摘要：主要介紹了工業(yè)CT系統(tǒng)的基本組成部件和影響工業(yè)CT檢測的關鍵性能指標，及工業(yè)CT在物品檢測、地質研究、疲勞裂紋檢測、快速成型和逆向工程等實際工程方面的應用情況，展望了工業(yè)CT在再制造零部件壽命預測、再制造產品的安全驗證和再制造產品的推廣前景。
關鍵詞：工業(yè)CT 組成 性能
0 引言
工業(yè)計算機斷層成像（Industrial computed tomography，ICT）是一種依據(jù)外部投影數(shù)據(jù)重建物體內部結構圖像的無損檢測技術。工業(yè)CT可以非接觸、非破壞性地檢測物體內部結構，得到?jīng)]有重疊的數(shù)字化圖像，不僅可以精確地給出物體內部細節(jié)的三維位置數(shù)據(jù)，還可以定量地給出細節(jié)的輻射密度數(shù)據(jù)[1]。工業(yè)CT廣泛應用在汽車、材料、航天航空、軍工、國防等產業(yè)領域，為檢測航天運載火箭及飛船發(fā)動機、大型武器，地質結構的分析，以及機械產品質量的重要手段，有著其他無損檢測手段所不具備的重要功能[2,3]。
1 工業(yè)CT系統(tǒng)主要性能簡況
一臺工業(yè)CT系統(tǒng)大致應包括下列的基本部件：射線源、輻射探測器與準直器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、樣品掃描機械系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)（軟件和硬件）及輔助系統(tǒng)（如輔助電源和輻射安全系統(tǒng)等）等[4,5]。這些部件和系統(tǒng)對一臺工業(yè)CT系統(tǒng)的性能起著決定性的作用，因為它們直接決定了工業(yè)CT可能獲得的信息質量。目前評價一臺工業(yè)CT的主要性能參數(shù)包括以下幾部分：檢測試件的范圍，使用的射線源、掃描模式、檢測時間分辨能力[6-9]。
2 工業(yè)CT的典型應用
2.1 物品檢測
工業(yè)CT非接觸、非破壞地檢測物體內部結構，得到?jīng)]有重疊的數(shù)字化圖像，并且給出細節(jié)的輻射密度數(shù)據(jù)，使其在物品的初檢測方面得到了廣泛應用。工業(yè)CT檢測的物品按照材料可分為金屬材料、非金屬材料和復合材料。金屬材料以鑄件為例，鑄件的復雜性使得一般的無損檢測不能直觀和高效地對鑄件關鍵部件的孔質缺陷進行檢測[10]。CT立體掃描圖可以清晰顯示結構立體狀況，顯示出可能會影響結構完整性和牢固性的孔隙或縫隙的存在。圖1是某汽車含有缺陷鑄件的CT圖，可以看出，工業(yè)CT可以準確定量地反映出汽車鑄件內部的缺陷分布情況。肖永順等[11]利用大型工業(yè)CT系統(tǒng)對搖枕、側架等機車關鍵部件內部的氣孔、沙眼、夾雜物、縮孔、疏松、冷隔、裂紋等鑄造缺陷進行快速有效的檢測。綜上可以看出工業(yè)CT使得工業(yè)上很多復雜零件的內部缺陷得到了檢測，并且由于工：業(yè)CT具有較高的精度，可以有效實現(xiàn)對工業(yè)構建微小缺陷的檢測和確定。
非金屬材料以混凝土為例，混凝土在建筑、橋梁、水利水電、隧道等占有絕對的主導作用，對混凝土結構的檢測已成為現(xiàn)代無損檢測的新熱點?；炷恋某Ｒ娙毕萦蟹涓C、空洞、裂紋、強度不夠等。D．Braz等[13]用工業(yè)CT成功定位了混凝土試樣中的裂紋，弄清了再循環(huán)道路加載過程中混凝土的內部結構。在非破壞檢測下，通過工業(yè)CT比較了在同一載荷下不同混合混凝土裂紋的出現(xiàn)和同一種成分不同載荷下混凝土裂紋的出現(xiàn)。通過獲得這些數(shù)據(jù)與之前獲得的關于混凝土方面數(shù)據(jù)相結合，對以后改進混凝土的加工和制造以增強混凝土的質量有很大的幫助。
