工业CT在航空工业的应用

章 镇， 肖 鹏

(上海飞机制造有限公司 复合材料中心，上海 201324)

在航空工业体系中，无损检测(Non-Destructive Testing,NDT)技术在航空产品的设计、制造和服役过程中贯穿始终且无可替代[1]，NDT技术作为产品质量保障和例行检测手段，在航空工业中无处不在，可检出全生命周期中可能存在的结构损伤或潜在的质量问题。

随着新型材料的出现，部分复杂仪器内部缺陷、尺寸，甚至装配情况需要在维修时原位状态下检测[2]。增材制造(Additive Manufacturing,AM)，或称3D打印，是一种以计算机设计的数字模型文件为基础，使用粉末状可粘合材料，通过将材料逐层堆积的方式来将物体成型的技术。如何快速、高精度并准确地检测AM内部的尺寸分布、缺陷种类、形状和分布规律成为限制该技术走向大众应用的关键。复合材料是通过采用前沿的材料成型技术将不同的材料组合而成的高性能材料。复合材料具有高比刚度、高比强度以及良好的耐腐蚀性和耐疲劳性，使其在航空领域中应用广泛。对于复合材料结构的检测，最直观的方式是射线检测，特别是工业CT(Computed Tomography,计算机断层扫描术)检测。航空维修是指对飞机上的技术装备进行的维护和修理，以确保飞机的安全。随着飞机视情维修方式的不断发展和推广应用，对飞机机件故障的无损检测要求越来越高。作为航空发动机的关键件，航空发动机叶片的应力状态复杂、工作温度高、工作环境恶劣,涡流、渗透和X射线照相等以往的检测方法已不足以满足研制叶片时对检测数据准确性和可溯源性的急切需求。

近年来，工业CT技术凭借其不受试件形状和材料限制的先天优势，可有效满足AM、复合材料、航空维修和发动机叶片等领域中高质量、高精度的检测需求。工业CT在国际上被业界评价为最佳的NDT手段，号称“工业神医”[3]，并能较好地解决航空工业产品检测难题。

1.1 工业CT概述

CT技术是根据某种物理量(如波速、X线光强、电子束强等)穿透物体后得到的投影数据，由相应的数学方法经过计算机处理，将物体特定层面上的二维图像进行重建，并依据重建后的二维图像构成三维图像的技术[4]。待测材料的辐射密度可从CT图像中的灰度值中反映出来，以此发现待测物内部辐射密度的细微变化[5]。

下面将以工作中最常用的射线工业CT为例，介绍其原理、组成和应用。

1.2 工业CT的组成

射线工业CT系统主要包括射线源、机械扫描运动系统、探测器和计算机系统(硬件和软件)等部件。如图1所示[6]，在工业CT系统中由射线源提供射线以穿透试件，射线穿过物体不同的结构和位置时信号衰减情况不同，并得到对应位置的灰度值。射线信号穿透试件后由探测器接收，经过放大和模数转换后，待测物材料内各点的衰减系数由计算机以特定的算法重建成CT图像[7]。

图1 工业CT系统的组成示意图

1.3 检测能力及其影响因素

1.3.1 工业CT系统的检测能力

每一台CT设备都有其特定的检测能力，在进行CT数据采集之前，应充分地了解所使用的CT检测系统的检测能力，其主要包括：密度分辨率、空间分辨率、扫描速度、测量范围、最大可穿透厚度、针对不同材料的扫描能力、准确度和软件的能力等[8]。

1.3.2 影响工业CT检测的因素

根据德国标准VDI/VDE 2630-Part1.2总结的结论，影响工业CT检测的因素可以分为人、机、料、法、环共5类，如表1所示[9]。

表1 影响工业CT检测结果的因素

1.4 工业CT的优势与劣势

CT技术在不分解和不破坏产品状态下，能清晰、直观、准确地呈现被检测物体内部的结构、组成成分、几何尺寸、密度变化以及缺陷的性质、位置和大小，得到相对应的二维图像，经由特定的算法得到被测工件的三维立体图，信息叠加可忽略不计。其检测图像由带有体素尺寸的灰度值呈现，且数字化结果便于存储、传输、处理和分析等[10]。在合适的条件下，其具有稳定的动态范围和可靠性、高密度分辨率和高空间分辨率。

