工业CT在航空工业的应用

工业CT在航空工业的应用

郑遨宇

郑州飞机装备有限责任公司河南省郑州市450005

摘要：现如今，我国是21世纪快速发展的新时期，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

引言

随着制造技术的不断进步，复合材料以其高的比强度、比刚度及良好的抗疲劳性和耐腐蚀性在航空航天领域获得广泛的应用及认可，是当前热门的尖端材料技术之一。同时，由于复合材料结构性的影响因素有很多，在制造过程中加工工艺参数的差异都会导致复合材料产生缺陷，这些缺陷会严重影响构件的机械性能和完整性，必须通过无损检测方式来鉴别产品的内部状况，以确保产品质量能满足设计和使用的性能要求。通常使用的无损检测方法，如目视外观检测、声阻法、声谐振法、超声检测技术，能够检测试件的表面和近表面区域的结构性，部分缺陷的位置和大致尺寸，具有操纵简单，检测速度快，实施方便等优点，缺点是检测可靠性低，不能准确数字量化缺陷的大小，而且检测水平主要取决于检测者的技术能力和经验。

1概述

工业CT（ICT）就是计算机层析照相或称工业计算机断层扫描成像。虽然层析成像有关理论的有关数学理论早在1917年由J.Radon提出，但只是在计算机出现后并与放射学科结合后才成为一门新的成像技术。在工业方面特别是在无损检测（NDT）与无损评价（NDE）领域更加显示出其独特之处。因此，国际无损检测界把工业CT称为最佳的无损检测手段。进入80年代以来，国际上主要的工业化国家已把X射线或γ射线的ICT用于航天、航空、军事、冶金、机械、石油、电力、地质、考古等部门的NDT和NDE，检测对象有导弹、火箭发动机、军用密封组件、核废料、石油岩芯、计算机芯片、精密铸件与锻件、汽车轮胎、陶瓷及复合材料、海关毒品、考古化石等。我国90年代也已逐步把ICT技术用于工业无损检测领域。

2工业CT在航空工业的应用

2.1尺寸形态测量

由于AM制品与生俱来的复杂结构和拓扑结构，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的限制，而CT技术正好可以突破该限制而准确地测量点阵结构。此外，CT技术还可以帮助制作并发展AM标准试件。

2.2可靠性提升验证

为验证改进措施的有效性，判断传感器在改进灌胶工艺后，其可靠性是否得到大幅提升，不同操作人员利用自动灌胶系统分批制备了20只感温元件，并将其装配成完整产品。最后对上述20只产品进行了温度冲击、耐久振动和冲击试验。其中耐久振动按正常试验时间的2倍进行，并同时施加温度应力。振动试验全程监控传感器输出电阻，未出现跳变现象。试验结束后，检查试验件外观并测试性能，未出现异常，均满足使用要求。同时利用工业CT(检测设备与试验条件同上)对试验件进行了无损检测。

2.3孔径测量

各种铝质铸件的检测成为工业CT的新兴市场，铸件上出现的孔会严重影响铸件本身的完整性和结构强度。CT层析扫描数据可以显示铸件关键部位的孔质缺陷。体积CT数据组可以输入到高端的软件分析系统中，例如：Graphics®VGStudioMax™，便于产品设计者和工程人员生成详细的铸件孔缺陷报告。用户可以对扫描数据进行体积透视图、彩色孔洞标识等特殊设置，便于识别和量化孔径特性。工业CT扫描仪广泛应于评估发动机组、汽缸盖、燃料泵机箱以及其他各种铸件的质量水平，这些铸件均具有复杂的内部结构特征，采用其他的检测技术都达不到有效的检测目的。

2.4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。为了在简化测量并保证测量精度。得益于灰度直方图的Otsu阈值分割算法和商用反向工程Imageware，工业CT壁厚测量过程有效加快，编程开发难度亦从此降低。实验证实，这种测厚方法的精度达到0．01mm，相对误差约为0．33%，有效满足叶片壁厚的检测要求，极具推广意义。

3工业CT技术在航空航天领域的优势

传统的无损检测手段如射线照相和超声检测能够实现材料内部的缺陷检测，而X射线断层扫描技术即工业CT更具优势。工业CT能够实现3D展示所有内部的缺陷的所有细节，包括缺陷的尺寸、形貌和其他相关信息，自动孔隙计算，壁厚测试和CAD对比。通过对样品的不同方向的不同截面进行自检，从而实现质检。对比不同制造工艺阶段后样品内部组分的变化。X射线计算机断层扫描（CT）技术作为一种灵活的非接触式测量技术已成功进入坐标计量学领域，该技术可有效用于对工业零部件进行内部和外部尺寸测量。与传统的接触式和光学坐标测量仪（CMM）相比，CT具有诸多优点，以便于工程师们执行工作中各式相应无损测量任务，而这是其他任何测量技术通常都无法实现的。例如，检测具有高信息密度及需在非切割或破坏组件情况下的结构复杂且高净值的增材制造（3D打印）产品。在航空航天领域，CT可用于检测从较小到中等尺寸的组件，例如涡轮叶片，铝铸件和管焊件。借助CT，可以在不同产品周期的多个阶段进行定量分析，从而优化产品和制造工艺，并评估产品规格的合格性。

结语

随着制造业的迅速发展，对产品的质量检验的要求越来越高，在无损检测的方法中，虽然X射线实时成像系统检测速度快，但在检测灵敏度和空间分辨率及对缺陷的定位等方面都存在着明显的不足。1、由于工业CT能够在不破坏样品的情况下，清晰、准确、直观地分辨复合材料内部结构(纤维/纤维束，基体，孔隙)，展示复合材料内部的细微缺，工业CT在航空复合材料领域的应用日益增加，对航空复合材料的贡献越来越不可替代；2、采用微纳米焦点X射线源，可实现微米级甚至亚微米级的分辨率，适用于复合材料的微观结构，能对复合材料内部的多孔隙特征进行高分辨率结构分析和取向分析；3、可视化软件可实现对复合材料的高分辨率CT数据进行任意截面密度和内部结构尺寸的测量，提取微气孔体积数据进行统计分析计算孔隙率,提供了方便、有效的评估手段；4、工业CT技术可对平面薄板构件以及大型构件进行高分辨率的检测。

参考文献

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