工業 CT 在航空工業的應用

　　摘要: 隨著飛機新型號的不斷推出，航空工業對于產品的尺寸測量、缺陷檢測和內部結構可視化等檢測需求日益增多，傳統的檢測技術已無法滿足這些高精度、高質量的需求。闡述了工業 CT 的原理、檢測能力、影響檢測能力的因素和工業 CT 的局限性與挑戰。隨后介紹了工業 CT 在增材制造、復合材料、飛機維修和航空發動機等方面的應用，簡述了工業 CT 在尺寸形態、孔隙測量、逆向設計、三維缺陷、故障檢測與診斷和壁厚測量等方面的優勢與應用現狀。工業 CT 能很好地解決目前航空工業中的檢測難題，具有不受產品材料和形狀限制的獨特優勢。

　　關鍵詞: 無損檢測; 工業 CT; 尺寸測量; 缺陷分析; 逆向工程; 三維成像

　　在航空工業體系中，無損 檢 測( Non-DestructiveTesting，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，以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，如增材制造、先進復合材料、發動機葉片等，并且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，使用粉末狀可黏合材料，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難題。通過前沿的材料成型技術把不同的材料組合形成的高性能材料稱為復合材料。

　　高的比剛度、比強度和良好的耐腐蝕性和耐疲勞性讓復合材料在航空領域中應用不斷增加。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，電子計算機斷層掃描)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，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在 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 的組成工業射線 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。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]。

　　1. 3 檢測能力及其影響因素

　　1. 3. 1 響工業 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5 類: 人、機、料、法、環。

　　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，且數字化結果便于儲存、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，動輒數百萬級;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低;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，如燃油噴嘴和網格結構等復雜零件，對于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。

　　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。

　　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 需要極大量的顯微圖片，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 制品與生俱來的復雜結構和拓撲結構，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的限制，而 CT 技術正好可以突破該限制而準確地測量點陣結構。此外，CT 技術還可以幫助制作并發展 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]。

　　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，還可以得到裂紋、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。準確地檢測出缺陷，不但為復材結構零件的設計、制造反饋內部形態特征，更確保復合材料的可靠使用。有效結合制造工藝和工業CT 技術，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。

　　4 工業 CT 在航空維修中的應用

　　根據工業 CT 的自身特點，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。結合三維建模模型數據和逆向測繪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，這些功能將飛速提升飛機維修的效率[22]。

　　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存在巨大潛在應用空間。例如飛機上某些核心部位的裝配檢查，清晰地發現螺釘裝配、焊接人為差錯，特別是存在故障分析爭議時價值更大。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，常用在復雜、異形件內部封閉區中測量尺寸。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。

　　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。

　　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，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。

　　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]。為了在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 Imageware，工業 CT 壁厚測量過程有效加快，編程開發難度亦從此降低。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% ，有效滿足葉片壁厚的檢測要求，極具推廣意義。

　　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，提高檢測精度與效率。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。

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　　作者：章 鎮* ，肖 鵬

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