工業(yè) CT 在航空工業(yè)的應(yīng)用

　　摘要: 隨著飛機(jī)新型號(hào)的不斷推出，航空工業(yè)對(duì)于產(chǎn)品的尺寸測(cè)量、缺陷檢測(cè)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化等檢測(cè)需求日益增多，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)已無(wú)法滿足這些高精度、高質(zhì)量的需求。闡述了工業(yè) CT 的原理、檢測(cè)能力、影響檢測(cè)能力的因素和工業(yè) CT 的局限性與挑戰(zhàn)。隨后介紹了工業(yè) CT 在增材制造、復(fù)合材料、飛機(jī)維修和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等方面的應(yīng)用，簡(jiǎn)述了工業(yè) CT 在尺寸形態(tài)、孔隙測(cè)量、逆向設(shè)計(jì)、三維缺陷、故障檢測(cè)與診斷和壁厚測(cè)量等方面的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用現(xiàn)狀。工業(yè) CT 能很好地解決目前航空工業(yè)中的檢測(cè)難題，具有不受產(chǎn)品材料和形狀限制的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞: 無(wú)損檢測(cè); 工業(yè) CT; 尺寸測(cè)量; 缺陷分析; 逆向工程; 三維成像

　　在航空工業(yè)體系中，無(wú)損 檢 測(cè)( Non-DestructiveTesting，NDT) 技術(shù)在航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和服役過(guò)程中貫穿始終且無(wú)可替代[1]，NDT 技術(shù)作為產(chǎn)品質(zhì)量保障和例行檢測(cè)手段，在航空工業(yè)中無(wú)處不在，以檢出全生命周期中可能存在的結(jié)構(gòu)損傷或潛在的質(zhì)量問(wèn)題。隨著新型材料的出現(xiàn)，如增材制造、先進(jìn)復(fù)合材料、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等，并且部分復(fù)雜儀器內(nèi)部缺陷、尺寸，甚至裝配情況需要在維修時(shí)原位狀態(tài)下檢測(cè)[2]。增材制造( Additive Manufacturing，AM) ，或稱(chēng) 3D 打印，是一種以計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，使用粉末狀可黏合材料，通過(guò)將材料逐層堆積的方式來(lái)將物體成型的技術(shù)。如何快速、高精度并準(zhǔn)確地檢測(cè) AM 內(nèi)部的尺寸分布、缺陷種類(lèi)、形狀和分布規(guī)律成為限制該技術(shù)走向大眾應(yīng)用的關(guān)鍵難題。通過(guò)前沿的材料成型技術(shù)把不同的材料組合形成的高性能材料稱(chēng)為復(fù)合材料。

　　高的比剛度、比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性和耐疲勞性讓復(fù)合材料在航空領(lǐng)域中應(yīng)用不斷增加。對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，最直觀的方式是射線檢測(cè)，特別是工業(yè) CT( Computed Tomography，電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)檢測(cè)。航空維修是指對(duì)飛機(jī)上的技術(shù)裝備進(jìn)行的維護(hù)和修理，確保飛機(jī)的安全。隨著飛機(jī)視情維修方式的不斷發(fā)展和推廣應(yīng)用，對(duì)飛機(jī)機(jī)件故障的無(wú)損檢測(cè)要求越來(lái)越高。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜、工作溫度高、工作環(huán)境惡劣。渦流、滲透和 X 射線照相等以往的檢測(cè)方法已不足以滿足研制葉片時(shí)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可溯源性的急切需求。近年來(lái)，工業(yè) CT 技術(shù)憑借其不受試件形狀和材料限制的先天優(yōu)勢(shì)，可有效滿足 AM、復(fù)合材料、航空維修和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等領(lǐng)域中高質(zhì)量、高精度的檢測(cè)需求。工業(yè) CT 在國(guó)際上被業(yè)界評(píng)價(jià)為最佳的 NDT 手段，號(hào)稱(chēng)“工業(yè)神醫(yī)”[3]，并能較好地解決航空工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)難題。

　　1 工業(yè) CT 的基本特點(diǎn)

