飛機多層結構腐蝕損傷的工業電子計算機斷層掃描檢測可行性分析

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(1.海軍駐青島地區配套設備軍事代表室，青島 266041；2.海軍航空大學青島校區，青島 266041)

多層結構是飛機重要的結構件，常用于飛機蒙皮等部位。在使用過程中，受多種因素的影響，其底面或者中間夾層難免會出現腐蝕損傷。飛機多層結構的腐蝕規律與飛機的使用環境及特點有著極大的聯系，不同的飛行環境，不同的飛行強度等都會直接或間接影響著飛機的腐蝕特點。多層結構腐蝕給飛行安全帶來了極大的危害，內部和中間夾層的腐蝕損傷無法直接目視觀察。

渦流、超聲波以及紅外等傳統的腐蝕檢測方法對于內部腐蝕的檢測效果不佳，特別是對于部位較深的腐蝕，檢測比較困難。在能夠檢測內部缺陷且定量較為準確的方法中，工業CT(計算機斷層掃描)是較為理想的方法。

1 工業CT檢測原理

工業CT的基本原理與射線檢測的原理是一致的。根據物理規律，一定能量的射線束穿過物質時，其能量會因為物質的吸收以及散射等原因而衰減。由于各個方向的衰減情況不同，探測器檢測到的射線信號也不一樣。掃描以后的投影數據遵照相應的圖像重建算法進行圖像重建，就可以獲得斷面圖像。檢測人員在得到檢測圖像后還可以利用專業的軟件對檢測圖像進行處理，獲得圖像的分析報告[1]。

與其他一些常用的無損檢測方法相比，工業CT有許多突出的特點。工業CT通過設備檢測得到的是被檢件的斷層圖像，可以清晰地得到被檢件的某一層結構，易于識別。這樣的圖像不存在圖像重疊的問題，沒有識圖經驗的檢測人員對物件進行檢測也不存在障礙。同時，從檢測圖像上還可以獲得缺陷的相關信息，包括缺陷的位置、形狀、長度等。

2 腐蝕試件的制作

腐蝕試件選用飛機常用的2A12鋁板，根據飛機的腐蝕特點，腐蝕試件主要模擬飛機多層結構面腐蝕和腐蝕裂紋，選用三層平板結構模擬飛機多層結構[2]。

試件1的結構示意如圖1所示。

圖1 試件1結構示意

試件1采用3塊尺寸為140 mm×80 mm×1.5 mm (長×寬×高)的2A12鋁板作為材料，在鋁板上模擬加工腐蝕缺陷。試件1的下層鋁板的下表面制作了兩種模擬腐蝕缺陷，如下所述。

(1) 加工半徑為8 mm，深0.5 mm的圓形平底槽模擬腐蝕缺陷。

(2) 加工長為20 mm，深為1 mm的直線槽模擬腐蝕缺陷。

完成模擬腐蝕缺陷的制作后，在鋁板的4個角上用螺栓把3塊鋁板緊密結合。

試件2的結構示意如圖2所示。

圖2 試件2結構示意

試件2采用3塊尺寸為250 mm×150 mm×1 mm (長×寬×高)的2A12鋁板作為材料，然后在鋁板上進行模擬腐蝕缺陷的加工。

(1) 分別在上層板和下層板加工半徑為6.5 mm，深分別為板厚的5%,10%,15%的圓形平底槽模擬腐蝕缺陷。

(2) 分別在上層板和下層板加工長為150 mm，寬為13 mm，深為板厚的20%的直線槽模擬腐蝕缺陷。

(3) 在試件上鉚接6個鉚釘，選擇5個鉚釘的鉚接點，加工長短方向各異的模擬裂紋腐蝕缺陷。

3 檢測試驗

工業CT試驗采用的CT設備型號為CAPE-450kV-CT(見圖3)。

圖3 工業CT設備外觀

檢測試驗開始前，要對探測器進行本地校正和增益校正。探測器校正完后，將平板放置在轉臺上，調整機械系統，設置射線源、探測器及機械系統參數，具體參數如表1所示[3]。

表1 工業CT試驗主要參數

試驗采用三代掃描方法進行CT掃描，調整試件的位置，對掃描得到的數據進行算法重建，獲得需要的試件截面圖像。試件1和試件2的3層檢測圖像分別如圖4,5所示。

圖4 試件1的工業CT檢測圖像

圖5 試件2的工業CT檢測圖像

圖6 軟件處理后的試件1的工業CT檢測圖像

4 試驗分析與結論

4.1 圖像分析

為了達到更好的顯示效果，有時需要利用軟件對工業CT的檢測圖像進行處理，常用的圖像處理方法有圖像銳化、邊緣增強以及偽彩色等。圖6為軟件處理后的試件1的工業CT檢測圖像。

圖6為試件1的三個不同截面的斷層掃描圖像,經過圖像處理后，檢測圖像顯示效果更佳。工業CT能夠檢測到試件上制作的腐蝕缺陷，并較好地觀察到腐蝕缺陷的情況。在圖6(a)中，沒有發現缺陷，說明在試件的這一斷層內不存在腐蝕缺陷；在圖6(b)中，可以清楚地看到試件上的直線槽模擬缺陷，通過檢測圖像能夠獲得缺陷的形狀、尺寸以及在試件中的位置等信息；在圖6(c)中，能夠看到在試件上模擬的兩種腐蝕缺陷，圖像清晰直觀。這說明工業CT具備檢測面缺陷和裂紋的能力。

