張祥春，周言賢，劉 安，王俊濤

(中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的三維CT檢測(cè)

張祥春，周言賢，劉 安，王俊濤

(中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028)

介紹了三維CT(計(jì)算機(jī)層析成像)成像的原理，給出了針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片這種異形結(jié)構(gòu)的多模式重建算法，進(jìn)行了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的三維CT檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明：三維工業(yè)CT技術(shù)能從多個(gè)方位表征葉片內(nèi)部的裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，比膠片射線照相更加直觀、全面，值得推廣。

三維CT；航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片；應(yīng)用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片因工作溫度高、應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣而被列為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件。迄今為止，針對(duì)葉片內(nèi)部缺陷檢測(cè)主要采用滲透、渦流及X射線照相等方法，這些檢測(cè)方法嚴(yán)重依賴于人工判讀和經(jīng)驗(yàn)，不僅效率低下、漏檢率高，而且數(shù)據(jù)獲取困難、可靠性低；同時(shí)，型殼內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜且特殊而難以檢測(cè)。因此，目前傳統(tǒng)檢測(cè)手段無法支持后續(xù)的數(shù)字化質(zhì)量跟蹤與分析，難以滿足國內(nèi)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的研制對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)完整性和可跟蹤性的迫切需求。

三維CT技術(shù)具有可給出被檢測(cè)物體的三維圖像，清晰地展示所檢對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系、物質(zhì)組成及缺陷狀況，不受周圍細(xì)節(jié)特征遮擋，圖像容易識(shí)別和理解等諸多優(yōu)點(diǎn)，在缺陷定位定量檢測(cè)、內(nèi)部關(guān)鍵尺寸測(cè)量、結(jié)構(gòu)分析及密度表征等方面得到了廣泛的應(yīng)用。其結(jié)合圖像序列分析技術(shù)，可為解決渦輪葉片內(nèi)部缺陷的無損檢測(cè)及評(píng)估提供一種新的技術(shù)途徑和手段。

筆者給出了針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片異形結(jié)構(gòu)的多模式重建算法，進(jìn)行了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的三維CT檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)取得了較好的效果。

1 三維CT的成像原理

圖1 三維CT掃描成像示意

隨著面陣列探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，三維CT技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用。與二維平行束、扇形束掃描相比，三維CT的射線利用率更高，需要的掃描時(shí)間更短，同時(shí)具有掃描數(shù)百個(gè)斷層的能力，并能獲得各向均勻、高精度的空間分辨率。三維CT掃描成像示意如圖1所示?？梢?，射線源產(chǎn)生錐束X射線穿過被檢工件后到達(dá)面陣列探測(cè)器，得到一個(gè)角度下的投影圖像；旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)帶動(dòng)被檢工件旋轉(zhuǎn)，由此獲得不同角度下的投影圖像，這些投影數(shù)據(jù)被及時(shí)傳遞到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過三維CT重建算法完成CT圖像重建，獲得所需要的CT斷層圖像。

2 三維CT多模式重建算法

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的CT成像中，由于其材料和形狀的特殊性，從物理層面決定了其X光掃描數(shù)據(jù)的特殊性，從而極大地增加了CT成像的難度。CT重建方法可以說是CT成像系統(tǒng)工作的靈魂，故研究適應(yīng)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片這種異型零部件成像的多模式重建算法是特別有必要的。其多模式重建算法除了卷積反投影法，還包括有限角度投影數(shù)據(jù)重建法和大視野錐束CT重建法。

有限角度投影數(shù)據(jù)屬于不完備投影數(shù)據(jù)，投影數(shù)據(jù)的完備性直接影響著重建圖像的質(zhì)量。其可從以下幾方面來理解。

(1) 根據(jù)中心切片定理可知，有限角度重建問題可轉(zhuǎn)化為頻域帶限函數(shù)問題，由此，可以使用帶限函數(shù)外推理論對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，結(jié)合GP(Gerchberg-Papoulis)算法的思想與SART(聯(lián)合代數(shù)迭代)算法得到改進(jìn)的重建：迭代過程中運(yùn)用已知角度的投影數(shù)據(jù)重建圖像，再用重建的圖像對(duì)未知角度的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全，最后用補(bǔ)全后的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建。