　　1. 1 工業(yè) CT 概述CT 技術(shù)是根據(jù)某種物理量( 如波速、X 線光強(qiáng)、電子束強(qiáng)等) 穿透物體后得到的投影數(shù)據(jù)，由相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理，將物體特定層面上的二維圖像進(jìn)行重建，并依據(jù)重建后的二維圖像構(gòu)成三維圖像的技術(shù)[4]。待測(cè)材料的輻射密度在 CT 圖像中的灰度值中反映出來(lái)，以此發(fā)現(xiàn)待測(cè)物內(nèi)部輻射密度的細(xì)微變化[5]。下面將以工作中最常用的射線工業(yè) CT 為例，介紹其原理、組成和應(yīng)用。

　　1. 2 工業(yè) CT 的組成工業(yè)射線 CT 系統(tǒng)主要包括射線源、機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、探測(cè)器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)( 硬件和軟件) 等部件。在工業(yè) CT 系統(tǒng)中由射線源提供射線以穿透試件，射線穿過(guò)物體不同的結(jié)構(gòu)和位置時(shí)信號(hào)衰減情況不同，并得到對(duì)應(yīng)位置的灰度值。射線信號(hào)穿透試件后由探測(cè)器接收，經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，待測(cè)物材料內(nèi)各點(diǎn)的衰減系數(shù)由計(jì)算機(jī)以特定的算法重建成 CT 圖像[7]。

　　1. 3 檢測(cè)能力及其影響因素

　　1. 3. 1 響工業(yè) CT 系統(tǒng)的檢測(cè)能力每一臺(tái) CT 設(shè)備都有其特定的檢測(cè)能力，在進(jìn)行CT 數(shù)據(jù)采集之前，應(yīng)充分地了解所使用的 CT 檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力，其主要包括: 密度分辨率、空間分辨率、掃描速度、測(cè)量范圍、最大可穿透厚度、針對(duì)不同材料的掃描能力、準(zhǔn)確度和軟件的能力等[8]。

　　1. 3. 2 影響工業(yè) CT 檢測(cè)的因素根據(jù)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn) VDI/VDE 2630-part1. 2 總結(jié)的結(jié)論，影響工業(yè) CT 檢測(cè)的因素可以分為5 類(lèi): 人、機(jī)、料、法、環(huán)。

　　1. 4 工業(yè) CT 的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)CT 技術(shù)在不分解和不破壞產(chǎn)品狀態(tài)下，能清晰、直觀、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)被檢測(cè)物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成成分、幾何尺寸、密度變化以及缺陷的性質(zhì)、位置和大小，得到相對(duì)應(yīng)的二維圖像，經(jīng)由特定的算法得到被測(cè)工件的三維立體圖，信息疊加可忽略不計(jì)。其檢測(cè)圖像由帶有體素尺寸的灰度值呈現(xiàn)，且數(shù)字化結(jié)果便于儲(chǔ)存、傳輸、處理和分析等[10]。在合適的條件下，其具有穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)范圍和可靠性、高密度分辨率和高空間分辨率。即使技術(shù)上工業(yè) CT 有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性，以下因素卻一直在制約著這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。① 設(shè)備昂貴，動(dòng)輒數(shù)百萬(wàn)級(jí);② 檢測(cè)效率低，相比于射線或超聲檢測(cè)，單次 CT檢測(cè)要花費(fèi)數(shù)倍的時(shí)間;③ 使用門(mén)檻高，數(shù)據(jù)采集和處理的復(fù)雜操作與參數(shù)選擇使得用戶(hù)友好性較低;④ 應(yīng)用范圍窄，設(shè)備專(zhuān)用性較強(qiáng)，測(cè)量尺寸和測(cè)量精度難以平衡;⑤ 易產(chǎn)生偽影和噪聲且難以克服，圖像處理過(guò)程復(fù)雜且可重復(fù)性不高。

　　2 工業(yè) CT 在 AM 中的應(yīng)用

　　AM 零件中的裂紋、熔合不良、夾雜和孔隙等缺陷，可通過(guò)工業(yè) CT 進(jìn)行檢測(cè)[11]。尤其是結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜且尺寸較小的零件，如燃油噴嘴和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等復(fù)雜零件，對(duì)于殘留粉末和較小孔隙等缺陷有檢測(cè)需求，適合通過(guò)工業(yè) CT 進(jìn)行表征[12]。將工業(yè) CT 檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于 AM 結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)和幾何測(cè)量，可檢測(cè)出AM 件中網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的裂紋，通過(guò)改變檢測(cè)參數(shù)還可檢測(cè)出零件中的粉末殘留。

