维普资讯 http://www.cqvip.com 第２４卷第８期 ２ ０ ０ ２年８月 无损检测 ＮＤＴ Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．８ Ａｕｇ． ２００ ２ 工业ＣＴ在复杂铝合金精铸件 检测中的应用 曹玉玲。熊艳才 （北京航空材料研究院，北京 １ＯＯＯ９５） ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮ ｏＦ ＩＮＤＵＳＴＲＬ Ｌ ＣＯＭＰＵＴＥＤ ＴｏＭｏＧＲＡＰＨＹ ｒＩｏ ＴＩＮＧ ＣｏＭＰＬＩ（：ＡＴＥＤ ＣＡＳＴＩＮＧＳ ＣＡＯ Ｙｕ－ｌｉｎｇ，ＸＩＯＮＧ Ｙａｎ－ｃａｉ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９５，Ｃｈｉｎａ） 中图分类号：ＴＧ１１５．２８ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００－６６５６（２００２）０８－０３５７－０３ 随着现代航空航天技术的发展，对铝合金铸件 的结构性能等要求越来越高。为提高铝合金铸件整 体结构性能与可靠性，往往将几个部件组合在一起， 同时要求无余量铸造。此类铝合金构件的特点是尺 寸大、壁薄、结构复杂，通常有许多呈全封闭或半封 闭的空腔（内腔）需要直接铸造，同时对铸件内部质 量要求高。 某薄壁整体复杂铝合金构件分内外三层结构， 内含半封闭型腔和细孔油路，其结构如图ｌ所示。 １铸件工业Ｃｒ检测的特点 工业ＣＴ利用透过物体许多角度的射线去重建 物体横截面图像。工业ＣＴ图像与试件的材料、几 何结构、组成成分及密度特性相对应，通过对试件进 行三维连续扫描，可以得到缺陷的位置、取向、形状 以及尺寸等信息，结合密度分析技术还可以确定缺 陷的性质。同常规的胶片射线照相相比，不会产生 结构特征的重叠ｌ＿３］。 铸件冶金质量符合ＨＢ ９６３一ｌ９９ｏ标准［ 。由于该 铸件结构复杂，常规尺寸划线和Ｘ射线检验难以判 断铸件尺寸是否准确，内部质量是否符合要求，故无 损检测技术是铸件研制过程中的关键技术之一。 ２Ｏ世纪６Ｏ年代就已证实ＣＴ是一种强有力的无 损检测技术，并从此得到了迅速发展Ｌ２］。在此，应用 铝合金铸件的内部缺陷检测技术已成熟，常规 的方法是胶片射线照相法，通常能发现的铸件内部 缺陷包括疏松、缩孔、气孔、针孔及夹杂物等。根据 内部缺陷射线照相的分级对铸件进行分类，按照 ＨＢ ９６３一ｌ９９Ｏ标准＿＿１］进行验收，标准规定Ｉ类铸件 应进行１００ 内部缺陷检测。 工业ＣＴ对该铸件进行尺寸检验和内部质量检测。 因目前国内外均没有建立铝合金铸件内部缺陷 的工业ＣＴ分级方法，尤其是对于疏松及针孔的判 别更加复杂，因此需要研究工业ＣＴ对铸件内典型 缺陷的检测灵敏度及分级方法。 研究中所用设备为从俄罗斯ＩＮＤＩＮＴＲＯ公司 引进的ＢＴ－４００工业ＣＴ系统。 ２工业ＣＴ对典型缺陷的检测灵敏度 图１铸件结构示意图 ２．１工业ＣＴ对裂纹、气孔及夹杂物的检测灵敏度 在４００ｍｍ的视场范围内，对带有人工缺陷的 收稿日期：２００１—０９—２４ 试样进行ＣＴ检验，能发现陶瓷材料中的最小裂纹 ・３５７・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 曹玉玲等：工业ＣＴ在复杂铝合金精铸件检测中的应用 为５Ｏ ｍ，可检出的最小气孑Ｌ及金属夹杂物分别为 ０．