海绵钛原料三维复合筛选方法、介质及设备

本发明涉及海绵钛筛选，尤其涉及一种海绵钛原料三维复合筛选方法、介质及设备。

背景技术：

1、高性能钛合金（如高损伤容限型tc4-dt及高强高韧型tc18钛合金）作为现代航空航天领域的核心结构件材料（如飞机大梁、起落架、关键接头等），其服役环境极其恶劣，通常需要承受极高的交变载荷与复杂的应力状态。因此，这类特种钛合金对高规格铸锭的内部质量有着近乎苛刻的要求，核心指标主要集中在三个方面：

2、1)化学成分的均匀性：合金元素（如主元素al，重元素mo、v、cr以及杂质元素fe）在铸锭中不能出现宏观偏析或局部富集，否则会导致局部力学性能严重退化，影响后续热加工过程中的β转变温度精准控制。

3、2)合金铸锭间隙元素与微区杂质的精细化控制：实现对海绵钛原料中关键间隙杂质元素（特别是c、o、n等）及宏观夹杂在原料准入阶段的精细化拦截与低限控制。避免因原料局域微区中的间隙元素超标或波动，导致铸态重熔结晶后铸锭内部产生显微疏松、局部气孔或成分局域偏析缺陷，从源头上阻断上述铸态缺陷演变为疲劳裂纹萌生源的冶金学倾向。

4、3)低倍组织的细化与均匀性：铸锭纵剖面中的中心等轴晶区范围应尽可能宽大、晶粒尺寸分布均匀，必须严格抑制结晶过程中的局部晶粒异常长大，以防异常粗大的晶粒组织影响最终的锻件。

5、工业上生产这类高性能钛合金铸锭主要依赖真空自耗电弧熔炼（vacuum arcremelting，var）工艺，通常需要经历多次var熔炼来保证质量。然而，冶金界与航空制造界长期的工程实践表明：即便var熔炼的电流、电压、真空度及磁搅拌等工艺参数控制得完全一致，采用不同批次、但在宏观上满足国家标准的海绵钛原料，最终熔炼出的钛合金铸锭质量仍会发生显著的波动。这意味着，决定高均质钛合金铸锭质量的源头控制，已经前移到了海绵钛原料的深层次微观结构与局部特性上。

6、目前海绵钛原料主要依据gb/t 2524-2019规定进行质量评价，其评价指标主要包括化学成分、粒度组成、布氏硬度及外观质量等。其中，化学成分检测能够反映海绵钛中fe、si、cl、c、n、o等杂质元素含量水平；布氏硬度则可在一定程度上综合反映海绵钛的纯净度及间隙元素含量水平。

7、然而，上述评价体系主要基于海绵钛的宏观质量指标建立，对于海绵钛内部微观孔隙结构特征缺乏有效表征手段。因此，即使不同批次海绵钛均满足gb/t 2524-2019规定的技术要求，在后续真空自耗电弧熔炼（var）过程中，仍可能表现出不同的熔炼行为和铸锭质量水平。

8、海绵钛内部孔隙结构不仅影响残余气体和挥发性杂质的迁移与释放过程，而且会影响熔炼过程中气体逸出效率及熔池稳定性。当孔隙网络连通性较差时，部分残余气体可能难以及时排出，从而增加铸锭内部形成气孔和疏松缺陷的风险。

9、此外，氧、碳等间隙元素含量及其局部波动还可能影响熔池内表面张力梯度及流场特征，从而影响熔池内溶质元素的输运与混合行为。当海绵钛内部组织和成分分布不均匀时，可能进一步增加合金元素偏析风险，降低铸锭组织均匀性。

10、因此，现有海绵钛评价体系虽然能够满足常规质量控制需求，但尚未建立海绵钛三维孔隙结构特征与后续钛合金熔炼质量之间的关联评价机制，难以实现对高均质钛合金熔炼原料质量的精准筛选。

11、基于此，有必要建立一种兼顾海绵钛三维孔隙结构特征、间隙元素含量及宏观硬度指标的复合评价方法，以提高高性能钛合金熔炼原料的筛选精度，并进一步提升钛合金铸锭的组织均匀性和综合性能。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种海绵钛原料三维复合筛选方法、介质及设备，旨在解决现有海绵钛评价指标单一、无法精准指导高性能钛合金熔炼的缺陷的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提出的海绵钛原料三维复合筛选方法，包括如下步骤：

3、s1、样品制备，对样品进行扫描得到投影数据，对采集的投影数据进行三维数字化重构，得到多个互不重叠的分析微区，对分析微区的开孔率和平均闭孔径进行计算；

4、s2、对样品中的氧元素和碳元素含量进行测定，得到氧元素质量分数和碳元素质量分数；对样品进行布氏硬度测试，并计算得到布氏硬度值；

5、s3、将s1得到的开孔率和平均闭孔径和s2得到的氧元素质量分数、碳元素质量分数和布氏硬度值与预设准入阈值进行比较，达到与预设准入阈值的样品则符合样品筛选要求。

