工业CT在航空工业的应用_章镇.pdf

综述测控技术2023 年第 42 卷第 2 期收稿日期:2021 11 01引用格式:章镇，肖鹏 工业 CT 在航空工业的应用 J 测控技术，2023，42(2):1 6ZHANG Z，XIAO P Application of Industrial CT in Aviation J Measurement Control Technology，2023，42(2):1 6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)摘要:随着飞机新型号的不断推出，航空工业对于产品的尺寸测量、缺陷检测和内部结构可视化等检测需求日益增多，传统的检测技术已无法满足这些高精度、高质量的需求。阐述了工业 CT 的原理、检测能力、影响检测能力的因素和工业 CT 的局限性与挑战。随后介绍了工业 CT 在增材制造、复合材料、飞机维修和航空发动机等方面的应用，简述了工业 CT 在尺寸形态、孔隙测量、逆向设计、三维缺陷、故障检测与诊断和壁厚测量等方面的优势与应用现状。工业 CT 能很好地解决目前航空工业中的检测难题，具有不受产品材料和形状限制的独特优势。关键词:无损检测;工业 CT;尺寸测量;缺陷分析;逆向工程;三维成像中图分类号:TP391;V262文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)02 0001 06doi:10 19708/j ckjs 2022 03 243Application of Industrial CT in AviationZHANG Zhen*，XIAO Peng(Composites Center，Shanghai Aircraft Manufacturing Co，Ltd，Shanghai 201324，China)Abstract:With the introduction of new aircraft models in the aviation industry，testing requirements for productsize measurement，defect detection and the visualization of internal structure are increasing，and traditional tes-ting technology can t meet these high-precision，high-quality requirements The principle of industrial CT，de-tection ability，factors affecting detection ability，the limitations and challenges of industrial CT are expoundedThen，the application of industrial CT in additive manufacturing，composite materials，aircraft maintenance andaero-engine are introduced The advantages and applications of industrial CT in dimension form，pore measure-ment，reverse design，3D defect，fault detection and diagnosis，and wall thickness measurement，are briefly de-scribed Industrial CT can solve the detection problems encountered in the aviation industry，with the uniqueadvantage of not being limited by product materials and shapeKey words:non-destructive testing;industrial CT;size measurement;defect analysis;reverse engineering;3Dimaging在航空工业体系中，无损检测(Non-DestructiveTesting，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1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工业 CT 的基本特点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。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、针对不同材料图 1工业 CT 系统的组成示意图的扫描能力、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 检测结果的因素类型影响因素操作人员(人)试件放置和方向、放大倍数、射线源设置、投影的数量、测量策略CT 系统(机)射线源、探测器、载物系统试件(料)材料组成、尺寸和形状、表面织物数据处理(法)3D 重建、取阈值和生成表面环境(环)温度、振动、湿度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。设备昂贵，动辄数百万元。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。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。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。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。2测控技术 2023 年第 42 卷第 2 期2工业 CT 在 AM 中的应用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 3AM 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3工业 CT 在复合材料检测中的应用除常规 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