章 鎮(zhèn)， 肖 鵬

(上海飛機(jī)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(wú)損檢測(cè)(Non-Destructive Testing,NDT)技術(shù)在航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和服役過(guò)程中貫穿始終且無(wú)可替代[1]，NDT技術(shù)作為產(chǎn)品質(zhì)量保障和例行檢測(cè)手段，在航空工業(yè)中無(wú)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(wèn)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(shí)原位狀態(tài)下檢測(cè)[2]。增材制造(Additive Manufacturing,AM)，或稱3D打印，是一種以計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，使用粉末狀可粘合材料，通過(guò)將材料逐層堆積的方式來(lái)將物體成型的技術(shù)。如何快速、高精度并準(zhǔn)確地檢測(cè)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(guò)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(qiáng)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(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，最直觀的方式是射線檢測(cè)，特別是工業(yè)CT(Computed Tomography,計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù))檢測(cè)。航空維修是指對(duì)飛機(jī)上的技術(shù)裝備進(jìn)行的維護(hù)和修理，以確保飛機(jī)的安全。隨著飛機(jī)視情維修方式的不斷發(fā)展和推廣應(yīng)用，對(duì)飛機(jī)機(jī)件故障的無(wú)損檢測(cè)要求越來(lái)越高。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件，航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)方法已不足以滿足研制葉片時(shí)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可溯源性的急切需求。

近年來(lái)，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(shì)，可有效滿足AM、復(fù)合材料、航空維修和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等領(lǐng)域中高質(zhì)量、高精度的檢測(cè)需求。工業(yè)CT在國(guó)際上被業(yè)界評(píng)價(jià)為最佳的NDT手段，號(hào)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(cè)難題。

1 工業(yè)CT的基本特點(diǎn)

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(qiáng)、電子束強(qiáng)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(guò)計(jì)算機(jī)處理，將物體特定層面上的二維圖像進(jìn)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(cè)材料的輻射密度可從CT圖像中的灰度值中反映出來(lái)，以此發(fā)現(xiàn)待測(cè)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(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、探測(cè)器和計(jì)算機(jī)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(guò)物體不同的結(jié)構(gòu)和位置時(shí)信號(hào)衰減情況不同，并得到對(duì)應(yīng)位置的灰度值。射線信號(hào)穿透試件后由探測(cè)器接收，經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，待測(cè)物材料內(nèi)各點(diǎn)的衰減系數(shù)由計(jì)算機(jī)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(cè)能力及其影響因素

1.3.1 工業(yè)CT系統(tǒng)的檢測(cè)能力

每一臺(tái)CT設(shè)備都有其特定的檢測(cè)能力，在進(jìn)行CT數(shù)據(jù)采集之前，應(yīng)充分地了解所使用的CT檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力，其主要包括：密度分辨率、空間分辨率、掃描速度、測(cè)量范圍、最大可穿透厚度、針對(duì)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(cè)的因素

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

表1 影響工業(yè)CT檢測(cè)結(jié)果的因素

1.4 工業(yè)CT的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

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(cè)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(duì)應(yīng)的二維圖像，經(jīng)由特定的算法得到被測(cè)工件的三維立體圖，信息疊加可忽略不計(jì)。其檢測(cè)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(chǔ)、傳輸、處理和分析等[10]。在合適的條件下，其具有穩(wěn)定的動(dòng)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(wú)可比擬的優(yōu)越性，以下因素卻一直在制約著這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。

① 設(shè)備昂貴，動(dòng)輒數(shù)百萬(wàn)元。

② 檢測(cè)效率低，相比于射線或超聲檢測(cè)，單次CT檢測(cè)要花費(fèi)數(shù)倍的時(shí)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(qiáng)，測(cè)量尺寸和測(cè)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(guò)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(guò)工業(yè)CT進(jìn)行檢測(cè)[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(duì)殘留粉末和較小孔隙等缺陷有檢測(cè)需求，適合通過(guò)工業(yè)CT進(jìn)行表征[12]。將工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于AM結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)和幾何測(cè)量，可檢測(cè)出AM件中網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的裂紋，通過(guò)改變檢測(cè)參數(shù)還可檢測(cè)出零件中的粉末殘留。圖2為尼康公司CT檢測(cè)某金屬AM件的內(nèi)部缺陷案例[13]。

圖2 金屬AM件的CT檢測(cè)結(jié)果

2.1 孔隙測(cè)量

借助工業(yè)CT技術(shù)來(lái)測(cè)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(gè)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(cè)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?yàn)樵诘玫紸M制件內(nèi)部信息的情況下，SEM需要大量的顯微圖片，并對(duì)制件有破壞性。

借助其他技術(shù)配合工業(yè)CT來(lái)共同完成對(duì)AM制品的質(zhì)量檢測(cè)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(duì)AM制件的尺寸準(zhǔn)確性、孔隙率和機(jī)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(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x)已不能滿足AM制品的尺寸和形態(tài)測(cè)量需求，工業(yè)CT技術(shù)成為AM制品常用的尺寸形態(tài)測(cè)量方式。通過(guò)將形態(tài)學(xué)上的偏差和缺陷分析與額定的CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))數(shù)據(jù)作為對(duì)比，可以借助工業(yè)CT來(lái)驗(yàn)證并評(píng)估CAD模型的精準(zhǔn)度，主要涉及到相關(guān)測(cè)量的不準(zhǔn)確性和公差分析。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致其測(cè)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(cè)量點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。此外，CT技術(shù)還可以幫助制作并開(kāi)發(fā)AM標(biāo)準(zhǔn)試件[17]。圖4為AM復(fù)雜零件的CT測(cè)量實(shí)例，這是其他測(cè)量手段達(dá)不到的尺寸測(cè)量和直觀效果[18]。

