工業CT在航空工業的應用

章 鎮， 肖 鵬

(上海飛機制造有限公司 復合材料中心，上海 201324)

在航空工業體系中，無損檢測(Non-Destructive Testing,NDT)技術在航空產品的設計、制造和服役過程中貫穿始終且無可替代[1]，NDT技術作為產品質量保障和例行檢測手段，在航空工業中無處不在，可檢出全生命周期中可能存在的結構損傷或潛在的質量問題。

隨著新型材料的出現，部分復雜儀器內部缺陷、尺寸，甚至裝配情況需要在維修時原位狀態下檢測[2]。增材制造(Additive Manufacturing,AM)，或稱3D打印，是一種以計算機設計的數字模型文件為基礎，使用粉末狀可粘合材料，通過將材料逐層堆積的方式來將物體成型的技術。如何快速、高精度并準確地檢測AM內部的尺寸分布、缺陷種類、形狀和分布規律成為限制該技術走向大眾應用的關鍵。復合材料是通過采用前沿的材料成型技術將不同的材料組合而成的高性能材料。復合材料具有高比剛度、高比強度以及良好的耐腐蝕性和耐疲勞性，使其在航空領域中應用廣泛。對于復合材料結構的檢測，最直觀的方式是射線檢測，特別是工業CT(Computed Tomography,計算機斷層掃描術)檢測。航空維修是指對飛機上的技術裝備進行的維護和修理，以確保飛機的安全。隨著飛機視情維修方式的不斷發展和推廣應用，對飛機機件故障的無損檢測要求越來越高。作為航空發動機的關鍵件，航空發動機葉片的應力狀態復雜、工作溫度高、工作環境惡劣,渦流、滲透和X射線照相等以往的檢測方法已不足以滿足研制葉片時對檢測數據準確性和可溯源性的急切需求。

近年來，工業CT技術憑借其不受試件形狀和材料限制的先天優勢，可有效滿足AM、復合材料、航空維修和發動機葉片等領域中高質量、高精度的檢測需求。工業CT在國際上被業界評價為最佳的NDT手段，號稱“工業神醫”[3]，并能較好地解決航空工業產品檢測難題。

1 工業CT的基本特點

1.1 工業CT概述

CT技術是根據某種物理量(如波速、X線光強、電子束強等)穿透物體后得到的投影數據，由相應的數學方法經過計算機處理，將物體特定層面上的二維圖像進行重建，并依據重建后的二維圖像構成三維圖像的技術[4]。待測材料的輻射密度可從CT圖像中的灰度值中反映出來，以此發現待測物內部輻射密度的細微變化[5]。

下面將以工作中最常用的射線工業CT為例，介紹其原理、組成和應用。

1.2 工業CT的組成

射線工業CT系統主要包括射線源、機械掃描運動系統、探測器和計算機系統(硬件和軟件)等部件。如圖1所示[6]，在工業CT系統中由射線源提供射線以穿透試件，射線穿過物體不同的結構和位置時信號衰減情況不同，并得到對應位置的灰度值。射線信號穿透試件后由探測器接收，經過放大和模數轉換后，待測物材料內各點的衰減系數由計算機以特定的算法重建成CT圖像[7]。

圖1 工業CT系統的組成示意圖

1.3 檢測能力及其影響因素

1.3.1 工業CT系統的檢測能力

每一臺CT設備都有其特定的檢測能力，在進行CT數據采集之前，應充分地了解所使用的CT檢測系統的檢測能力，其主要包括：密度分辨率、空間分辨率、掃描速度、測量范圍、最大可穿透厚度、針對不同材料的掃描能力、準確度和軟件的能力等[8]。

1.3.2 影響工業CT檢測的因素

根據德國標準VDI/VDE 2630-Part1.2總結的結論，影響工業CT檢測的因素可以分為人、機、料、法、環共5類，如表1所示[9]。

表1 影響工業CT檢測結果的因素

1.4 工業CT的優勢與劣勢

CT技術在不分解和不破壞產品狀態下，能清晰、直觀、準確地呈現被檢測物體內部的結構、組成成分、幾何尺寸、密度變化以及缺陷的性質、位置和大小，得到相對應的二維圖像，經由特定的算法得到被測工件的三維立體圖，信息疊加可忽略不計。其檢測圖像由帶有體素尺寸的灰度值呈現，且數字化結果便于存儲、傳輸、處理和分析等[10]。在合適的條件下，其具有穩定的動態范圍和可靠性、高密度分辨率和高空間分辨率。

