Метод Оцу в оценке пористости и распределении структурных дефектов по изображению компьютерной томографии изделий SLM

Описана методика наблюдения и статистического анализа количества и расположения структурных дефектов  (несплошностей различной морфологии и неметаллических
включений) в объёме нагруженных образцов порошковых нержавеющих и жаропрочных сплавов систем Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-Mo, изготовленных по аддитивной технологии SLM.
Задача оценки пористости по изображению компьютерной томографии (КТ) сводится к установлению наличия на изображении элементов (объектов), с некоторыми индивидуальными характеристиками. Такой характеристикой принята яркость элементов изображения. Наиболее простым и естественным способом обнаружения объекта/объектов является выбор порога яркости или пороговая классификация (thresholding). В работе для указанных целей использовали метод Нобуюки Оцу, разработанный в 1979 году.
Представлено сравнение информативности результатов пористости по анализу изображений, полученных при помощи методик рентгеновской компьютерной томографии и
металлографического анализа (оптического, РЭМ). Наибольшее содержание пористости в образце, отсканированном методом КТ, составило ∼0,61-0,82%. Поры в образцах SLM сплавов в обоих случаях (при оптической микроскопии и компьютерной томографии) распределены неравномерно. Анализируются проблемы, оказывающие влияние на объём информации и количественные характеристики концентраторов напряжений, фиксируемых в объектах.
Показана перспективность применения алгоритма Оцу для обработки изображений КТ и оценки распределения пористости в образцах аддитивного производства, позволившего детально визуализировать внутренние поры в образцах в 3D без их физического и химического разрушения по сравнению с металлографической подготовкой.

1. Попович А.А., Суфияров В.Ш., Борисов Е.В., Полозов И.А., Масайло Д.В., Григорьев А.В. Анизотропия механических свойств изделий, изготовленных методом селективного лазерного плавления порошковых материалов//Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2016. – Вып. 3. – С. 4 – 11.

2. Simonelli M., Tse Y.Y., Tuck C. Effect of the build orientation on the Mechanical Properties and Fracture Modes of SLM Ti-6Al-4V// Mater. Sci. Eng. A. 2014. Vol. 616. Pp. 1-11.

3. Vroncken B., Thijs L., Kruth J.P., Van Hambeeck J. Microstructure and Mechanical Properties of novel 𝛽 titanium metallic composite by selective laser melting// Acta Mater. 2014/ Vol. 68. Pp. 150-158.

4. Frazier W.E., Metal additive manufacturing // A review. J. Mater. Eng. Perform. 2014. Vol. 23. No 6. Pp. 1917-1928.

5. Wu M.W., Lai P.H., Chen J.K. Anisotropy in the impact toughness of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy// Mater.Sci. Eng.: A. 2016. Vol. 650. P. 295-299.

6. Чуканов А.Н. Анизотропия деформации при послойном лазерном синтезе изделий // «Перспективные технологии и материалы». Матер. Всеросс. НПК с межд. уч., (Севастополь, 14–16.10.2020 г.), Научное изд. - Севастополь, СевГУ. 222с., С. 169 -174.

7. Чуканов А.Н. Влияние ориентации изделий аддитивных технологий на их анизотропию деформации // Научные чтения им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов». - Москва. 17-18 сентября 2020 г./ Сб. матер. – М: ИМЕТ РАН, 2020, 194 с. С. 79-80. (http://odin.imetran.ru/)

8. Чуканов А.Н. Анизотропия физико-механических свойств при послойном лазерном синтезе // МНТК «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов», посвящ. 150-лет. со дня рожд. акад. А.А. Байкова: Сб. научн. статей (18.09.2020 г.)/ Юго-Зап. гос. ун-т. Курск: ЮЗГУ, 2020. - 271 с. - С. 244-247.

9. Чуканов А.Н., Терёшин В.А., Цой Е.В. Свойства изделий, полученных селективным лазерным синтезом. 2. Изделия ячеистых структур // XIII-я МНТК «Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ-2021)», (20.11.2021 г.), Сб. статей., Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2021. С. 338-340.

10. Чуканов А.Н., Терёшин В.А., Цой Е.В. Свойства изделий, полученных селективным лазерным синтезом. 1. «Сплошные» изделия // XIII-я МНТК «Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ-2021)», (20.11.2021 г.), Сб. статей., Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2021. С. 341-346.

11. Маттерона Ж. Случайные множества и интегральная геометрия. М.: Мир. 1978 год, 320 с.

12. Сантало Л. Интегральная геометрия и геометрические вероятности. М.: Наука, 1983, 360 с.

13. Амбарцумян Р.В., Мекке Й., Штойян Д. Введение в стохастическую геометрию. М.: Наука, 1989, 400 с.