５和Ｑ．１２ｍｍ。参考ＨＢ ９６３一ｌ９９Ｏ标准，检测灵 重程度的评定指标，与复合材料中孑Ｌ隙率的概念类 似。在ＣＴ图像中ＣＴ值与密度近似成正比，因此 孔隙处的ＣＴ值与实体处的ＣＴ值会有区别。因此 我们可设定一阈值，把ＣＴ值低于阈值的像素认为 敏度可满足铝合金铸件检测的要求。 ２．２ 工业ｃｒ对疏松和针孔的检测灵敏度及分级 方法 是气孑Ｌ，在选定面积内所有低于阈值的像素数Ａｆ与 总像素数Ａ之比即为此截面处的孑Ｌ隙率Ｘ，即 ｘ一 。 由于工业ＣＴ对铸件内部缺陷的评判还没有统 一的标准，因此需进行工业ＣＴ检测结果与Ｘ射线 照相检测结果的对比试验。工业ＣＴ对裂纹、气孔 及高密度夹杂物的检测都很敏感，可直接确定其位 置及尺寸，但铸件内部疏松的判断则比较复杂。 参考ＨＢ ５３９６－－１９８８标准＿４］，按厚度将铝合金 海绵状疏松标样分为两组，第一组为６ｍｍ，适用于 壁厚＜１３ｍｍ的铸件；第二组为２０ｍｍ，适用于壁厚 为１３￣５０ｍｍ的铸件，每组厚度分为五级，即１～５ 级，对以上标样进行工业ＣＴ扫描，可得出Ｘ射线照 相各级海绵状疏松所对应的工业ＣＴ图像。在Ｘ射 线照相检验中，疏松的面积可直接通过底片进行观 察，疏松在厚度方向的信息通过底片的黑度反映出 来。而在工业ＣＴ检验中，每幅图像只能反映所切 截面处疏松的面积，而疏松在厚度方向的信息需通 过对铸件的连续扫描来确定。 对工件进行工业ＣＴ检验时，切片方向通常与 Ｘ射线照相投影平面相垂直，因此对标样分别沿两 个不同方向进行切片扫描，一是平行于Ｘ射线照相 投影平面，另一是垂直于Ｘ射线照相投影平面，分 别得出疏松的面积及厚度。因此，对于海绵状疏松， 以其面积来进行分级。ＣＴ切片垂直于Ｘ射线照相 投影平面时的疏松面积如表１所示。因受设备检测 灵敏度，无法确定Ｉ级疏松，因此表１中未给出 其面积。 对ＨＢ ５３９７—１９８８标准Ｌ ］中的标样进行扫描， 发现分散疏松几乎均匀分布在整个标样内，因此用 单位面积内疏松所占面积的百分比作为分散疏松严 表１疏松及针孔试样的工业ＣＴ检测结果 ６ｍｍ厚２０ｒａｍ厚６ｍｍ厚２０ｒａｍ厚６ｍｍ厚２０ｒａｍ厚 ｍｍ 篡ＩＴＩ 雾ＩＴＩ２ 鍪 鏊Ｏ 率／％ 率／ 用ＨＢ ５３９５—１ ９８８标准 。］中铝合金长形针孑Ｌ 标准试样进行工业ＣＴ扫描，确定各级针孑Ｌ所对应 的工业ＣＴ图像。工业ＣＴ对针孑Ｌ的评定方法与分 散疏松相同，也以单位面积内孑Ｌ隙所占的百分比表 示，检测结果见表１。 典型的海绵状疏松、分散疏松及长形针孑Ｌ的 ＣＴ扫描图像如图２～４所示。 ■■ 图２海绵状疏松 图３分散疏松 ■ｏ 图４长形针孔 图５缩孔及疏松 ２．３工业ｃｒ尺寸测量精度 选用ｏ．５～１００ｍｍ的标准量块检验每种扫描 视场范围（４００，２００，１００和５０ｒａｍ）的尺寸测量准确 度，随着试件几何尺寸的增大，测量精度会降低。应 根据试件几何结构优先选用测量精度高的模式，如 试件最大外径＞５０ｍｍ时，可对需要精确测量的部 位采取局部扫描方式以提高测量精度。在５０ｒａｍ 的视场范围中，厚度＞Ｏ．５ｍｍ的尺寸测量精度可达 到５Ｏ ｍ。 ３检测过程及结果 ３．１内部质量的检测 首先对整体铸件进行数字射线成像（ＤＲ）检验， 然后选定所需检测截面的位置，对铸件进行逐层 维普资讯 http://www.cqvip.com 曹玉玲等：工业ＣＴ在复杂铝合金精铸件检测中的应用 图６疏松 图７残砂 图８气孔 图９夹杂物 ＣＴ扫描检测。