即使技術上工業CT有著無可比擬的優越性，以下因素卻一直在制約著這項技術的應用。

① 設備昂貴，動輒數百萬元。

② 檢測效率低，相比于射線或超聲檢測，單次CT檢測要花費數倍的時間。

③ 使用門檻高，數據采集和處理的復雜操作與參數選擇使得用戶友好性較差。

④ 應用范圍窄，設備專用性較強，測量尺寸和測量精度難以平衡。

⑤ 易產生偽影和噪聲且難以克服，圖像處理過程復雜且可重復性不高。

2 工業CT在AM中的應用

AM零件中的裂紋、熔合不良、夾雜和孔隙等缺陷可通過工業CT進行檢測[11]，尤其是結構形狀復雜且尺寸較小的零件。例如，燃油噴嘴和網格結構等復雜零件對殘留粉末和較小孔隙等缺陷有檢測需求，適合通過工業CT進行表征[12]。將工業CT檢測技術應用于AM結構件的無損檢測和幾何測量，可檢測出AM件中網格結構的裂紋，通過改變檢測參數還可檢測出零件中的粉末殘留。圖2為尼康公司CT檢測某金屬AM件的內部缺陷案例[13]。

圖2 金屬AM件的CT檢測結果

2.1 孔隙測量

借助工業CT技術來測量AM成品的孔隙率和密度、研究孔的形態和分布，已經成為一種較為成熟的手段。工業CT可給出AM件的體積孔隙率數值，以及在每個切片上孔隙率值，如有需要，軟件可以給出孔隙分布的信息(如圖3所示)。

圖3 AM件的孔隙率測量

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。Maskery等[15]研究表明，與傳統的SEM(Scanning Electron Microscope,掃描電子顯微鏡)橫切切片觀察相比，工業CT在定量缺陷分析方面表現更佳。因為在得到AM制件內部信息的情況下，SEM需要大量的顯微圖片，并對制件有破壞性。

借助其他技術配合工業CT來共同完成對AM制品的質量檢測與性能表征將成為行業主流。Castilho等[16]借助阿基米德法、SEM、工業CT和高精度照片掃描共同完成對AM制件的尺寸準確性、孔隙率和機械性能的研究。在準確性方面，CT技術不如阿基米德法，但在測量孔隙的分布性情況方面，CT技術是當前最可靠的NDT手段。

2.2 尺寸形態測量

由于AM制品具有復雜的結構和拓撲結構，傳統的手段(如三坐標測量儀)已不能滿足AM制品的尺寸和形態測量需求，工業CT技術成為AM制品常用的尺寸形態測量方式。通過將形態學上的偏差和缺陷分析與額定的CAD(計算機輔助設計)數據作為對比，可以借助工業CT來驗證并評估CAD模型的精準度，主要涉及到相關測量的不準確性和公差分析。點陣結構的復雜性導致其測量方式受到限制，而CT技術正好可以突破該限制并可準確地測量點陣結構。此外，CT技術還可以幫助制作并開發AM標準試件[17]。圖4為AM復雜零件的CT測量實例，這是其他測量手段達不到的尺寸測量和直觀效果[18]。

圖4 工業CT測量AM零件尺寸的圖像

3 工業CT 在復合材料檢測中的應用

除常規CT檢測外，高分辨率工業CT對復合材料試件的微觀檢測和分析會更加詳細精準。不僅可分析孔隙率和孔隙分布狀態內部纖維方向、纖維含量和有限元分析等，而且可以得到裂紋、夾雜、變形和分層等結構缺陷的信息[19-20]。工業CT圖像能夠顯示出復合材料各組分的密度特性并準確地檢測出缺陷，不但可為復材結構零件的設計、制造反饋內部形態特征，而且可確保復合材料的可靠使用。將制造工藝和工業CT技術有效結合，可以盡早發現缺陷，改進生產工藝[21]。

針對復合材料結構的研制，某制造商利用工業CT開展長桁機加邊緣缺陷定位和原因分析、復合材料樣品孔隙率分析、雷擊試驗件損傷評估、熱塑性復合材料原位成型工藝質量評價等工作，對新技術研發及其工藝改進起到極大的推動作用。例如某升降舵梁在制造過程中，內R角表面出現不明原因的泛白，經工業CT檢測后發現泛白處出現大片的孔隙，如圖5所示。

