章 鎮(zhèn)， 肖 鵬

(上海飛機制造有限公司 復(fù)合材料中心，上海 201324)

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

隨著新型材料的出現(xiàn)，部分復(fù)雜儀器內(nèi)部缺陷、尺寸，甚至裝配情況需要在維修時原位狀態(tài)下檢測[2]。增材制造(Additive Manufacturing,AM)，或稱3D打印，是一種以計算機設(shè)計的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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(shù)。如何快速、高精度并準(zhǔn)確地檢測AM內(nèi)部的尺寸分布、缺陷種類、形狀和分布規(guī)律成為限制該技術(shù)走向大眾應(yīng)用的關(guān)鍵。復(fù)合材料是通過采用前沿的材料成型技術(shù)將不同的材料組合而成的高性能材料。復(fù)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(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的檢測，最直觀的方式是射線檢測，特別是工業(yè)CT(Computed Tomography,計算機斷層掃描術(shù))檢測。航空維修是指對飛機上的技術(shù)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(fā)展和推廣應(yīng)用，對飛機機件故障的無損檢測要求越來越高。作為航空發(fā)動機的關(guān)鍵件，航空發(fā)動機葉片的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜、工作溫度高、工作環(huán)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(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可溯源性的急切需求。

近年來，工業(yè)CT技術(shù)憑借其不受試件形狀和材料限制的先天優(yōu)勢，可有效滿足AM、復(fù)合材料、航空維修和發(fā)動機葉片等領(lǐng)域中高質(zhì)量、高精度的檢測需求。工業(yè)CT在國際上被業(yè)界評價為最佳的NDT手段，號稱“工業(yè)神醫(yī)”[3]，并能較好地解決航空工業(yè)產(chǎn)品檢測難題。

1 工業(yè)CT的基本特點

1.1 工業(yè)CT概述

CT技術(shù)是根據(jù)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(shù)據(jù)，由相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法經(jīng)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(jù)重建后的二維圖像構(gòu)成三維圖像的技術(shù)[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(fā)現(xiàn)待測物內(nèi)部輻射密度的細(xì)微變化[5]。

下面將以工作中最常用的射線工業(yè)CT為例，介紹其原理、組成和應(yīng)用。

1.2 工業(yè)CT的組成

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

圖1 工業(yè)CT系統(tǒng)的組成示意圖

1.3 檢測能力及其影響因素

1.3.1 工業(yè)CT系統(tǒng)的檢測能力

每一臺CT設(shè)備都有其特定的檢測能力，在進行CT數(shù)據(jù)采集之前，應(yīng)充分地了解所使用的CT檢測系統(tǒng)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(zhǔn)確度和軟件的能力等[8]。

1.3.2 影響工業(yè)CT檢測的因素

根據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)VDI/VDE 2630-Part1.2總結(jié)的結(jié)論，影響工業(yè)CT檢測的因素可以分為人、機、料、法、環(huán)共5類，如表1所示[9]。

表1 影響工業(yè)CT檢測結(jié)果的因素

1.4 工業(yè)CT的優(yōu)勢與劣勢

CT技術(shù)在不分解和不破壞產(chǎn)品狀態(tài)下，能清晰、直觀、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)被檢測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成成分、幾何尺寸、密度變化以及缺陷的性質(zhì)、位置和大小，得到相對應(yīng)的二維圖像，經(jīng)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(xiàn)，且數(shù)字化結(jié)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(wěn)定的動態(tài)范圍和可靠性、高密度分辨率和高空間分辨率。

即使技術(shù)上工業(yè)CT有著無可比擬的優(yōu)越性，以下因素卻一直在制約著這項技術(shù)的應(yīng)用。

① 設(shè)備昂貴，動輒數(shù)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(shù)倍的時間。

③ 使用門檻高，數(shù)據(jù)采集和處理的復(fù)雜操作與參數(shù)選擇使得用戶友好性較差。

④ 應(yīng)用范圍窄，設(shè)備專用性較強，測量尺寸和測量精度難以平衡。

⑤ 易產(chǎn)生偽影和噪聲且難以克服，圖像處理過程復(fù)雜且可重復(fù)性不高。

2 工業(yè)CT在AM中的應(yīng)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(yè)CT進行檢測[11]，尤其是結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜且尺寸較小的零件。例如，燃油噴嘴和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等復(fù)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(yè)CT進行表征[12]。將工業(yè)CT檢測技術(shù)應(yīng)用于AM結(jié)構(gòu)件的無損檢測和幾何測量，可檢測出AM件中網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的裂紋，通過改變檢測參數(shù)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(nèi)部缺陷案例[13]。