圖1 某汽車鋁合金鑄件內部缺陷分布的CT圖[12]
復合材料由于具有高比強度、高比模數(shù)、低線脹系數(shù)、防腐耐蝕等諸多優(yōu)良性能，已在航空航天、汽車、建筑等領域獲得越來越多的廣泛應用。復合材料的缺陷主要包括孔隙、分層、夾雜等。以導彈為例，傳統(tǒng)的無損檢測無法對多密度材料進行直觀的檢測，而工業(yè)CT可以對導彈的內部情況缺陷進行定位與定性描述，精確定位復合材料內部可能存在的不均勻部分，為研究者及工程人員及時做出調整及改良提供一定的圖像參考。
2.2 地質研究
CT掃描圖像可以用于專業(yè)地質學樣品科學研究，對樣品復雜內部特征實現(xiàn)可視化。Vicente G．Ruiz de Argandona等[14]通過工業(yè)CT研究了巖石中氫物質（主要是水）對巖石保持的影響，研究的對象是位于西班牙北方一座城市的歷史古跡（建筑用石為侏羅紀時代的巖石）。他們用工業(yè)CT對試樣進行無損檢測，對巖石內部液體的流動和相關的結構運動進行了有效的可視化顯示，把試樣中協(xié)同作用下巖石毛細管中的水含量作為巖石強度定量的評估標準，揭示了巖石毛細管中的水對巖石輕度的重要影響，對以后歷史古跡的保護做出了重要的指導作用。盛強等[15]在油田開發(fā)工作中應用CT技術的方法，研制出一套“巖心CT三維成像與多相驅替分析系統(tǒng)”，提高了探測油藏儲層的地質特征指標的精確度，更直觀地認識油層內的微觀分布，尤其是在油田發(fā)展后期的剩余石油分布和提高采收率的研究上更有使用價值。
2.3 疲勞裂紋檢測與研究
據(jù)統(tǒng)計，材料破壞的80％為疲勞破壞，特別是隨著結構大型化、復雜化和高溫、高速的方向發(fā)展，對疲勞壽命的研究已成為人們關注的焦點。材料的裂紋行為檢測對準確預測材料的疲勞壽命至關重要。許多學者在基于工業(yè)CT的圖像基礎上，從不同方面對裂紋的擴展機理和疲勞壽命預測展開了大量研究。徐夏剛等[16]提出基于圖像密度場得疲勞短裂紋擴展檢測新方法。他們首先設計短裂紋擴展模型，模擬構建內部疲勞短裂紋的擴展情況，之后在其自行開發(fā)的CT仿真系統(tǒng)上掃描含有短裂紋的模型，得到投影圖像，并重建出密度場圖像，在裂紋擴展過程中，記錄下不同時刻的密度場圖像，得到密度場隨時間演化區(qū)域、擴展速度及演化趨勢，使構建的短裂紋擴展達到可視化檢測與分析。段黎明等[17]通過工業(yè)CT得到材料斷層的二維灰度圖像，以圖像的灰度來分辨檢測面內部的裂紋的萌生、擴展情況。由圖2可以看出，在分析工業(yè)CT圖像的基礎上，將裂紋的萌生、擴展過程分為顯微尺度細觀裂紋、CT尺度裂紋和宏觀裂紋，然后采用不同的裂紋萌生。擴展標準對材料疲勞壽命進行預測，最后相加各階段的壽命，從而得到材料的疲勞壽命。這種方法與疲勞累積損傷理論法、名義應力法等相比，預測的壽命具有較高的精度。戴斌等[18]根據(jù)CT差值圖像，由是否出現(xiàn)線狀影像判斷裂紋的存在，通過變換CT差值圖像中像素的閥值范圍分析裂紋的分布特點，基于CT物理原理對裂紋區(qū)域進行選取和定量化描述，研究了PBX炸藥CT圖像中裂紋形態(tài)在判定方面存在的問題，從理論上分析了含能材料CT圖像中受各種添加劑影響使得裂紋是否出現(xiàn)難以確定和裂紋出現(xiàn)后其具體區(qū)域也無法確定的問題，為定量描述裂紋形態(tài)和位置奠定了基礎，通過揭示含能材料損傷破壞的細觀機理，為今后進一步利用工業(yè)CT進行材料疲勞壽命等相關分析提供一種新的方法。#p#分頁標題#e#
