위상차 단층 촬영 시뮬레이션을 통한 알루미늄 합금의 내부 피로 균열 특성 분석

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 5981(2022) 이 기사 인용

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이 기사에 대한 저자 수정 사항은 2023년 1월 18일에 게시되었습니다.

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싱크로트론 방사선 컴퓨터 단층촬영(SRCT)은 위상차의 존재로 인해 실험실 CT보다 금속의 피로 균열을 더 잘 감지할 수 있습니다. 그러나 프레넬 회절에 의해 생성된 물체 가장자리의 줄무늬가 재구성된 이미지에 존재하기 때문에 균열을 정량적으로 식별하고 분석하기가 어렵습니다. 다양한 크기와 모양의 균열을 포함하는 위상차 싱크로트론 단층 촬영 이미지의 시뮬레이션은 GATE 소프트웨어를 사용하여 얻습니다. 시뮬레이션 결과를 분석해 보면, 먼저 SRCT 이미지에서 대비가 강한 밝은 부분이 줄무늬 아티팩트임을 확인했습니다. 둘째, SRCT 이미지의 균열 내의 그레이 스케일 값이 균열 크기와 관련이 있음을 발견했습니다. 이러한 시뮬레이션 결과는 주조 Al 합금의 내부 피로 균열에 대한 SRCT 이미지를 분석하는 데 사용되어 손상을 보다 명확하게 시각화합니다.

컴퓨터 단층촬영(CT)은 불투명한 재료의 내부 특징(균열, 결함, 함유물 등)을 관찰하기 위한 효율적인 비파괴 검사 기술입니다. 금속 내부 손상을 특성화하기 위해 감쇠 CT와 위상차 CT라는 두 가지 주요 단층 촬영 모드가 널리 사용됩니다. 표준 산업 소스의 경우 일반적으로 초점 크기가 너무 크고 X선 에너지 스펙트럼이 너무 넓어 X선 간섭 효과를 볼 수 없으므로 감쇠 CT만 가능합니다. 반면, 나노초점 실험실 소스 또는 싱크로트론 방사선 시설을 사용하면 X선 빔이 훨씬 더 일관성이 있어 검출기가 X선의 위상 변화 정보를 더 효과적으로 기록할 수 있으며 기본적으로 위상차를 관찰할 수 있습니다. 금속의 피로 균열 전파 연구를 위해 X선의 프레넬 회절을 활용하여 물체 내의 가장자리와 경계의 가시성을 향상시킵니다1. 위상차 CT의 가장 일반적인 유형은 전파 기반, 분석기 기반 또는 격자 기반입니다2. 균열 끝에서 금속의 피로 균열이 열리는 부분은 마이크로미터 범위에 있으므로 대비가 매우 낮으므로 SRCT(Synchrontron Radiation Computed Tomography)는 위상 대비 덕분에 하위 복셀 특징을 관찰하는 데 중요합니다3.

그러나 재구성된 이미지의 회색조 값이 재료의 선형 감쇠 계수에 비례하는 표준 감쇠 단층 촬영과 비교할 때 위상차 단층 촬영은 이미지 복잡성을 증가시킵니다. 위상 대비는 일반적으로 물체의 가장자리에 줄무늬를 생성합니다. 재구성된 이미지3,4에서; 또한, 줄무늬 아티팩트가 생성됩니다5. 이러한 복잡성으로 인해 재구성된 이미지의 균열을 정확하게 식별하고 이를 정량적으로 분석하는 것이 어렵습니다6. 일부 재구성 방법은 단일 거리 위상차 단층 촬영에서 위상 검색을 가능하게 합니다: Paganin 방법7 또는 Moosmann 방법8(해당 논문의 1\(^{st}\) 저자 이름을 따서 명명). 단일 거리 전파 기반 위상차 단층 촬영은 현장 실험9 동안 시간을 ​​절약하기 위해 널리 선호됩니다. 그러나 금속의 피로 균열에 대한 SRCT 재구성의 경우 Paganin 방법을 사용하면 균열 가장자리가 흐려집니다. 한편, Moosmann 방법은 모든 빔라인에서 쉽게 얻을 수 없는 긴 물체-검출기 거리(일반적으로 금속의 경우 수 미터)가 필요합니다. 따라서 지금까지 발표된 3D 균열 이미지를 보고하는 연구에서는 위상 검색이 없는 고전적인 FBP(Filtered Back Projection) 재구성 방법이 예를 들어 Al 합금10,11에서 사용됩니다. Ti 합금12,13; 주철14; Mg 합금15. 본 논문의 시뮬레이션 이미지는 FBP 방법을 사용하여 획득되었습니다.

그림 1은 주조 알루미늄 합금 샘플 내부의 내부 피로 균열에 대한 일반적인 재구성 이미지를 보여줍니다. 이 이미지는 29keV의 에너지, 15cm의 샘플-검출기 거리 및 1.3\(\upmu\)m의 복셀 크기로 SOLEIL(PSICHE 빔라인)에서 얻은 것입니다. 내부 피로 균열은 주변 공기와 접촉하지 않고 자라기 때문에 균열 표면은 인장/시료 축에 대해 종종 기울어지는 결정학적 미끄럼 평면(특정 경우 \(\{1 1 1\}\))에 해당합니다16,17 . 이 이미지의 어두운 특징은 감쇠가 거의 0인 복셀, 즉 균열에 해당합니다. 그러나 대비가 강한 많은 밝은 특징도 슬라이스에 흰색 선으로 나타납니다. 수직 슬라이스(회전/인장 축은 모두 수직임)에서 흰색 선은 균열에 속하는 복셀에 해당하는 어두운 선과 평행합니다(그림 1a). 수평 슬라이스에서는 흰색 선이 어두운 선의 끝에 나타나는 경향이 있습니다(그림 1b). 이러한 흰색 특징을 명확하게 해석하는 것은 어렵습니다. 작은 개구부가 있는 평평한 내부 균열일 수도 있지만 줄무늬 인공물일 수도 있습니다. 균열에 해당하는 경우 균열이 언제 어둡게 나타나고 언제 밝게 나타나는지 판단하는 기준이 분명히 필요합니다. 인공물이라면 균열과 어떤 관련이 있는지 알아야합니다. 이러한 문제를 해결하려면 먼저 시뮬레이션 접근 방식이 필요합니다.