圖2 金屬AM件的CT檢測結(jié)果

2.1 孔隙測量

借助工業(yè)CT技術(shù)來測量AM成品的孔隙率和密度、研究孔的形態(tài)和分布，已經(jīng)成為一種較為成熟的手段。工業(yè)CT可給出AM件的體積孔隙率數(shù)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(tài)。Maskery等[15]研究表明，與傳統(tǒng)的SEM(Scanning Electron Microscope,掃描電子顯微鏡)橫切切片觀察相比，工業(yè)CT在定量缺陷分析方面表現(xiàn)更佳。因為在得到AM制件內(nèi)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(shù)配合工業(yè)CT來共同完成對AM制品的質(zhì)量檢測與性能表征將成為行業(yè)主流。Castilho等[16]借助阿基米德法、SEM、工業(yè)CT和高精度照片掃描共同完成對AM制件的尺寸準(zhǔn)確性、孔隙率和機械性能的研究。在準(zhǔn)確性方面，CT技術(shù)不如阿基米德法，但在測量孔隙的分布性情況方面，CT技術(shù)是當(dāng)前最可靠的NDT手段。

2.2 尺寸形態(tài)測量

由于AM制品具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的手段(如三坐標(biāo)測量儀)已不能滿足AM制品的尺寸和形態(tài)測量需求，工業(yè)CT技術(shù)成為AM制品常用的尺寸形態(tài)測量方式。通過將形態(tài)學(xué)上的偏差和缺陷分析與額定的CAD(計算機輔助設(shè)計)數(shù)據(jù)作為對比，可以借助工業(yè)CT來驗證并評估CAD模型的精準(zhǔn)度，主要涉及到相關(guān)測量的不準(zhǔn)確性和公差分析。點陣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致其測量方式受到限制，而CT技術(shù)正好可以突破該限制并可準(zhǔn)確地測量點陣結(jié)構(gòu)。此外，CT技術(shù)還可以幫助制作并開發(fā)AM標(biāo)準(zhǔn)試件[17]。圖4為AM復(fù)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(yè)CT測量AM零件尺寸的圖像

3 工業(yè)CT 在復(fù)合材料檢測中的應(yīng)用

除常規(guī)CT檢測外，高分辨率工業(yè)CT對復(fù)合材料試件的微觀檢測和分析會更加詳細(xì)精準(zhǔn)。不僅可分析孔隙率和孔隙分布狀態(tài)內(nèi)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(jié)構(gòu)缺陷的信息[19-20]。工業(yè)CT圖像能夠顯示出復(fù)合材料各組分的密度特性并準(zhǔn)確地檢測出缺陷，不但可為復(fù)材結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計、制造反饋內(nèi)部形態(tài)特征，而且可確保復(fù)合材料的可靠使用。將制造工藝和工業(yè)CT技術(shù)有效結(jié)合，可以盡早發(fā)現(xiàn)缺陷，改進生產(chǎn)工藝[21]。

針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研制，某制造商利用工業(yè)CT開展長桁機加邊緣缺陷定位和原因分析、復(fù)合材料樣品孔隙率分析、雷擊試驗件損傷評估、熱塑性復(fù)合材料原位成型工藝質(zhì)量評價等工作，對新技術(shù)研發(fā)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(nèi)R角表面出現(xiàn)不明原因的泛白，經(jīng)工業(yè)CT檢測后發(fā)現(xiàn)泛白處出現(xiàn)大片的孔隙，如圖5所示。

圖5 工業(yè)CT檢測后切片圖

4 工業(yè)CT在航空維修中的應(yīng)用

根據(jù)工業(yè)CT自身的特點，其在航空維修中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在逆向設(shè)計、故障檢測與診斷、尺寸測量3個方面。