14. Sergeev N.N., Tereshin V.A., Chukanov A.N., Kolmakov A.G., Yakovenko A.A., Sergeev A.N., Leontiev I.M., Khonelidze D.M., Gvozdev A.E., Formation of plastic zones near spherical cavity in hardened low-carbon steels under conditions of hydrogen stress corrosion // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. Т. 9. № 4. С. 663-669.

15. Чуканов А.Н., Терёшин В.А., Цой Е.В. Математическое моделирование полей напряжений у стресс-коррозионных дефектов // Современные материалы, техника и технологии. 2021.- т.6 (39) -. С. 65 -70.

16. Hounsfield G.N. Computerized transverse axia scanning (tomography). Part 1: Description of system // British Journal of Radiology. – 1973. – № 46. – P. 1016–1022. DOI: 10.1259/0007-1285-46-552-1016

17. Ketcham R.A., Carlson W.D. Acquisition, optimization and interpretation of X-ray computed tomographic imagery: applications to the geosciences // Computers & Geosciences – Special issue on three-dimensional reconstruction, modelling and visualization of geologic materials. – 2001. – Vol. 27, iss. 4. – P. 381–400. DOI: 10.1016/S0098-3004(00)00116-3

18. Van Geet M., Swennen R., Wevers M. Quantitative analysis of reservoir rocks by microfocus X-ray computerised tomography // Sedimentary Geology. – 2000. – № 132. – Р. 25–36. DOI: 10.1016/S0037-0738(99)00127-X

19. Еременко Н.М., Муравьева Ю.А. Применение методов рентгеновской микротомографии для определения пористости в керне скважин [Электронный ресурс] // Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2012. – Т. 7, № 3. URL: https://ngtp.ru/rub/2/35_2012.pdf (дата обращения: 15.02.2015).

20. Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. – М.: Техносфера, 2004. – 384 с.

21. Van Geet M., Swennen R., David P. Quantitative coal characterisation by means of microfocus X-ray computer tomography, colour image analysis and back scatter scanning electron microscopy // International Journal of Coal Geology. – 2001. – Vol. 46, iss. 1. – P. 11–25. DOI: 10.1016/S0166-5162(01)00006-4

22. Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms // IEEE Trans. Syst. Man. Cybern. 1979, 9, 62–66.

23. Yasa, E.; Kruth, J.P. Microstructural investigation of Selective Laser Melting 316L stainless steel parts exposed to laser re-melting // Proced. Eng. 2011, 19, 389–395.

24. Gustmann, T.; Neves, A.; K¨uhn, U.; Gargarella, P.; Kiminami, C.S.; Bolfarini, C.; Eckert, J.; Pauly, S. Influence of processing parameters on the fabrication of a Cu-Al-Ni-Mn shape-memory alloy by selective laser melting // Addit. Manuf. 2016, 11, 23–31.

25. Marya, M.; Singh, V.; Marya, S.; Hascoet, J.Y. Microstructural Development and Technical Challenges in Laser Additive Manufacturing: Case Study with a 316L Industrial Part // Metall. Mater. Trans. B Process Metall. Mater. Process. Sci. 2015, 46, 1654–1665.

26. Liu, Z.H.; Zhang, D.Q.; Sing, S.L.; Chua, C.K.; Loh, L.E. Interfacial characterization of SLM parts in multi-material processing: Metallurgical diffusion between 316L stainless steel and C18400 copper alloy // Mater. Charact. 2014, 94, 116–125.

27. Dadbakhsh, S.; Hao, S. Effect of Al alloys on selective laser melting behaviour and microstructure of in situ formed particle reinforced composites // J. Alloy. Compd. 2012, 541, 328–334.

28. Sames, W.J.; List, F.A.; Pannala, S.; Dehoff, R.R.; Babu, S.S. The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing // Int. Mater. Rev. 2016, 6608, 1–46.

29. Frazier, W.E. Direct digital manufacturing of metallic components: Vision and roadmap // In Proceedings of the 21st Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, TX, USA, 9–11 August 2010; pp. 717–732.

30. King, W.E.; Barth, H.D.; Castillo, V.M.; Gallegos, G.F.; Gibbs, J.W.; Hahn, D.E.; Kamath, C.; Rubenchik, A.M. Observation of keyhole-mode laser melting in laser powder-bed fusion additive manufacturing // J. Mater. Process. Technol. 2014, 214, 2915–2925.

31. K¨orner, C.; Bauereiß, A.; Attar, E. Fundamental consolidation mechanisms during selective beam melting of powders // Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 2013, 21, 1–18.

32. Zhong, Y.; Liu, L.; Wikman, S.; Cui, D.; Shen, Z. Intragranular cellular segregation network structure strengthening 316L stainless steel prepared by selective laser melting // J. Nucl. Mater. 2016, 470, 170–178.