圖5 工業CT檢測后切片圖

4 工業CT在航空維修中的應用

根據工業CT自身的特點，其在航空維修中的應用主要體現在逆向設計、故障檢測與診斷、尺寸測量3個方面。

4.1 逆向設計應用

工業CT可以實現高精度公差件、航空機械類產品零件及其裝配件、航空電子電器類器件等的逆向測繪，逆向設計流程如圖6所示。將三維建模模型數據和逆向測繪相結合可用于飛機維修中無數模零件的修復、便捷原型制造和數字化維修、AM或3D打印修復、CAD/CAM軟件的改進設計和有限元分析，這些功能將大幅提升飛機維修的效率[22]。

圖6 工業CT逆向設計流程

4.2 故障檢測與診斷

不可拆機電產品、電子元器件和電路板等內部封閉器件可以借助工業CT技術進行失效分析和故障診斷與定位，工業CT在航空產品視情維修中有巨大的潛在應用空間。例如，在進行飛機上某些核心部位的裝配檢查時，工業CT可以清晰地發現螺釘裝配、焊接人為差錯。當存在故障分析爭議時工業CT的價值更大。安裝部位的位置準確度、形變、間隙和缺陷等是具體的檢查內容[23]。

4.3 尺寸測量

工業CT作為目前傳統接觸式測量方法的輔助手段，常用于復雜、異形件內部封閉區的尺寸測量。其數據分析軟件中可以實現點、線、面、立體等各種形狀的擬合，大量的采樣點能帶來更高的測量精度。其應用于飛機尺寸測量的各個角落，如偏軟材質的橡膠用品尺寸測量和零部件的壁厚分析等[24]。

圖7為通過工業CT對某接地模塊進行檢測，測量結果可以判斷模塊基座和金屬卡簧是否符合設計圖的尺寸偏差。

圖7 故障分析時的CT檢測實例

5 工業CT在航空發動機中的應用

5.1 航空發動機葉片的三維缺陷檢測

針對航空發動機渦輪葉片，張祥春等[25]給出這類異形結構的多種重建算法，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部的氣孔、裂紋、夾雜等缺陷。圖8為常用的CT檢測葉片裂紋分析圖[25]。

圖8 葉片裂紋缺陷三維分析圖

5.2 航空發動機葉片的壁厚測量

為保障航空發動機的可靠性，要求精準測量發動機葉片不同界面處的內、外表面法線方向的厚度。當前，航空高溫合金空心葉片的主要測量技術是超聲測厚手段，在測量單晶材料制品和曲率較大的葉片時該方法的結果不準確[26]。程云勇等[27]在應用案例和相應的檢測試驗過程等方面對工業CT技術在單晶葉片測厚的應用做了簡單介紹，并對工業CT測厚誤差進行圖9所示分析。

圖9 發動機葉片壁厚測量實例

5.3 反向工程測量渦輪葉片壁厚

目前的工業CT葉片壁厚測量方法都較為復雜且效率低下，大部分經各實驗室自行研發，相對測量誤差在0.28%～5.45%之間[28]。為了簡化測量并保證測量精度，張莉等[29]研發出一套基于工業CT反向工程的葉片測厚方法。得益于灰度直方圖的Otsu閾值分割算法和商用反向工程軟件Imageware，工業CT壁厚測量過程得以加快，且降低了編程開發難度。實驗證實，這種測厚方法的精度達到0.01 mm，相對誤差約為0.33%，有效滿足了葉片壁厚的檢測要求，極具了推廣意義。

6 結束語

經以上討論，現將工業CT在航空工業中的應用總結為以下方面：① 材料內部缺陷的檢測；② 對零部件結構尺寸進行測量；③ 對問題產品進行故障分析；④ 逆向工程；⑤ 產品內部裝配關系的判定[27]。航空領域對零件的質量要求尤其高(高精度、高質量、高密封性等)，而工業CT檢測技術可有效滿足其質量檢測要求。其檢測廣泛應用于葉片、發動機、起落架、液壓系統和機身材料等零部件的設計、生產和在役維修維護等階段。

對工業CT在我國航空領域的應用展望為：① 國產化工業CT設備的研制與優化，并研發國產三維數據處理軟件和重建算法；② 建立工業CT技術標準檢測體系，并研制配套的標準試塊；③ 降低應用成本和應用門檻，擴大應用范圍，提高檢測精度和效率。

隨著工業CT技術的不斷發展，航空工業的檢測需求亦會不斷提升，工業CT技術在航空領域的應用將愈發廣泛，應用效果亦將更加顯著。