即使技术上工业CT有着无可比拟的优越性，以下因素却一直在制约着这项技术的应用。

① 设备昂贵，动辄数百万元。

② 检测效率低，相比于射线或超声检测，单次CT检测要花费数倍的时间。

③ 使用门槛高，数据采集和处理的复杂操作与参数选择使得用户友好性较差。

④ 应用范围窄，设备专用性较强，测量尺寸和测量精度难以平衡。

⑤ 易产生伪影和噪声且难以克服，图像处理过程复杂且可重复性不高。

AM零件中的裂纹、熔合不良、夹杂和孔隙等缺陷可通过工业CT进行检测[11]，尤其是结构形状复杂且尺寸较小的零件。例如，燃油喷嘴和网格结构等复杂零件对残留粉末和较小孔隙等缺陷有检测需求，适合通过工业CT进行表征[12]。将工业CT检测技术应用于AM结构件的无损检测和几何测量，可检测出AM件中网格结构的裂纹，通过改变检测参数还可检测出零件中的粉末残留。图2为尼康公司CT检测某金属AM件的内部缺陷案例[13]。

图2 金属AM件的CT检测结果

2.1 孔隙测量

借助工业CT技术来测量AM成品的孔隙率和密度、研究孔的形态和分布，已经成为一种较为成熟的手段。工业CT可给出AM件的体积孔隙率数值，以及在每个切片上孔隙率值，如有需要，软件可以给出孔隙分布的信息(如图3所示)。

图3 AM件的孔隙率测量

除成品之外，Slotwinski等[14]借助XCT分析粉末床熔化AM中粉末的形态。Maskery等[15]研究表明，与传统的SEM(Scanning Electron Microscope,扫描电子显微镜)横切切片观察相比，工业CT在定量缺陷分析方面表现更佳。因为在得到AM制件内部信息的情况下，SEM需要大量的显微图片，并对制件有破坏性。

借助其他技术配合工业CT来共同完成对AM制品的质量检测与性能表征将成为行业主流。Castilho等[16]借助阿基米德法、SEM、工业CT和高精度照片扫描共同完成对AM制件的尺寸准确性、孔隙率和机械性能的研究。在准确性方面，CT技术不如阿基米德法，但在测量孔隙的分布性情况方面，CT技术是当前最可靠的NDT手段。

2.2 尺寸形态测量

由于AM制品具有复杂的结构和拓扑结构，传统的手段(如三坐标测量仪)已不能满足AM制品的尺寸和形态测量需求，工业CT技术成为AM制品常用的尺寸形态测量方式。通过将形态学上的偏差和缺陷分析与额定的CAD(计算机辅助设计)数据作为对比，可以借助工业CT来验证并评估CAD模型的精准度，主要涉及到相关测量的不准确性和公差分析。点阵结构的复杂性导致其测量方式受到限制，而CT技术正好可以突破该限制并可准确地测量点阵结构。此外，CT技术还可以帮助制作并开发AM标准试件[17]。图4为AM复杂零件的CT测量实例，这是其他测量手段达不到的尺寸测量和直观效果[18]。

图4 工业CT测量AM零件尺寸的图像

除常规CT检测外，高分辨率工业CT对复合材料试件的微观检测和分析会更加详细精准。不仅可分析孔隙率和孔隙分布状态内部纤维方向、纤维含量和有限元分析等，而且可以得到裂纹、夹杂、变形和分层等结构缺陷的信息[19-20]。工业CT图像能够显示出复合材料各组分的密度特性并准确地检测出缺陷，不但可为复材结构零件的设计、制造反馈内部形态特征，而且可确保复合材料的可靠使用。将制造工艺和工业CT技术有效结合，可以尽早发现缺陷，改进生产工艺[21]。

针对复合材料结构的研制，某制造商利用工业CT开展长桁机加边缘缺陷定位和原因分析、复合材料样品孔隙率分析、雷击试验件损伤评估、热塑性复合材料原位成型工艺质量评价等工作，对新技术研发及其工艺改进起到极大的推动作用。例如某升降舵梁在制造过程中，内R角表面出现不明原因的泛白，经工业CT检测后发现泛白处出现大片的孔隙，如图5所示。

