粉末注射及压制生坯的工业CT图像的特征分析

发布时间：2017-10-25 11:10

  本文关键词：粉末注射及压制生坯的工业CT图像的特征分析

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【摘要】：因具有能无损地对材料内部结构进行三维空间成像,检测样品不需要任何加工等等的优势,工业CT系统已经越来越多地应用到材料科学的研究领域中来。压制成形和粉末注射成形是粉末冶金领域两个重要的粉末成形工艺。对这两项工艺所获得的生坯,利用传统的材料观察手段如扫描电镜和光学显微镜等对它们的表征往往是不合适的。所以将工业CT应用到这两项工艺的研究中来,对于描述和分析这两项工艺具有重大的意义。 工业CT系统检测样品输出最主要的数据就是投影图像和二维重建图像。所以首先需要建立一套合适的图像处理方法来对获取的图像进行处理,从而能更加精确和方便地对材料的内部结构进行分析。本课题的图像处理程序主要是在Matlab七编写,其中主要有自适应中值滤波来进行图像的滤波去噪,利用'unsharp'和小波变换的方法来对图像细节进行增强处理,基于图像形态学开运算方法来均匀图像以及迭代的阈值分割方法。利用图像形态学的开运算,本文将不易于在不锈钢生坯中观察的缺陷进行了提取。将经过图像处理后的二维重建图像在Amira中进行三维重建,最终可以获得材料内部结构的三维图像。利用图像处理方法我们对铝粉压制生坯的整体及局部的相对密度进行了计算。将得到的结果与阿基米德排水法和金相照片所计算的数据进行了比较,结果发现本文所采用的图像处理方法的准确性还是很高的。 注射生坯中缺陷的产生与其生产工艺参数息息相关。本文对在不同的注射条件下(包括注射温度,注射速率以及注射压力)获得的6061铝合金生坯进行了工业CT扫描。基于得到的扫描结果,对注射生坯中不同种类的缺陷进行了观察并结合相应的注射参数分析了这些缺陷产生的原因。实验发现在注射温度较低以及有喷射现象出现时所获得生坯中的缺陷较为严重。通过对完好样品和有缺陷样品的灰度分布进行比较和分析,可以得到一个评价生坯检测的标准。为验证所得工业CT对注射生坯检测的有效性,本文对不锈钢注射的参数进行了优化。 粉末与粘结剂分离现象是在注射成形工艺过程中不可避免会出现的。以前对该现象的观察缺乏非常有效的方法,定量分析更是难以进行。本文利用工业CT图像灰度与物体实际密度确定出了它们两者之间所存在的直线关系并得到了相应的直线方程。将工业CT得到的生坯内部的灰度分布代入到直线方程中,可以得到相应的密度分布,并最终通过生坯密度与SiC颗粒和粘结剂密度的关系可以得出生坯中的粉末含量分布。而得到的粉末含量分布就是粉末与粘结剂分离最为直接的体现。本实验对3个初始装载量的SiC生坯中的粉末与粘结剂分离现象进行了分析。从分析结果可以看到初始装载量不同,粉末与粘结剂在喂料充模过程中的分离是不一样的,但是粘结剂富集区域主要集中在模壁和浇口附近。为研究模具形状的影响,L形SiC注射生坯的粉末含量分布与注射参数相同的矩形生坯的进行了对比。另外,分析了注射参数(注射温度、速率和压力)对L形生坯中粉末含量分布的影响。 压制生坯中的密度分布一直是压制成形工艺研究的重要问题。通过确定压制生坯密度与工业CT图像灰度的直线关系,本文研究了6061铝合金生坯中的密度分布。然后根据获得的压制生坯密度分布,本文改进了Heckel经验公式。利用该公式研究分析了生坯中的压力分布,并且对压制过程中的重要参数例如压力透过比以及摩擦指数都进行了计算。利用得到的图像处理方法,将阈值分割后的压制生坯的二维重建图像进行了三维重建。在Amira软件的帮助下,对生坯中的单个孔隙的空间形貌(包括体积大小,球形度以及空间取向)进行了分析和统计。研究发现随着压制压力的增大,生坯中的孔隙是逐渐增多的,而且孔隙的形状趋向变成扁平状。
【关键词】：工业CT 粉末注射成形 压制成形 粉末-粘结剂分离 密度分布
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 1. 引言13-14
• 2. 课题研究目的及意义14-16
• 3. 文献综述16-35
• 3.1 工业CT的发展过程16-18
• 3.2 工业CT的组成及重建的基本原理18-21