　　2. 1 孔隙測(cè)量

　　借助工業(yè) CT 技術(shù)來(lái)測(cè)量 AM 成品的孔隙率和密度，研究孔的形態(tài)和分布，已經(jīng)成為一種較為成熟的手段。工業(yè) CT 可給出 AM 件的體積孔隙率數(shù)值，以及在每個(gè)切片上孔隙率值，如有需要，軟件可以給出孔隙分布的信息。

　　除成品之外，Slotwinski 等[14]借助 XCT 分析粉末床熔化 AM 中粉末的形態(tài)。Maskery 等[15]研究表明，與傳統(tǒng)的 SEM( Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡) 橫切切片觀察相比，工業(yè) CT 在定量缺陷分析方面表現(xiàn)更佳。因?yàn)樵诘玫?AM 制件內(nèi)部信息的情況下，SEM 需要極大量的顯微圖片，并對(duì)制件有破壞性。借助其他技術(shù)配合工業(yè) CT 來(lái)共同完成對(duì) AM 制品的質(zhì)量檢測(cè)與性能表征將成為行業(yè)主流。Castilho等[16]借助阿基米德法、SEM、工業(yè) CT 和高精度照片掃描共同完成對(duì) AM 制件的尺寸準(zhǔn)確性、孔隙率和機(jī)械性能的研究。在準(zhǔn)確性方面，CT 技術(shù)不如阿基米德法，但在測(cè)量孔隙的分布性情況方面，CT 技術(shù)是當(dāng)前最可靠的 NDT 手段。

　　2. 2 尺寸形態(tài)測(cè)量

　　由于 AM 制品與生俱來(lái)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的手段( 如三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x) 已不能滿足 AM 制品的尺寸和形態(tài)測(cè)量需求，工業(yè) CT 技術(shù)成為 AM 制品常用的尺寸形態(tài)測(cè)量方式。通過(guò)將形態(tài)學(xué)上的偏差和缺陷分析與額定的 CAD( 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)) 數(shù)據(jù)作為對(duì)比，可以借助工業(yè) CT 來(lái)驗(yàn)證并評(píng)估 CAD 模型的精準(zhǔn)度，主要涉及到相關(guān)測(cè)量的不準(zhǔn)確性和公差分析。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致其測(cè)量方式的限制，而 CT 技術(shù)正好可以突破該限制而準(zhǔn)確地測(cè)量點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。此外，CT 技術(shù)還可以幫助制作并發(fā)展 AM 標(biāo)準(zhǔn)試件[17]。圖4 為 AM 復(fù)雜零件的 CT 測(cè)量實(shí)例，這是其他測(cè)量手段達(dá)不到的尺寸測(cè)量和直觀效果[18]。

　　3 工業(yè) CT 在復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用

　　除常規(guī) CT 檢測(cè)外，高分辨率工業(yè) CT 對(duì)復(fù)合材料試件的微觀檢測(cè)和分析，會(huì)更加詳細(xì)精準(zhǔn)。不僅可分析孔隙率和孔隙分布狀態(tài)內(nèi)部纖維方向、纖維含量和有限元分析等，還可以得到裂紋、夾雜、變形和分層等結(jié)構(gòu)缺陷的信息[19 - 20]。工業(yè) CT 圖像能夠顯示出復(fù)合材料各組分的密度特性。準(zhǔn)確地檢測(cè)出缺陷，不但為復(fù)材結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)、制造反饋內(nèi)部形態(tài)特征，更確保復(fù)合材料的可靠使用。有效結(jié)合制造工藝和工業(yè)CT 技術(shù)，可以盡早發(fā)現(xiàn)缺陷，改進(jìn)生產(chǎn)工藝[21]。

　　針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研制，某制造商利用工業(yè) CT開(kāi)展長(zhǎng)桁機(jī)加邊緣缺陷定位和原因分析、復(fù)合材料樣品孔隙率分析、雷擊試驗(yàn)件損傷評(píng)估、熱塑性復(fù)合材料原位成型工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)等工作，對(duì)新技術(shù)研發(fā)及其工藝改進(jìn)起到極大的推動(dòng)作用。例如某升降舵梁在制造過(guò)程中，內(nèi) R 角表面出現(xiàn)不明原因的泛白，經(jīng)工業(yè) CT檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)泛白處出現(xiàn)大片的孔隙。

