基于3D技術的金屬結構件斷口形貌重建方法

劉瓏，江婷，侯南，張宗陽，丁寧*

(1.齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省分析測試中心，山東省材料失效分析與安全評估工程技術研究中心，山東 濟南 250014；2.中國重汽集團技術發展中心，山東 濟南 250000)

失效分析通常指為尋找失效產品的失效原因和預防措施而進行的一切技術活動，是綜合性的質量系統工程，目的是解決材料、系統組成和工程結構等質量問題[1]。為有效開展失效分析工作，目前已經建立了一套完整的失效分析流程。失效分析流程包括現場調查、收集背景材料、技術參量復檢、深入分析研究、綜合分析歸納推理判斷和重現性試驗或驗證試驗等。在這些流程中，失效分析工作人員需要借助多種測試分析手段，其中包括光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線熒光光譜、X射線衍射和拉伸試驗機等[2-4]。技術參量復檢可能用到X射線熒光光譜判斷材料的化學成分是否合格，利用拉伸試驗判斷材料的拉伸力學性能是否合格，利用金相顯微鏡判斷材料的金相組織和夾雜物等是否合格。深入分析研究中需要借助光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察結構件斷口的微觀形貌，利用能譜分析表面腐蝕產物的化學成分以確定可能的有害元素。這些分析手段在使用過程中可能會碰到各種各樣的問題，其中用掃描電子顯微鏡觀察斷口的微觀形貌時，由于所得到的圖片是二維圖片，特征形貌的真實位置、高度等信息只能憑借記憶來評估，給分析工作帶來了很大難度。

目前，計算機斷層掃描成像(CT)、三維(3D)打印和超景深數碼顯微鏡等多種3D技術迅猛發展，得到了廣泛的應用。楊少丹等[5]闡述了材料失效分析的傳統研究方法，并針對傳統手段的不足分析介紹了工業CT在材料失效分析中的特點并指出其應用前景。吳陳銘等[6]對多自由度機器人3D打印技術的研究進展進行了總結，并討論了目前研究中待解決的問題和可能的發展方向。張衛光等[7]將超景深顯微鏡應用于昆蟲學的實驗教學中，并提出了其應用于實驗教學中的優勢和注意事項。而有關3D打印和超景深數碼顯微鏡應用于金屬結構件失效分析的相關研究則鮮有報道，這兩項技術的聯用通過建立結構件斷口的3D模型，從而解決用掃描電子顯微鏡觀察斷口時無法掌握斷口立體形貌，以及斷口由于分析需要被破壞后取樣而無法再現等問題。本文以不銹鋼換熱管的失效案例為例，借助超景深數碼顯微鏡和3D打印技術，建立了斷口的3D模型，在有效保護斷口形貌的同時，解決了利用掃描電子顯微鏡進行微觀觀察時無法掌握斷口空間位置的問題。該項技術為金屬結構件失效分析中對斷口的觀察和分析提供了有效手段。

1 3D技術簡介

1.1 3D打印技術

3D打印技術于1981年由Kodama[8]提出，發展至今已逐漸成熟，設備成本越來越低，成型速度越來越快，打印質量也越來越好[6]。3D打印技術首先需要通過計算機輔助設計軟件讀取所需打印結構件的截面信息，然后用各種材料逐層打印出來，最終完成結構件的打印。由于是逐層打印，制造速度快，打印精密度高，因此3D打印要優于傳統制造方式。也正是由于3D打印的這些優勢，在醫學[9]、建筑學[10]、產品設計[11]、教育[12]和珠寶[13]等多個領域有著廣泛的應用。但其在金屬結構件失效分析領域的應用，還有待進一步開發。

1.2 超景深數碼顯微鏡

超景深數碼顯微鏡廣泛應用于考古學[14]、紡織學[15]和工業生產過程中的質量控制等領域，主要包括處理控制器、鏡頭、自動平臺、載物臺、快捷控制板和底座等部分。本文所使用的蔡司SmartZoom5超景深數碼顯微鏡，具有工作距離長，圖像清晰范圍大等特點，其鏡頭可傾斜以滿足多種觀察角度，能夠實現高速實時圖像處理與測量。在金屬結構件失效分析領域中，可利用超景深數碼顯微鏡對金屬結構件的斷口進行宏觀形貌觀察。適當調節光源，實現對金屬結構件斷口形貌的真實成像是分析過程的關鍵。由于近年來開發了新型的超景深數碼顯微鏡景深疊加功能，使得在金屬結構件斷口分析中，實現斷口的3D成像成為可能。

2 斷裂失效不銹鋼換熱管斷口的重建

某公司使用的不銹鋼換熱管，在使用約5年后發生斷裂，斷裂的管道斷口宏觀形貌如圖1所示。由于該管道斷裂時發生了爆管，斷口的對偶面在管子爆裂過程中迸出，沒有找到。因此，該管道僅存此一處斷口，這使得該斷口在失效原因分析過程中尤其寶貴，如果需要對其取樣，進行夾雜物、微觀組織等檢查，該斷口就會被破壞而不能夠再現。在較強的光線下對該換熱器管進行宏觀觀察，發現斷口的部分區域凹凸不平，存在多處小臺階，這些宏觀特征為后續利用掃描電鏡進行微觀檢查帶來了諸多不便。為此，借助超景深數碼顯微鏡和3D打印技術對該斷口進行復制重建，能夠方便利用掃描電子顯微鏡進行微觀觀察及實現對斷口形貌的重建保護。

圖1 換熱器管道斷口的宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of heat exchanger tube fracture