圖4 工業(yè)CT測(cè)量AM零件尺寸的圖像

3 工業(yè)CT 在復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用

除常規(guī)CT檢測(cè)外，高分辨率工業(yè)CT對(duì)復(fù)合材料試件的微觀檢測(cè)和分析會(huì)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(cè)出缺陷，不但可為復(fù)材結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)、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(jìn)生產(chǎn)工藝[21]。

針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研制，某制造商利用工業(yè)CT開(kāi)展長(zhǎng)桁機(jī)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(yàn)件損傷評(píng)估、熱塑性復(fù)合材料原位成型工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)等工作，對(duì)新技術(shù)研發(fā)及其工藝改進(jìn)起到極大的推動(dòng)作用。例如某升降舵梁在制造過(guò)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(cè)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(cè)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(diǎn)，其在航空維修中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在逆向設(shè)計(jì)、故障檢測(cè)與診斷、尺寸測(cè)量3個(gè)方面。

4.1 逆向設(shè)計(jì)應(yīng)用

工業(yè)CT可以實(shí)現(xiàn)高精度公差件、航空機(jī)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(cè)繪，逆向設(shè)計(jì)流程如圖6所示。將三維建模模型數(shù)據(jù)和逆向測(cè)繪相結(jié)合可用于飛機(jī)維修中無(wú)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(jìn)設(shè)計(jì)和有限元分析，這些功能將大幅提升飛機(jī)維修的效率[22]。

圖6 工業(yè)CT逆向設(shè)計(jì)流程

4.2 故障檢測(cè)與診斷

不可拆機(jī)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(jìn)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(jìn)行飛機(jī)上某些核心部位的裝配檢查時(shí)，工業(yè)CT可以清晰地發(fā)現(xiàn)螺釘裝配、焊接人為差錯(cuò)。當(dāng)存在故障分析爭(zhēng)議時(shí)工業(yè)CT的價(jià)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(cè)量

工業(yè)CT作為目前傳統(tǒng)接觸式測(cè)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(cè)量。其數(shù)據(jù)分析軟件中可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面、立體等各種形狀的擬合，大量的采樣點(diǎn)能帶來(lái)更高的測(cè)量精度。其應(yīng)用于飛機(jī)尺寸測(cè)量的各個(gè)角落，如偏軟材質(zhì)的橡膠用品尺寸測(cè)量和零部件的壁厚分析等[24]。

圖7為通過(guò)工業(yè)CT對(duì)某接地模塊進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果可以判斷模塊基座和金屬卡簧是否符合設(shè)計(jì)圖的尺寸偏差。

圖7 故障分析時(shí)的CT檢測(cè)實(shí)例

5 工業(yè)CT在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

5.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的三維缺陷檢測(cè)

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)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(dòng)機(jī)葉片的壁厚測(cè)量

為保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，要求精準(zhǔn)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)量技術(shù)是超聲測(cè)厚手段，在測(cè)量單晶材料制品和曲率較大的葉片時(shí)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(cè)試驗(yàn)過(guò)程等方面對(duì)工業(yè)CT技術(shù)在單晶葉片測(cè)厚的應(yīng)用做了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)工業(yè)CT測(cè)厚誤差進(jìn)行圖9所示分析。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片壁厚測(cè)量實(shí)例

5.3 反向工程測(cè)量渦輪葉片壁厚

目前的工業(yè)CT葉片壁厚測(cè)量方法都較為復(fù)雜且效率低下，大部分經(jīng)各實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)，相對(duì)測(cè)量誤差在0.28%～5.45%之間[28]。為了簡(jiǎn)化測(cè)量并保證測(cè)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(cè)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(cè)量過(guò)程得以加快，且降低了編程開(kāi)發(fā)難度。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種測(cè)厚方法的精度達(dá)到0.01 mm，相對(duì)誤差約為0.33%，有效滿足了葉片壁厚的檢測(cè)要求，極具了推廣意義。

6 結(jié)束語(yǔ)

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(cè)；② 對(duì)零部件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測(cè)量；③ 對(duì)問(wèn)題產(chǎn)品進(jìn)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(cè)技術(shù)可有效滿足其質(zhì)量檢測(cè)要求。其檢測(cè)廣泛應(yīng)用于葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架、液壓系統(tǒng)和機(jī)身材料等零部件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和在役維修維護(hù)等階段。

對(duì)工業(yè)CT在我國(guó)航空領(lǐng)域的應(yīng)用展望為：① 國(guó)產(chǎn)化工業(yè)CT設(shè)備的研制與優(yōu)化，并研發(fā)國(guó)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(cè)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(kuò)大應(yīng)用范圍，提高檢測(cè)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(cè)需求亦會(huì)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。