增材制造零件表面粗糙度测量：台阶仪 vs. 白光干涉仪 vs. 显微镜 vs. XCT

增材制造，尤其是激光粉末床熔融，让复杂零件的制造有了新办法，但"逐层累加"的工艺也带来了特有的粗糙表面。这种表面带有部分熔融颗粒、球化效应等特征，正是疲劳裂纹容易萌生的地方。要准确评估零件性能，表面形貌的可靠表征是绕不开的一环。现有的多种测量技术（接触式与光学）测同一块增材制造表面，结果常常对不上，这成了该领域的一大难点。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本研究针对Ti-6Al-4V合金的激光粉末床熔融试样，对比了四种非破坏性测量技术：接触式台阶仪、白光干涉仪、聚焦变倍显微镜和X射线计算机断层扫描。通过定性和定量分析，看各技术捕获不同表面特征（尤其是深谷、尖峰和隐藏结构）时到底差在哪里，并讨论各自的适用场景和效能，给实际选型提供参考。

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实验方法

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(a) Ti-6Al-4V试样几何形状及感兴趣区域标注(b)试样在建造平台上的位置示意图

试样材料为Ti-6Al-4V合金，用激光粉末床熔融系统制备。试样设计成圆柱与棱柱组合体，测量在圆柱段（直径5mm）进行：该表面平行于建造方向，能反映增材制造逐层堆积的特征结构。为获得不同粗糙度水平的表面，采用了多组工艺参数。测量区域统一选在试样的"北向"侧面。

使用(a)探针式台阶仪(b)光学轮廓仪（白光干涉仪和聚焦变倍显微镜）和(c)X射线计算机断层扫描进行表面数据采集的技术原理图

四种测量仪器的关键参数如下：探针式台阶仪探针半径2µm，垂直分辨率1nm；白光干涉仪垂直分辨率100nm；聚焦变倍显微镜垂直分辨率约100nm，采用300X–500X放大倍数；XCT体素大小在0.9–3µm之间。为保证数据可比，所有测量都定位在试样的同一物理区域。数据处理上，所有面数据都经过S-滤波器去噪和F-算子去除形状（如圆柱曲率），比较时采用统一的滤波参数（3.5µm）。轮廓数据则用一阶或二阶多项式做倾斜校正。

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扫描参数与放大倍率的影响

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使用探针式台阶仪方法捕获的线的分段轮廓分析及其各分段间的算术平均高度变异性

对于轮廓测量，台阶仪在3mm扫描长度内，分段平均粗糙度差异明显（8.79–20.60µm），说明单条短程线扫描的代表性有限。

确定每个试样的最佳扫描次数

面测量技术（白光干涉仪/聚焦变倍显微镜）的扫描尺寸从0.05mm增至2.5mm时，由于纳入更多低频波纹，测得的Sa值随之增大。

(a)平均粗糙度参数随L参数的增加而增加，当所有波纹度分量被去除后趋于稳定(b)在固定的L-滤波器嵌套指数下，Sa随扫描尺寸的变化

施加L-滤波器去除波纹度后，Sa值趋于稳定，1.0mm的扫描尺寸在信息量和效率之间是个不错的折中。

对5种数据密度变化进行了探针式台阶仪线扫描重复

不同放大倍数和数据点数对表面纹理参数的影响

放大倍率对白光干涉仪捕获极端谷深有影响。5X物镜（数值孔径更高）测得的Sv值（约94.59µm）大于20X物镜（约76.95µm），说明高数值孔径物镜更能接收到来自深谷的反射光。聚焦变倍显微镜那边，放大倍率变化对纹理参数影响不大。

XCT体素大小比较及其对纹理参数的影响

XCT扫描中，3µm体素尺寸与1µm体素所得Sa和Sv值差异仅约3%–5%：只关注高度参数的话，较大体素也能接受，只是细节可见度会差一些。

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特征捕获能力的定性比较

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使用所有四种设备测量的同一区域的定性对齐形貌及该特定轮廓的表面纹理参数

通过图像配准，四种技术对同一区域的测量结果可以直接对比。台阶仪、白光干涉仪、聚焦变倍显微镜和XCT捕获的轮廓在宏观峰谷上一致。但极值捕获上差别不小：XCT测得的Sv值最大，能清晰分辨出被顶部凸起遮住的"隐藏谷底"。白光干涉仪受光学反射原理限制，难以探到这类盲区，但捕获尖锐凹口的能力强于聚焦变倍显微镜。台阶仪靠线扫描，覆盖范围有限，碰到最大峰或最深谷的概率最低。

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纹理参数的定量分析与效能评估

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使用探针式台阶仪、白光干涉仪、聚焦变倍显微镜和XCT方法（所有试样）捕获的表面形貌参数的定量比较

对所有试样的统计显示，面测量技术（白光干涉仪/聚焦变倍显微镜/XCT）得到的平均幅度参数（Sa、Sq）通常高于台阶仪线扫描，面测量覆盖面积更大，特征分布也更完整。偏度（Ssk）和陡度（Sku）在各技术间一致性较好（Ssk: 0–1，Sku: 2.5–4.5），说明表面高度分布尖锐、峰偏多。

效能方面，聚焦变倍显微镜数据采集速度最快，白光干涉仪和聚焦变倍显微镜重复性都不错，台阶仪垂直分辨率最高但重复性受机械接触影响。XCT成本最高（设备百万美元级）、耗时最长（扫描加处理），但它能提供次表面和隐藏特征信息，这一点别的技术替代不了。数据采集速率高不等于方法更好，最终怎么选，还得看应用需求，是关注平均粗糙度，还是极端谷底。

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挑战与参数选择的复杂性

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显示使用XCT方法的投影数据进行体积数据处理的流程图

这项研究也暴露出几个问题。

单一的幅度参数（如Sa）不足以全面表征增材制造这类复杂表面，针对疲劳、磨损等特定性能，可能要结合空间参数或混合参数。

光学和接触式方法够不到隐藏谷底，而那里恰恰是应力集中、裂纹容易萌生的高风险区。

后处理中滤波器（S、L）和形状去除（F-算子）的选择对结果影响很大，设置不当会抑制关键特征，所以分析时参数怎么设的必须交代清楚、慎重选择。

台阶仪快速评估平均表面粗糙度是可靠的，但会低估对疲劳影响很大的极端谷深。光学方法（白光干涉仪/聚焦变倍显微镜）更适合大面积、高效率的常规形貌检测，其中白光干涉仪探测深谷的能力更强。XCT是唯一能给出次表面和隐藏特征信息的技术，但成本高、测量周期长，常规使用受限。没有一种技术能包打天下，怎么选最佳方案，要看具体应用对速度、精度、特征捕获深度和成本的要求，也得看数据处理做得是否得当。

Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪

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Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量 

Flexfilm费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

原文参考：《A comparative analysis of non-destructive surface topography measurement techniques for additively manufactured metal parts》

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