4.1 逆向設(shè)計應(yīng)用

工業(yè)CT可以實現(xiàn)高精度公差件、航空機械類產(chǎn)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(shè)計流程如圖6所示。將三維建模模型數(shù)據(jù)和逆向測繪相結(jié)合可用于飛機維修中無數(shù)模零件的修復(fù)、便捷原型制造和數(shù)字化維修、AM或3D打印修復(fù)、CAD/CAM軟件的改進設(shè)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(yè)CT逆向設(shè)計流程

4.2 故障檢測與診斷

不可拆機電產(chǎn)品、電子元器件和電路板等內(nèi)部封閉器件可以借助工業(yè)CT技術(shù)進行失效分析和故障診斷與定位，工業(yè)CT在航空產(chǎn)品視情維修中有巨大的潛在應(yīng)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(yè)CT可以清晰地發(fā)現(xiàn)螺釘裝配、焊接人為差錯。當(dāng)存在故障分析爭議時工業(yè)CT的價值更大。安裝部位的位置準(zhǔn)確度、形變、間隙和缺陷等是具體的檢查內(nèi)容[23]。

4.3 尺寸測量

工業(yè)CT作為目前傳統(tǒng)接觸式測量方法的輔助手段，常用于復(fù)雜、異形件內(nèi)部封閉區(qū)的尺寸測量。其數(shù)據(jù)分析軟件中可以實現(xiàn)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(yīng)用于飛機尺寸測量的各個角落，如偏軟材質(zhì)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(yè)CT對某接地模塊進行檢測，測量結(jié)果可以判斷模塊基座和金屬卡簧是否符合設(shè)計圖的尺寸偏差。

圖7 故障分析時的CT檢測實例

5 工業(yè)CT在航空發(fā)動機中的應(yīng)用

5.1 航空發(fā)動機葉片的三維缺陷檢測

針對航空發(fā)動機渦輪葉片，張祥春等[25]給出這類異形結(jié)構(gòu)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(nèi)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(fā)動機葉片的壁厚測量

為保障航空發(fā)動機的可靠性，要求精準(zhǔn)測量發(fā)動機葉片不同界面處的內(nèi)、外表面法線方向的厚度。當(dāng)前，航空高溫合金空心葉片的主要測量技術(shù)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(jié)果不準(zhǔn)確[26]。程云勇等[27]在應(yīng)用案例和相應(yīng)的檢測試驗過程等方面對工業(yè)CT技術(shù)在單晶葉片測厚的應(yīng)用做了簡單介紹，并對工業(yè)CT測厚誤差進行圖9所示分析。

圖9 發(fā)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(yè)CT葉片壁厚測量方法都較為復(fù)雜且效率低下，大部分經(jīng)各實驗室自行研發(fā)，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(fā)出一套基于工業(yè)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(yè)CT壁厚測量過程得以加快，且降低了編程開發(fā)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(jié)束語

經(jīng)以上討論，現(xiàn)將工業(yè)CT在航空工業(yè)中的應(yīng)用總結(jié)為以下方面：① 材料內(nèi)部缺陷的檢測；② 對零部件結(jié)構(gòu)尺寸進行測量；③ 對問題產(chǎn)品進行故障分析；④ 逆向工程；⑤ 產(chǎn)品內(nèi)部裝配關(guān)系的判定[27]。航空領(lǐng)域?qū)α慵馁|(zhì)量要求尤其高(高精度、高質(zhì)量、高密封性等)，而工業(yè)CT檢測技術(shù)可有效滿足其質(zhì)量檢測要求。其檢測廣泛應(yīng)用于葉片、發(fā)動機、起落架、液壓系統(tǒng)和機身材料等零部件的設(shè)計、生產(chǎn)和在役維修維護等階段。

對工業(yè)CT在我國航空領(lǐng)域的應(yīng)用展望為：① 國產(chǎn)化工業(yè)CT設(shè)備的研制與優(yōu)化，并研發(fā)國產(chǎn)三維數(shù)據(jù)處理軟件和重建算法；② 建立工業(yè)CT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)檢測體系，并研制配套的標(biāo)準(zhǔn)試塊；③ 降低應(yīng)用成本和應(yīng)用門檻，擴大應(yīng)用范圍，提高檢測精度和效率。

隨著工業(yè)CT技術(shù)的不斷發(fā)展，航空工業(yè)的檢測需求亦會不斷提升，工業(yè)CT技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用將愈發(fā)廣泛，應(yīng)用效果亦將更加顯著。