图5 工业CT检测后切片图

根据工业CT自身的特点，其在航空维修中的应用主要体现在逆向设计、故障检测与诊断、尺寸测量3个方面。

4.1 逆向设计应用

工业CT可以实现高精度公差件、航空机械类产品零件及其装配件、航空电子电器类器件等的逆向测绘，逆向设计流程如图6所示。将三维建模模型数据和逆向测绘相结合可用于飞机维修中无数模零件的修复、便捷原型制造和数字化维修、AM或3D打印修复、CAD/CAM软件的改进设计和有限元分析，这些功能将大幅提升飞机维修的效率[22]。

图6 工业CT逆向设计流程

4.2 故障检测与诊断

不可拆机电产品、电子元器件和电路板等内部封闭器件可以借助工业CT技术进行失效分析和故障诊断与定位，工业CT在航空产品视情维修中有巨大的潜在应用空间。例如，在进行飞机上某些核心部位的装配检查时，工业CT可以清晰地发现螺钉装配、焊接人为差错。当存在故障分析争议时工业CT的价值更大。安装部位的位置准确度、形变、间隙和缺陷等是具体的检查内容[23]。

4.3 尺寸测量

工业CT作为目前传统接触式测量方法的辅助手段，常用于复杂、异形件内部封闭区的尺寸测量。其数据分析软件中可以实现点、线、面、立体等各种形状的拟合，大量的采样点能带来更高的测量精度。其应用于飞机尺寸测量的各个角落，如偏软材质的橡胶用品尺寸测量和零部件的壁厚分析等[24]。

图7为通过工业CT对某接地模块进行检测，测量结果可以判断模块基座和金属卡簧是否符合设计图的尺寸偏差。

图7 故障分析时的CT检测实例

5.1 航空发动机叶片的三维缺陷检测

针对航空发动机涡轮叶片，张祥春等[25]给出这类异形结构的多种重建算法，其中包括反投影滤波算法(BPF)、T-FDK算法和滤波反投影(FBP)算法等大视野锥束CT图像重建算法，从多重角度还原叶片内部的气孔、裂纹、夹杂等缺陷。图8为常用的CT检测叶片裂纹分析图[25]。

图8 叶片裂纹缺陷三维分析图

5.2 航空发动机叶片的壁厚测量

为保障航空发动机的可靠性，要求精准测量发动机叶片不同界面处的内、外表面法线方向的厚度。当前，航空高温合金空心叶片的主要测量技术是超声测厚手段，在测量单晶材料制品和曲率较大的叶片时该方法的结果不准确[26]。程云勇等[27]在应用案例和相应的检测试验过程等方面对工业CT技术在单晶叶片测厚的应用做了简单介绍，并对工业CT测厚误差进行图9所示分析。

图9 发动机叶片壁厚测量实例

5.3 反向工程测量涡轮叶片壁厚

目前的工业CT叶片壁厚测量方法都较为复杂且效率低下，大部分经各实验室自行研发，相对测量误差在0.28%～5.45%之间[28]。为了简化测量并保证测量精度，张莉等[29]研发出一套基于工业CT反向工程的叶片测厚方法。得益于灰度直方图的Otsu阈值分割算法和商用反向工程软件Imageware，工业CT壁厚测量过程得以加快，且降低了编程开发难度。实验证实，这种测厚方法的精度达到0.01 mm，相对误差约为0.33%，有效满足了叶片壁厚的检测要求，极具了推广意义。

经以上讨论，现将工业CT在航空工业中的应用总结为以下方面：① 材料内部缺陷的检测；
② 对零部件结构尺寸进行测量；
③ 对问题产品进行故障分析；
④ 逆向工程；
⑤ 产品内部装配关系的判定[27]。航空领域对零件的质量要求尤其高(高精度、高质量、高密封性等)，而工业CT检测技术可有效满足其质量检测要求。其检测广泛应用于叶片、发动机、起落架、液压系统和机身材料等零部件的设计、生产和在役维修维护等阶段。

对工业CT在我国航空领域的应用展望为：① 国产化工业CT设备的研制与优化，并研发国产三维数据处理软件和重建算法；
② 建立工业CT技术标准检测体系，并研制配套的标准试块；
③ 降低应用成本和应用门槛，扩大应用范围，提高检测精度和效率。

随着工业CT技术的不断发展，航空工业的检测需求亦会不断提升，工业CT技术在航空领域的应用将愈发广泛，应用效果亦将更加显著。

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