扫描条件为电压３２０ｋＶ，电流２ｍＡ， 综合考虑检测灵敏度、噪声和检测效率等的影响，选 用切片厚度为２ｍｍ。 图５显示了铸件内存在的缩孔及疏松，从图中 可以确定缺陷的位置、大小以及疏松区与非疏松区 的相对密度差等信息，通过对铸件进行连续扫描，还 得出了疏松在厚度方向上的大小，此截面处疏松面 积约为２７０ｍｍ ，厚度方向达２０ｍｍ，为５级疏松。 图６显示出铸件中存在疏松，面积约４００ｍｍ ， 为５级疏松。此部位正是内、外结构重叠区域，根本 无法放置Ｘ射线胶片，而通过工业ＣＴ扫描可清晰 地反映内部结构及质量，同时可对所切截面处进行 尺寸测量。 图１ｏ尺寸检测ＣＴ截面图 位准确。通过对铸件进行连续扫描，可确定缺陷在 铸件内的三维分布，并可有效应用在复杂铸件的内 部质量检测中，实现１００ 检测。工业ＣＴ除用于 内部缺陷检测及特定部位的尺寸测量外，还可帮助 设计人员对复杂部位进行内部结构分析。如通过连 续扫描，可观测到细孔油路的走向、尺寸及相对于外 图７显示出铸件中有残砂，可帮助铸造人员确 定存在残砂的位置，便于清除。 图８显示出某一截面存在气孔，对气孔进行尺 截面的位置等信息，不用破坏试件，反馈时间短，从 而缩短产品的开发周期。但受现有的铸件检测标准 及检测效率的，工业ＣＴ还不能广泛用于现有 的航空铸件检验中。 参考文献： ［１］ＨＢ ９６３ １９９Ｏ，铝合金铸件［Ｓ］． ［２］ Ｇｅｏｒｇｅｓｏｎ Ｇａｒｙ Ｅ，Ｂｏｓｓｉ Ｒｉｃｈａｒｄ Ｈ．Ｘ－Ｒａｙ Ｃｏｍｐｕ— ｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ 寸测量分析，可确定其直径约为２．０ｍｍ，到边缘距 离为３．５ｍｍ。 图９显示出某一截面含有夹杂物，对夹杂物进 行尺寸测量分析，可确定其直径约为２．０ｍｍ，到边 缘距离为４ｍｍ。 ３．２结构尺寸的检测 首先对整体试件进行数字射线照相，通过得到 的ＤＲ图精确确定所需检测尺寸的截面位置，然后 进行ＣＴ切片扫描。扫描条件为，电压３２０ｋＶ，电流 ［Ｒ］．Ｓｅａｔｔｌｅ：Ｂｏｅｉｎｇ Ｄｅｆｅｎｃｅ＆Ｓｐａｃｅ Ｇｒｏｕｐ，１９９Ｏ １９９１．ＡＩ）＿Ａ２５９ ８２８． ２ｍＡ，为提高尺寸测量准确性，选用０．５ｍｍ切片厚 度进行扫描。 ［３３ Ｇｅｏｒｇｅｓｏｎ Ｇａｒｙ Ｅ．Ｂｏｓｓｉ Ｒｉｃｈａｒｄ Ｈ．Ｘ－Ｒａｙ Ｃｏｍｐｕ— ｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ｆｕｌｌ—ｓｃａｌｅ Ｃａｓｔｉｎｇｓ［－Ｒ］．Ｓｅａｔｔｌｅ： Ｂｏｅｉｎｇ Ｄｅｆｅｎｃｅ＆Ｓｐａｃｅ Ｇｒｏｕｐ。１９９０．ＡＤ－Ａ２４７ １０１． 图１Ｏ为进行尺寸检测时的某一ＣＴ截面图，从 中可测出内外各层的直径和壁厚的均匀性以及各叶 片的叶形、位置及壁厚的均匀性等参数，直接为设计 ［４］ＨＢ ５３９６－－１９８８，铝合金铸件ｘ射线照相检验海绵状 疏松分级标准［ｓ］． ［５］ＨＢ ５３９７ １９８８，铝合金铸件ｘ射线照相检验分散疏 松分级标准［ｓ］． ［６］ＨＢ ５３９５ １９８８，铝合金铸件ｘ射线照相检验长形针 孔分级标准［ｓ］． 人员提供参考。 ４结论 以上研究表明工业ＣＴ对于铸件中气孔、疏松、 针孔和夹杂物等缺陷有相当高的检测灵敏度，且定