　　4 工業(yè) CT 在航空維修中的應(yīng)用

　　根據(jù)工業(yè) CT 的自身特點(diǎn)，其在航空維修中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在逆向設(shè)計(jì)、故障檢測(cè)與診斷、尺寸測(cè)量 3個(gè)方面。

　　4. 1 逆向設(shè)計(jì)應(yīng)用工業(yè) CT 可以實(shí)現(xiàn)高精度公差件、航空機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品零件及其裝配件、航空電子電器類(lèi)器件等的逆向測(cè)繪。結(jié)合三維建模模型數(shù)據(jù)和逆向測(cè)繪可用于飛機(jī)維修中無(wú)數(shù)模零件的修復(fù)、便捷原型制造和數(shù)字化維修、AM 或 3D 打印修復(fù)、CAD/CAM 軟件的改進(jìn)設(shè)計(jì)和有限元分析，這些功能將飛速提升飛機(jī)維修的效率[22]。

　　4. 2 故障檢測(cè)與診斷不可拆機(jī)電產(chǎn)品、電子元器件和電路板等內(nèi)部封閉器件可以借助工業(yè) CT 技術(shù)進(jìn)行失效分析和故障診斷與定位，工業(yè) CT 在航空產(chǎn)品視情維修中存在巨大潛在應(yīng)用空間。例如飛機(jī)上某些核心部位的裝配檢查，清晰地發(fā)現(xiàn)螺釘裝配、焊接人為差錯(cuò)，特別是存在故障分析爭(zhēng)議時(shí)價(jià)值更大。安裝部位的位置準(zhǔn)確度、形變、間隙和缺陷等是具體的檢查內(nèi)容[23]。

　　4. 3 尺寸測(cè)量

　　工業(yè) CT 作為目前傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法的輔助手段，常用在復(fù)雜、異形件內(nèi)部封閉區(qū)中測(cè)量尺寸。其數(shù)據(jù)分析軟件中可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面、立體等各種形狀的擬合，大量的采樣點(diǎn)能帶來(lái)更高的測(cè)量精度。其應(yīng)用于飛機(jī)尺寸測(cè)量的各個(gè)角落，如偏軟材質(zhì)的橡膠用品尺寸測(cè)量和零部件的壁厚分析等[24]。圖 7 為通過(guò)工業(yè) CT 對(duì)某接地模塊進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果可以判斷模塊基座和金屬卡簧是否符合設(shè)計(jì)圖的尺寸偏差。

　　5 工業(yè) CT 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

　　5. 1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的三維缺陷檢測(cè)針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，張祥春等[25]給出這類(lèi)異形結(jié)構(gòu)的多種重建算法，其中包括反投影濾波算法( BPF) 、T-FDK 算法和濾波反投影( FBP) 算法等大視野錐束 CT 圖像重建算法，從多重角度還原葉片內(nèi)部的氣孔、裂紋、夾雜等缺陷。

　　5. 2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的壁厚測(cè)量為保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，要求精準(zhǔn)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)葉片不同界面處的內(nèi)、外表面法線方向的厚度。當(dāng)前，航空高溫合金空心葉片的主要測(cè)量技術(shù)是超聲測(cè)厚手段。在測(cè)量單晶材料制品和曲率較大的葉片時(shí)，結(jié)果不準(zhǔn)確[26]。程云勇等[27]在應(yīng)用案例和相應(yīng)的檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程等方面對(duì)工業(yè) CT 技術(shù)在單晶葉片測(cè)厚的應(yīng)用做了簡(jiǎn)單介紹。