圖2 CT掃描斷面裂紋演化仿真模型[16]
2.4 快速成型
試件的快速掃描成型可以在最早階段無需花費任何生產成本及時發(fā)現(xiàn)其結構缺陷。利用CT體積掃描數(shù)據(jù)組可以轉化成STL文件直接輸入計算機系統(tǒng)，快速創(chuàng)建具有復雜內部結構的產品模型。這對于制造成本高的產品和運用平面掃描技術無法獲取其精細內部結構特征的試件檢測具有尤其重要的意義[19-21]。王紅亮等[22]研究了利用工業(yè)CT切片數(shù)據(jù)進行快速成型。他們通過處理工業(yè)CT圖像的方法、判斷內外輪廓的方法和插值中間輪廓的方法等，對摩托車氣缸頭進行了實驗研究，并把處理的結果轉化為通用層接口（CLI）格式，進行了快速成型，實驗結果令人滿意。
2.5 逆向工程
傳統(tǒng)的產品生產過程是從設計圖紙到加工、組裝成成品的過程，而逆向工程是針對一個結構未知的產品，通過用工業(yè)無損檢測設備CT對其進行一系列的斷層掃描[23-26]。目前國際、國內在逆向工程應用研究方面大致可分為3種途徑：（1）將系列的工業(yè)CT斷層掃描成像，用自動成型機自動生產成形，得到產品，這種方法對空間形狀復雜扭曲的構件使用最為方便，但是只能適用于一種材料的構件；（2）將第一種途徑得到的三維立體圖像用專業(yè)軟件進行特征尺寸辨別，獲得結構的長、寬、高、直徑等特征尺寸，與傳統(tǒng)加工工藝接軌，獲礙產品，這種方法只適用于材料種類較少的構件；（3）對未知產品進行多方位的斷層掃描，獲得掃描圖像，精確測量產品各零件的特征尺寸、未知尺寸和密度變化，繪制成加工用圖紙，然后用現(xiàn)代加工工藝進行加工。由圖3可以直觀地看出，利用工業(yè)CT對整個模型的精確逆向重構。陳慧能等[28]利用工業(yè)CT成功獲得某火工品的結構的內部裝配關系、產品工作原理、結構狀況細節(jié)、橫斷面尺寸等，進而做出該結構的測繪圖紙，極大地提高了火工品研制過程速度，同時也提高了火工品的安全性和可靠性。
圖3 CT可視化模型逆向重構[27]
3 結束語
工業(yè)CT的優(yōu)秀性能使得其在檢測、制造以及科學研究領域具有廣闊的應用空間，雖然工業(yè)CT目前有些缺點，但是相信隨著技術的發(fā)展和工業(yè)CT的深入應用，工業(yè)CT設備的技術性能都將得到進一步的發(fā)展和完善。同時隨著我國再制造的發(fā)展，工業(yè)CT作為一種先進的檢測工具，對被測工件進行可視化檢測，且對工件的內部缺陷和結構特征有著較高的檢測靈敏度和分辨率，即可以對再制造零件的損傷機理給出較為直觀的檢測和分析。這對預測再制造零部件的服役壽命，掌握其失效規(guī)律，保證再制造產品的服役安全性具有重要的科學意義。同時工業(yè)CT對再制造產品的安全驗證，為再制造產品的推廣和發(fā)展以循環(huán)經(jīng)濟為基礎的資源再生利用產業(yè)具有重要的意義[29-31]。
作者： 周京，徐濱士，王海斗，邢志國，康嘉杰（山大學機械工程學院，裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室）
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