6、本发明的海绵钛原料三维复合筛选方法的进一步改进在于，在样品制备时，按照规范的规定完成海绵钛的法定取样与四分法缩分，获得二次试样，采用多点随机抽样法，从二次试样的不同空间位置处分别抽取个独立的海绵钛颗粒，利用电火花线切割技术，从每个海绵钛颗粒的中心部位加工出一块尺寸为4mm×4mm×4mm的立方体试样，分别进行独立编号。

7、本发明的海绵钛原料三维复合筛选方法的进一步改进在于，在对采集的投影数据进行三维数字化重构时，利用蜻蜓优化算法软件的重构模块对采集的投影数据进行三维数字化重构，在每个试样重构体的中心无边缘效应区域内，采用空间网格等距划分法分别提取个互不重叠的分析微区，每个区域的空间尺寸设定为200μm×200μm×200μm。

8、本发明的海绵钛原料三维复合筛选方法的进一步改进在于，在对分析微区的开孔率和平均闭孔径进行计算前，进行孔隙二值化分割，具体是：利用最大类间方差法或经过人工标记训练的深度学习卷积神经网络分割算法，对重构图像的灰度直方图进行非线性映射与阈值界定，将全域体素划分为“钛金属骨架”与“孔隙空间”两类，令单个分析微区内的总像素体积为。

9、本发明的海绵钛原料三维复合筛选方法的进一步改进在于，对分析微区的开孔率进行计算时，以所提取分析微区的六个三维空间外边界平面为基准，通过蜻蜓优化算法执行三维孔洞填充与边界追踪程序，蜻蜓优化算法从分析微区外部边界开始进行体素泛洪填充：所有与外部边界平面直接相通、被外部流体单元接触到的孔隙体素集合，判定为开孔隙，统计其体素积分总体积，记为开孔隙总体积；所有完全被钛金属骨架包围、不与roi任意边界相连通且外部流体单元无法渗透的孤立空心体素集合，判定为闭孔隙；

10、根据数格子原理，开孔率的数值计算公式如下：

11、。

12、本发明的海绵钛原料三维复合筛选方法的进一步改进在于，对分析微区的平均闭孔径进行计算时，针对识别出的闭孔隙空间，采用3d连通域标记算法将空间上连续接触的空心体素组合成一个个独立的闭孔域，设单个roi内共识别出个独立的闭孔隙，第个闭孔隙的体素统计体积记为。

13、采用等效球体法计算每一个独立的闭孔隙的等效孔径，即假定该闭孔隙为体积相同的规则球体，其等效直径的数值计算公式为：

14、；

15、在获取该分析微区内全部个独立闭孔隙的等效孔径后，对其进行算术平均，获得该区域的平均闭孔径，数值计算公式如下：

16、。

17、本发明的海绵钛原料三维复合筛选方法的进一步改进在于，在对分析微区的开孔率和平均闭孔径进行计算后，进行级联复合抽样的数据均值化处理，具体是：设共测定了个平行颗粒试样，每个试样提取了个分析微区，对于第个颗粒试样的第个分析微区，其通过蜻蜓优化算法算得的开孔率为，独立闭孔径平均值为，本批次海绵钛原料的最终综合开孔率与最终综合平均闭孔径采用双重统计平均算法进行最终确证，公式如下：

18、；

19、；

20、最终输出的和作为该批次海绵钛原料孔隙结构的量化评定指标。

21、本发明的海绵钛原料三维复合筛选方法的进一步改进在于，预设准入阈值包括开孔率≥35%；平均闭孔径≥8.0μm；氧元素质量分数≤0.035%；碳元素质量分数≤0.008%；布氏硬度≤90。

22、另外，本发明还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序适用于由处理器加载并执行如上所述的海绵钛原料三维复合筛选方法。

23、另外，本发明还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，运行如上所述的海绵钛原料三维复合筛选方法。

24、本发明的技术方案，具有以下有益效果：

25、本发明所提供的海绵钛原料三维复合筛选方法，在保留化学成分和布氏硬度等传统评价指标的基础上，首次引入海绵钛三维孔隙结构特征作为评价依据，建立了开孔率（）、平均闭孔径（）、氧含量（o）、碳含量（c）和布氏硬度（hb）五参数复合筛选体系，实现了海绵钛原料质量的多维度评价。

26、现有技术主要依据化学成分、粒度和硬度等宏观指标进行海绵钛分级，难以反映海绵钛内部孔隙网络结构对熔炼排气行为和熔池均匀化过程的影响。本发明利用micro-ct技术对海绵钛内部三维孔隙结构进行定量表征，将原本无法检测和评价的微观孔隙结构参数纳入筛选体系，从而实现对海绵钛熔炼适用性的精准评价。

27、采用本发明筛选后的海绵钛原料进行钛合金熔炼时，有利于提高残余气体排出效率，降低气孔和疏松缺陷形成倾向，提高熔池内元素传输与混合均匀性，降低宏观偏析风险。同时有利于获得更加均匀的凝固组织和更细小的铸态晶粒，提高钛合金铸锭的组织均匀性和质量稳定性。