　　5. 3 反向工程測(cè)量渦輪葉片壁厚

　　目前的工業(yè) CT 葉片壁厚測(cè)量方法都較為復(fù)雜且效率低下，大部分經(jīng)各實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)，相對(duì)測(cè)量誤差在 0. 28% ～ 5. 45% 之間[28]。為了在簡(jiǎn)化測(cè)量并保證測(cè)量精度，張莉等[29]研發(fā)出一套基于工業(yè) CT 反向工程的葉片測(cè)厚方法。得益于灰度直方圖的 Otsu 閾值分割算法和商用反向工程 Imageware，工業(yè) CT 壁厚測(cè)量過(guò)程有效加快，編程開(kāi)發(fā)難度亦從此降低。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種測(cè)厚方法的精度達(dá)到 0. 01 mm，相對(duì)誤差約為0. 33% ，有效滿足葉片壁厚的檢測(cè)要求，極具推廣意義。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　經(jīng)以上討論，現(xiàn)將工業(yè) CT 在航空工業(yè)中的應(yīng)用總結(jié)為以下方面: ① 材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè); ② 對(duì)零部件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測(cè)量; ③ 對(duì)問(wèn)題產(chǎn)品進(jìn)行故障分析;④ 逆向工程; ⑤ 產(chǎn)品內(nèi)部裝配關(guān)系的判定[27]。航空領(lǐng)域?qū)α慵�的質(zhì)量要求尤其高( 高精度、高質(zhì)量、高密封性等) ，而工業(yè) CT 檢測(cè)技術(shù)可有效滿足其質(zhì)量檢測(cè)要求。其檢測(cè)廣泛應(yīng)用于葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架、液壓系統(tǒng)和機(jī)身材料等零部件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和在役維修維護(hù)等階段。對(duì)工業(yè) CT 在我國(guó)航空領(lǐng)域的應(yīng)用展望為: ① 國(guó)產(chǎn)化工業(yè) CT 設(shè)備的研制與優(yōu)化，并研發(fā)國(guó)產(chǎn)三維數(shù)據(jù)處理軟件和重建算法; ② 建立工業(yè) CT 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)體系，并研制配套的標(biāo)準(zhǔn)試塊; ③ 降低應(yīng)用成本和應(yīng)用門(mén)檻，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，提高檢測(cè)精度與效率。隨著工業(yè) CT 技術(shù)的不斷發(fā)展，航空工業(yè)的檢測(cè)需求亦會(huì)不斷提升，工業(yè) CT 技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用將愈發(fā)廣泛，應(yīng)用效果亦將更加顯著。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1] 劉松平. 無(wú)損檢測(cè)在航空工業(yè)中的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J]. 航空制造技術(shù)，2009，52( S2) : 62 - 66.LIU S P. Opportunities and challenges of NDT in aviationindustry[J]. Aeronautical Manufacturing Technology，2009，52( S2) : 62 - 66( in Chinese) .

　　[2] 安治永，李應(yīng)紅，梁華，等. 無(wú)損檢測(cè)在航空維修中的應(yīng)用[J]. 無(wú)損檢測(cè)，2006，28( 11) : 598 - 601.AN Z Y，LI Y H，LIANG H，et al. Application of nondestructive testing in aviation maintenance[J]. NondestructiveTesting ，2006，28( 11) : 598 - 601( in Chinese)

　　[3] 魏彪，先武. 工業(yè) CT 技術(shù)及其 NDT 應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代物理知識(shí)，2000，12( S1) : 77 - 79.WEI B，XIAN W. The technology and nondestructive testingapplication of industrial CT[J]. Modern Physics，2000，12( S1) : 77 - 79( in Chinese) .

　　[4] 高麗娜，陳文革. CT 技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展及前景[J]. CT 理論與應(yīng)用研究，2009，18( 1) : 99 - 109.GAO L N，CHEN W G. The application and prospect of CT[J]. Computerized Tomography Theory and Applications，2009，18( 1) : 99 - 109( in Chinese) .

　　[5] 張朝宗. 工業(yè) CT 技術(shù)參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響( 續(xù)) ———兼談如何 選 擇 工 業(yè) CT 產(chǎn) 品[J]. 無(wú) 損 檢 測(cè)，2007，29( 2) : 84 - 87.ZHANG C Z. Effect of technical data of an industrial CT onits performance ( continuation) : a guide for industrial CTsystem selection[J]. Nondestructive Testing ，2007，29( 2) : 84 - 87( in Chinese) .

　　[6] CARMIGNATO S，DEWULF W，LEACH R. Industrial Xray computed tomography[M]. Cham: Springer International Publishing，2018.

　　作者：章 鎮(zhèn)* ，肖 鵬

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