金屬結構件斷口的3D重建可以為斷口的微觀觀察及分析提供幫助。借助斷口的3D實體輔助觀察斷口的微觀形貌，可以隨時做標記，使用起來更加便利。并且，當必須對結構件斷口進行破壞取樣，以實現后續斷口處夾雜物、微觀組織等的檢查時，利用3D識別及打印的斷口模型有助于實現對斷口形貌的保存。金屬結構件斷口的3D重建方法可以歸結為：先通過超景深顯微鏡、3D掃描儀和CT等三維成像技術獲取結構件斷口的3D完整形貌，然后借助3D打印機將斷口的完整形貌打印出來，得到斷口的3D模型實體；最后應用該實體，輔助掃描電子顯微技術對斷口進行微觀形貌觀察。具體路線如圖2所示。

圖2 結構件斷口的3D重建流程Fig.2 3D reconstruction process of the fracture surface

2.1 失效件斷口3D形貌數據的獲取

為獲得高精度的斷口立體圖像，本文借助超景深數碼顯微鏡的景深疊加模塊，在60倍的放大倍數下進行景深疊加，疊加深度的步進距離為90 μm。考慮到換熱器管的直徑較大，本文以斷口凹凸最復雜的區域(臺階聚集區，如圖3所示)為例進行3D成像，最終得到的圖像如圖4所示。該圖像為斷口凹凸不平的曲面，可以借助三維顯示軟件將曲面內部填充，得到與失效件相似的實體圖像。

為獲得更加精確的圖像信息，可選用三維掃描儀或者計算機斷層掃描成像技術進行3D形貌的獲取。本案例采用PRINCE77型3D掃描儀，對該換熱管斷口進行進一步掃描，掃描精度可達0.03 mm。圖5為利用三維掃描儀獲取的換熱管斷口的3D形貌。對比圖4和圖5可以看出，僅利用超景深顯微鏡成像的斷口3D圖像中，斷口表面多個小突起的輪廓雖可見，但斷口的內外邊緣并不能清晰成像。尤其是斷口邊緣的臺階交匯位置，因受光源的限制而無法獲取。通過3D掃描儀獲得的斷口3D圖像中，這些問題得到了有效克服。圖5中清晰可見斷口表面的臺階、內外邊緣及臺階的交匯處(見圖5紅色箭頭所示)，可以清晰反映出斷口由多裂紋源產生的表面形貌特征。

圖3 管道斷口凹凸不平區域宏觀形貌Fig.3 Fracture photograph of the tube concave-convex area

圖4 利用超景深顯微鏡獲取的斷口3D形貌Fig.4 3D photograph of fracture obtained by microscope with super wide depth of field

圖5 利用3D掃描儀獲取的斷口3D形貌Fig.5 3D photograph of fracture obtained by a 3D scanner

2.2 斷口模型輔助顯微形貌觀察

考慮到3D模型是在計算機輔助軟件中實現的，在軟件中對斷口影像進行標記等操作非常不便，因此建立斷口的3D實體是很有必要的。3D打印技術是建立斷裂結構件斷口3D實體的有效手段，將計算機輔助軟件中的三維斷口模型導入到3D打印機中，就可以得到斷口的三維實體。在本案例中，斷口模型通過Lite600型3D打印機打印完成，其打印成型精度為0.10 mm。圖6為斷裂換熱器管的真實斷口及其3D打印模型的宏觀形貌。為了方便拍攝3D斷口模型的細節信息，3D打印的斷口用紅色涂抹。建立換熱管3D斷口模型后，對比斷口3D形貌與真實斷口形貌可發現，兩者的宏觀特征保持一致。在3D斷口模型表面，對應真實斷口表面的內外邊緣、臺階等特征的各個區域均清晰可見，這為我們后續利用斷口3D模型輔助開展微觀形貌分析提供了便利。完成宏觀特征對比后，在3D斷口模型表面，對該換熱管斷口的特定位置進行標記，將換熱管的真實斷口放入掃描電子顯微鏡(ZEISS, Supra 55)中進行顯微觀察。觀察過程中，可將3D斷口模型隨著微觀觀察位置的變化而隨意變化，隨時掌握所觀察位置是否在同一個裂紋擴展面上等信息。圖7為該換熱管斷口表面多裂紋源引起的其中一個擴展面及其斷面細節，相對于3D斷口模型的位置見圖6箭頭所示，這種同步觀察對于確定初始裂紋的位置和裂紋走向均具有重要作用。

圖6 換熱管斷口及3D打印的斷口模型Fig. 6 Fracture surface of heat exchanger tube and its model obtained by a 3D printer

圖7 斷口的SEM形貌Fig.7 SEM images of the fracture surface

3 結論

本文利用3D成像及打印技術，實現了對某失效換熱管斷口的高精度重塑，并將重塑的結構件斷口用于該結構件的失效分析過程中，起到了有效的斷口特征輔助識別作用及斷口樣本保護。在失效分析過程中合理運用3D技術可以有效地提高微觀檢查的效率和準確度，更好地確立初始裂紋的位置和裂紋的擴展方向，這為更好更快地開展復雜斷口的微觀觀察提供了新思路。

3D打印以其突出的技術優勢，可以在3D掃描儀或計算機斷層掃描成像等技術的基礎上，進一步應用于金屬結構件完整斷口重建分析、金屬結構件內部孔隙缺陷重建分析以及斷裂過程的重現等方面。3D掃描儀成像或者計算機斷層掃描成像技術所獲得的結構件三維信息，可以廣泛應用于結構件的無損成像，進一步借助有限元分析軟件可以實現結構件的應力應變分析和疲勞壽命預測等。