(2) 針對(duì)有限角的數(shù)據(jù)特征，結(jié)合壓縮感知理論，設(shè)計(jì)各向異性的全變分先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?1)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化迭代重建方案，減少有限角的偽影。

(3) 在三維有限角成像中，充分利用層間信息關(guān)聯(lián)，使用三維像素局部平滑限制條件，改善三維重建的穩(wěn)定性。因此，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片三維CT成像有限角度投影數(shù)據(jù)重建的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示，其采用GP梯度+SART重建+TV(全變分)，其中TV的設(shè)計(jì)利用層間關(guān)聯(lián)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 葉片CT成像有限角度投影數(shù)據(jù)重建的實(shí)現(xiàn)框圖

圖3 大視野CT圖像重建方法的實(shí)現(xiàn)流程

大視野錐束CT圖像重建的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示，其分別使用濾波反投影(FBP)算法，T-FDK算法和反投影濾波(BPF)算法進(jìn)行重建，對(duì)三維插值方式進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)噪聲水平估計(jì)結(jié)果選擇最佳算法。對(duì)于實(shí)現(xiàn)大視野CT成像的TR、RT以及RTT，掃描模式的重建算法多為投影數(shù)據(jù)的插值后使用FBP型重建算法進(jìn)行重建。在三維錐束的旋轉(zhuǎn)平移方式中,通常把采集的投影數(shù)據(jù)重排成傾斜平行投影數(shù)據(jù)，使用T-FDK方法進(jìn)行重建。這里，投影數(shù)據(jù)的重排有可能降低重建圖像的空間分辨率，但其重建圖像的噪聲分布比較均勻穩(wěn)定。BPF是21世紀(jì)以來提出的一種新的重建方法，其主要特點(diǎn)在于反投影之前計(jì)算數(shù)據(jù)的偏導(dǎo)，從而可方便地處理數(shù)據(jù)截?cái)嗷蛘叨喽螖?shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)插值對(duì)空間分辨率的影響，但BPF算法容易引起噪聲放大和噪聲分布的不均勻。

針對(duì)上述情況，根據(jù)系統(tǒng)的不同掃描方式分別利用FBP、T-FDK、BPF 3類算法實(shí)現(xiàn)RT掃描重建。在算法層面主要從以下幾個(gè)方面著手實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的圖像重建。首先是優(yōu)化插值方法，建立多次偏置條件下掃描劑量不穩(wěn)定的校正方法，降低二維FBP算法和三維T-FDK算法的插值對(duì)空間分辨率的影響；其次，CT投影數(shù)據(jù)的噪聲綜合了光源的電壓、探測(cè)器效率、電子學(xué)噪聲等因素的影響，筆者對(duì)數(shù)據(jù)的噪聲水平利用Anscomb變換(一種實(shí)時(shí)噪聲估計(jì)方法)進(jìn)行估計(jì)，并據(jù)此對(duì)投影數(shù)據(jù)進(jìn)行可變參數(shù)去噪，提高重建圖像的密度分辨率；第三，BPF重建算法的流程包括：對(duì)投影數(shù)據(jù)求加權(quán)偏導(dǎo)、加權(quán)反投影和有限區(qū)間上的Hilbert逆變換。筆者根據(jù)BPF的基本算法思路，設(shè)計(jì)針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)多次偏置數(shù)據(jù)采集方式的BPF算法，并在投影加權(quán)步驟中增加去噪濾波，抑制普通BPF算法對(duì)噪聲的放大。

