定向反射显微镜可更快、更便宜地对安全关键型金属部件进行质量控制

Josiah02

通过研究光线如何从金属表面反射，工程师现在可以判断制造的部件是否符合质量控制标准。这种省时且经济的技术为安全关键金属部件（如航空航天中使用的部件）的质量控制开辟了新途径。
通常，金属由无数微小的晶粒组成，这些晶粒的大小、形状和晶格取向各不相同——即晶粒内原子在空间中的堆积和排列方式。这些特征的集合通常被称为金属的“微观结构”，根据制造金属部件所采用的制造工艺（如铸造或锻造），微观结构可能会有很大差异。
由于金属的性质与其微观结构密不可分，因此在生产零件时甚至在用于工程应用时评估这些信息至关重要。这样，质量控制工程师就可以认证金属部件或做出明智的决定，判断它们是否已达到使用寿命并应更换。
然而，挑战在于评估金属的微观结构需要高端设备和繁琐的程序。例如，当前的黄金标准是基于电子衍射的扫描电子显微镜技术。
除了进行这些测量所需的设备成本高昂之外，由于真空室尺寸较小，该技术还无法直接分析整个部件。这将微观结构分析限制在必须从生产的金属部件中提取的小尺寸扁平样品上。
由于这些测量的成本高、可扩展性低，行业必须依靠保守的微观结构估计来尽量减少使用不同金属部件的安全问题。
剑桥大学研究人员提出的替代创新技术有望彻底改变这一模式。这种方法称为定向反射显微镜 (DRM)，仅使用可见光即可在周围环境中提供相同的微观结构信息，成本仅为其一小部分，并且涵盖整个金属部件。
该结果发表在《npj 计算材料》杂志上，研究团队在整个涡轮叶片（现代航空喷气发动机的“心脏”）上展示了这些功能。
“我们相信 DRM 可以开启一个全新的质量控制流程，通过这种方式，金属部件可以在制造过程中得到实时分析，”领导这项研究的剑桥大学工程系的 Matteo Seita 博士说。“这种方法与数字化制造的理念完全一致，数字化制造中每个部件都作为包含微观结构信息的数字护照生产出来。
“速度更快、成本更低意味着当今更多的行业将能够检查我们日常使用的金属的质量。这也意味着未来的行业将能够更有效地发明新金属，例如我们将用于太空殖民的金属。”
Seita 博士和他的团队花费了数年时间，使 DRM 尽可能低成本和易用，同时确保获取的微观结构信息精确可靠。DRM 需要一个简单的光学相机和一个旋转的白光源，从不同方向照亮金属部件的表面。
使用化学试剂蚀刻金属表面后，光学相机测量的反射光强度被输入到特殊的图像分析算法中，从而推断出构成材料的晶粒的底层晶体取向。然后利用这些信息重建金属部件的微观结构。
Seita 博士团队发表的新研究最令人印象深刻的特点是，DRM 可以直接从真人大小的金属部件复杂、非平坦的表面提供微观结构信息。
“这是无损分析领域的一次重大变革，”Seita 博士说道。“无需将金属部件解剖成小而扁平的样本，以便放入电子显微镜中。材料的微观结构可以直接成像到金属部件的曲面上。”
为了开发此功能，研究团队（部分来自剑桥，部分来自新加坡）研究了一种方法，将底层微结构产生的光信号与金属部件非平坦表面产生的光信号“分离”。由于金属部件的局部几何形状可能无法预先知道，研究团队使用实验和模拟相结合的方式，基于局部表面倾斜进行了严格的误差分析，并提出了解决方案。
Seita 博士表示：“我们相信，将 DRM 融入数字化制造模式可以创建更具响应性和弹性的生产系统。作为符合互联智能工厂愿景的工具，DRM 代表着朝着实现工业 4.0 高效、高质量和可持续制造的承诺迈出了重要一步。”
“事实上，能够直接测量金属部件的微观结构，而不是依赖估算，可能为放宽部件性能和寿命预测的安全因素提供机会。这些好处意味着生产的金属部件使用寿命更长，从而更高效、更可持续地利用资源。”