同時，通過對比圖6(b)，6(c)可以發現，圓形腐蝕缺陷與直線槽腐蝕缺陷的腐蝕深度存在差別，即直線槽腐蝕缺陷較圓形腐蝕缺陷更深。這說明工業CT檢測可以通過對比不同斷層檢測圖像的差別來判定腐蝕缺陷的深度，以確定其在試件內部的位置，這是其他檢測方法無法實現的[4]。

圖7為試件2的三個不同截面的斷層掃描圖像。工業CT能夠檢測到試件上制作的腐蝕缺陷，但檢測情況較試件1的差。圖7(a)為工業CT在下層板的斷層掃描圖像，圖像中能夠看到存在的腐蝕缺陷，并且根據腐蝕程度的不同，缺陷的成像情況也不相同；圖7(b)為工業CT在上層板的斷層掃描圖像，與上層板的掃描圖像相同，圖像很直接地反映了缺陷的情況；圖7(c)為工業CT在鉚接處的斷層掃描圖像。從檢測圖像上無法觀察到試件上的裂紋缺陷。

圖7 處理后的試件2的工業CT檢測圖像

試件2的檢測圖像出現了環狀偽影，如圖7(a)所示，試件中間部位出現了一圈圈環形影像，這非常容易導致缺陷的誤判。偽影通常是指圖像中出現了與試件結構不符的特征，是表征CT檢測質量的重要性能指標。工業CT的檢測精度高，對信號非常敏感，較易產生偽影現象。另外，工業CT較擅長于長寬比小的物件的檢測，對于長寬比較大的物件檢測效果相對較差，也更容易出現偽影。產生偽影的原因有很多，通?？梢詣潪閮深?，一類是由CT的原理造成的，另一類是由CT的設備造成的。平板件主要是射線束硬化造成的，可以通過采用預先濾波法或軟件校正法等進行校正[5]。

同時，試件2的CT檢測圖像受斷層厚度的影響出現了其他斷層的影像，對圖像分析造成了影響。

接下來，利用軟件的測量功能對試件缺陷進行簡單測量。圖8為試件1的圓形缺陷的測量曲線，圖9為試件1的直線槽缺陷的測量曲線。

圖8 試件1的圓形缺陷測量曲線

圖9 試件1直線槽缺陷測量曲線

根據圖8的檢測數據可以得到，模擬腐蝕的圓形缺陷直徑為15.6 mm，誤差為2.5%。根據圖9的檢測數據可以得到，模擬腐蝕的直線槽缺陷長度為20.4 mm，誤差為2.00%。

圖10為試件2的長條形缺陷的測量曲線，圖11為試件2的圓形缺陷的測量曲線。

圖10 試件2的長條形缺陷的測量曲線

圖11 試件2的圓形缺陷的測量曲線

根據圖10的檢測數據可以得到，長條形模擬缺陷的寬度檢測值為12.77 mm，誤差為1.77%。根據圖11的檢測數據可以得到，圓形缺陷的直徑為12.8 mm，誤差為1.54%。

4.2 試驗結論

(1) 工業CT能夠對試件的腐蝕進行有效檢測，檢測結果準確直觀，但對于試件2鉚釘處裂紋的檢測效果不明顯，說明工業CT對裂紋的檢測能力偏弱。

(2) 工業CT對缺陷的測量誤差最大為2.5%，測量精度滿足要求，且測量結果更為穩定。

(3) 工業CT能夠根據斷層圖像檢測出腐蝕缺陷的深度，檢測圖像清晰直觀，易于識別，這是工業CT檢測內部腐蝕的突出優點。

(4) 工業CT擅長長寬比較小的物件的檢測，對于長寬比較大的物件檢測效果相對較差，也更容易出現偽影，對圖像質量有一定影響。因此，在對平板構件采用工業CT檢測時，必須采取措施降低偽影的影響。

5 結語

通過工業CT完成了對腐蝕試件的檢測，表明工業CT具有一定的腐蝕損傷檢測能力，能夠完成試件內部的腐蝕檢測。與渦流、超聲、紅外等檢測方法相比，工業CT在檢測內部腐蝕方面有著自己的突出優勢，其檢測精度更高，檢測結果更穩定，能夠對試件進行斷層掃描，通過不同斷層圖像的差別來判斷測量腐蝕缺陷的深度，并對腐蝕面積進行計算。采用了切槽和切圓孔模擬腐蝕損傷，與實際的腐蝕還存在差別，試驗的結果僅代表模擬腐蝕。但同時，工業平板件的CT檢測有許多影響因素，如偽影、斷層圖像的厚度等都會影響CT檢測質量，有可能造成誤判。根據CT檢測原理可知，針對裂紋檢測，如果在射線照射方向不能構成足夠的厚度差，檢測效果會不理想。因此，必須采取措施來減少或消除這些情況對檢測結果的影響，保證檢測結果的準確性。