• 3.2.1 工业CT的基本组成18-20
• 3.2.2 工业CT重建基本原理20-21
• 3.3 工业CT的技术指标21-26
• 3.4 工业CT在材料科学领域的研究进展26-28
• 3.4.1 工业CT对材料内部缺陷的观察和表征26-27
• 3.4.2 工业CT对材料内部结构随实验条件变化的在线检测27
• 3.4.3 利用工业CT对材料内部结构与其性能关系的确定27-28
• 3.5 压制及注射工艺的研究进展28-35
• 3.5.1 压制工艺的研究进展28-31
• 3.5.2 注射工艺的研究进展31-35
• 4. 研究内容及解决方案35-37
• 4.1 研究内容35-36
• 4.2 实验方案36-37
• 5. 图像处理37-56
• 5.1 图像去噪37-41
• 5.1.1 中值滤波37-39
• 5.1.2 自适应中值滤波39-41
• 5.2 图像增强41-42
• 5.3 阈值分割42-43
• 5.4 图像形态学处理43-46
• 5.5 三维重建46-47
• 5.6 工业CT参数选择及图像处理结果的验证47-55
• 5.6.1 工业CT参数确定47-48
• 5.6.2 工业CT图像处理结果的实验验证48-55
• 5.6.2.1 压制生坯密度及相对密度的计算48-51
• 5.6.2.2 注射生坯中缺陷的提取51-55
• 5.7 本章小结55-56
• 6. 注射生坯的缺陷检测56-73
• 6.1 检测样品制备和工业CT扫描57-58
• 6.1.1 样品制备57-58
• 6.1.2 工业CT扫描58
• 6.2 铝合金注射的缺陷检测及工艺参数优化58-63
• 6.3 不同注射参数情况下缺陷的形成分析63-65
• 6.3.1 低注射温度引起的缺陷63-64
• 6.3.2 低注射压强和速率引起的缺陷64
• 6.3.3 喷射现象引起的缺陷64-65
• 6.4 6061铝合金注射的评价65-69
• 6.5 316 L不锈钢注射的优化和评价69-71
• 6.5.1 注射参数优化69-70
• 6.5.2 316 L不锈钢注射的评价70-71
• 6.6 本章小结71-73
• 7. 注射生坯中粉末与粘结剂分离的研究73-92
• 7.1 矩形模具中粉末与粘结剂的分离73-82
• 7.1.1 密度与灰度关系的确立73-74
• 7.1.2 样品的制备以及CT扫描74-75
• 7.1.3 计算生坯的密度75-76
• 7.1.4 注射生坯中的粉末含量分布76-82
• 7.1.4.1 垂直方向的粉末装载量分布77-80
• 7.1.4.2 水平方向的粉末装载量分布80-82
• 7.2 L形模具中粉末与粘结剂的分离82-90
• 7.2.1 密度与图像灰度关系的确定82-83
• 7.2.2 样品制备及工业CT扫描83-85
• 7.2.3 L形模具中的粉末含量分布85-88
• 7.2.4 注射温度、速率和压力对粉末-粘结剂分离的影响88-90
• 7.2.4.1 注射速率89
• 7.2.4.2 注射温度89-90
• 7.2.4.3 注射压力90
• 7.3 本章小结90-92
• 8. 压制生坯中相对密度及孔隙的研究92-106
• 8.1 样品制备和工业CT扫描92-93
• 8.2 密度和图像灰度的关系93-95
• 8.3 压制生坯中的密度分布95-96
• 8.4 压制生坯中的压力分布96-98
• 8.5 计算摩擦指数和摩擦力98-100
• 8.5.1 摩擦指数98-100
• 8.5.2 摩擦力100
• 8.6 孔隙的形貌分析100-105
• 8.6.1 孔隙数量和大小101-102
• 8.6.2 孔隙形状和取向102-105
• 8.7 本章小结105-106
• 9. 结论和展望106-109
• 9.1 结论106-108
• 9.2 展望108-109
• 主要创新点109-110
• 参考文献110-121
• 作者简历及在学研究成果121-125
• 学位论文数据集125

【参考文献】

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本文编号：1093437