵,能夠提供精確的缺陷核心的臨界尺寸,用以預測疲勞壽命,特別是對於復合製造材料方面具有重要的應用意義。

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