使用基于GPU加速的GPGPU算法。GPGPU考慮的主要參數(shù)有數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)采集時(shí)序、圖像重建尺寸、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性等。根據(jù)不同算法的步驟針對(duì)性地進(jìn)行可并行性計(jì)算分解，設(shè)計(jì)最有效內(nèi)核計(jì)算、設(shè)計(jì)GPU的內(nèi)存分配減少數(shù)據(jù)交互等，編制最終GPGPU加速的算法程序。其中，投影和加權(quán)反投影是上述重建算法的海量數(shù)據(jù)所在，以按像素分配線程、按射線分配線程和按PI線分配線程方式綜合平衡計(jì)算量的并行分配和數(shù)據(jù)調(diào)度。此外，在大視野CT成像中，由于通過轉(zhuǎn)臺(tái)多次偏置方式的數(shù)據(jù)獲取時(shí)序與常規(guī)數(shù)據(jù)采集的時(shí)序有很大差異，采用GPGPU技術(shù)對(duì)此重建算法中的并行塊、流和處理核進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要的架構(gòu)與常規(guī)重建時(shí)的不同，筆者將采用多層次加速的方法使算法速度能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片三維CT檢測(cè)的需要。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片三維CT檢測(cè)

3.1 裂紋缺陷三維CT檢測(cè)

渦輪葉片內(nèi)部存在的裂紋缺陷，使用常規(guī)熒光方法難以發(fā)現(xiàn)；而膠片射線照相檢測(cè)方法受透照方式限制，顯示清晰度較差，不能有效表征內(nèi)部存在的裂紋缺陷。

當(dāng)葉片內(nèi)部裂紋的走向與射線束的夾角過小時(shí)，膠片射線照相檢測(cè)是較難發(fā)現(xiàn)此類缺陷的。而三維CT檢測(cè)則對(duì)裂紋的走向沒有要求，只要工業(yè)CT系統(tǒng)的分辨率能夠達(dá)到要求，就能檢測(cè)出葉片內(nèi)部的裂紋缺陷。

采用高分辨率的微焦三維CT對(duì)內(nèi)部裂紋缺陷進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，采用多模式重建算法重建成像。檢測(cè)參數(shù)為：射線源焦點(diǎn)尺寸5 μm；管電壓240 kV；管電流100 μA 。其檢測(cè)效果如圖4所示，可見圖上能清晰地反映出裂紋缺陷的走向和形貌。

圖4 葉片裂紋缺陷三維CT圖

3.2 氣孔缺陷三維CT檢測(cè)

葉片內(nèi)部氣孔缺陷為體積型缺陷，三維CT能從不同方向全方位地展示氣孔缺陷的形貌，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 葉片內(nèi)部氣孔缺陷三維CT圖

圖6 葉片夾雜缺陷(砂眼) 三維CT圖

圖7 葉片夾雜(斷芯) 缺陷三維CT圖

3.3 夾雜缺陷三維CT檢測(cè)

夾雜是指葉片內(nèi)存在的低密度或高密度異物，為體積型缺陷，使用三維CT對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖6～8所示?？梢?，圖上能清晰地反映出夾雜缺陷的形貌。

圖8 葉片夾雜(斷芯) 缺陷三維CT圖(局部放大)

4 結(jié)論

(1) 三維工業(yè)CT技術(shù)能從多個(gè)方位表征航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片內(nèi)部的裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，比膠片射線照相技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果更加直觀、全面。

(2) 細(xì)小缺陷的檢測(cè)效果，主要取決于工業(yè)CT系統(tǒng)的性能，因此，為了檢測(cè)出更小、更細(xì)的葉片缺陷，需采用高分辨工業(yè)CT系統(tǒng)。

(3) 三維CT技術(shù)具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，可為解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的無損檢測(cè)及無損評(píng)估提供一種新的技術(shù)途徑和手段。

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The Three-Dimensional CT Detection of Aero-Engine Turbine Blade

ZHANG Xiangchun, ZHOU Yanxian, LIU An, WANG Juntao

(AVIC China Aero-Polytechnology Establishment, Beijing 100028, China)

An introduction is made on the theory of three-dimensional CT imaging, and a reconstruction algorithm for the abnormal structure such as aero-engine turbine blade is given. Researches on the three-dimensional CT gas turbine engine test were carried out. Results show that the 3D industrial CT technology can characterize the internal cracks, such as porosity, inclusions and other defects from multiple azimuths, resulting in more direct and more complete viewing of the defects than film radiography, and is worthy of promotion.

3D CT; aero-engine turbine blade; application

2017-01-03

張祥春(1981-)，男，高級(jí)工程師，主要從事射線檢測(cè)及工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)研究

張祥春, zhangxc215@163.com

10.11973/wsjc201708008

TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0034-03