工業CT在發動機檢測領域的應用
日期：2024-10-03 23:31
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摘要：
發動機是工業領域的掌上明珠。對發動機的設計，制造，檢測是一個**工業實力的整體體現。發動機缸體是發動機的核心部件之一，在長期的服役過程中，發動機缸體受到熱、力及突然沖擊等外力作用，會出現不同程度的磨損、破損或裂紋等缺陷，從而導致失效。采用無損檢測技術對發動機缸體進行檢測，是發動機再制造的基礎和前提。無損檢測診斷技術是在不損傷被檢測對象的條件下，利用材料內部結構異常或缺陷存在所引起的對熱、聲、光、電、磁等反應的變化來探測各種工程材料、零部件、結構件等內部和表面缺陷的技術方法。無損檢測技術已歷經一個世紀，其重要性在全世界已得到公認。目前較為成熟的檢測方法主要有以下幾種:射線檢測法、滲透探傷、渦流檢測法、超聲檢測法、磁粉檢測法等。
滲透探傷是應用于金屬或非金屬材料表面探傷方法，其成本低，易操作，但這種方法只能檢測表面開口裂紋，且無法判斷缺陷大小。
渦流缺陷檢測利用交變磁場作用下不同材料產生不同振幅和相位的渦流來檢測零件的裂紋和破損，適應各種導電材料。但這種方法只適合于導電材料，而且常用于檢測管材等簡單形狀零件。
超聲探傷適應于各種金屬材料，不僅能探測零件近表面和內部缺陷，而且能確定探傷位置，適應面廣。但是使用超聲波探傷過程中探頭必須與工件表面接觸，因而工件表面必須光潔。對于復雜的零件，檢測難度大。
磁粉探傷通過在零件內部或表面裂紋處產生漏磁場，可確定缺陷的性質。磁粉檢測只適合鐵磁材料，而且只能檢測零件的表面缺陷。另外，磁粉探傷過程中必須使用磁化設備，實驗結束后需要退磁，實驗設備復雜，實驗難度大。但是磁記憶無損檢測只適合于鐵磁材料的早期診斷，難以檢測已經開口的裂紋和破損，而且磁記憶研究時間短，技術不成熟，實驗難度大。
工業CT技術是工業計算機斷層掃描成像(Industry Computed Tomography)技術的簡稱，在1917年由J.Random提出，但直到1970年代中后期才開始大量應用于無損檢測。近年來，隨著計算機科學的進步及探測器技術的發展，工業CT的性能逐年提高。工業CT無損檢測由于其適應材料廣、可檢測復雜零件、可確定缺陷位置和大小、檢測精度高，目前已作為一種實用化的無損檢測手段，廣泛應用于航空航天、核能、**等多種領域，也用于產品仿制、產品內全封閉或半封閉內腔的無損檢測等方面。工業CT的主要缺點是實驗設備昂貴、實驗費用高，因此限制了其應用廣泛性。
發動機缸體是發動機的外殼，大部分是鋁合金材料制成的，其尺寸較大，壁厚不均，結構極其復雜。退役的發動機缸體在表面和內部都會存在不同程度的破損、磨損或裂紋等缺陷。為了**判斷發動機的失效情況，本文采用工業CT斷層掃描成像技術對發動機進行檢測，并使用切片軟件觀察CT斷層掃描圖片，判斷缺陷的位置和大小，為后續的再制造提供依據。
工業CT方案對發動機的觀察、結果與分析有以下一些應用。
1、發動機缸體三維結構及表面缺陷
X射線掃描以后，設備自帶的數字成像系統得到發動機缸體的三維掃描圖，通過縮放、旋轉和移動等功能可以看到缸體的三維結構。通過觀察，可以詳細觀察缸體的內外結構，結合標尺，還可確定其大小。通過仔細調整掃描圖像的清晰度、分辨率，可以觀察到缸體表面的破損、裂紋等缺陷。
2、切片觀察缸體內部缺陷
2.1內部縮孔縮松
通過逐層切片方式可以觀察發動機缸體內部各個位置的縮孔、裂紋、鑄造瑕疵等缺陷。切片可以沿X軸、Y軸和Z軸方向，還可以傾斜任何角度進行切片觀察，因而觀察內部缺陷沒有任何死角。首先通過仔細調整掃描圖像的清晰度、分辨率，可清晰觀察到缸體內部的疏松縮孔等現象。
通過圖片可看出，發動機缸體內部有很多疏松縮孔現象，而且縮孔多出現在缸體壁較厚的地方和截面變化之處，這是因為本實驗用的發動機缸體是鋁合金材料，缸體為鑄造完成。在鑄造過程中，因為壁厚處冷卻速度慢，冷卻不均勻，內部金屬得不到即時補充，因而會出現很多縮孔。這些疏松縮孔是在缸體毛坯制造過程中形成的，在發動機正常運轉的情況下不會對整體的**性能造成威脅，但是如果發動機在超負荷或過于顛簸的路程中行駛的話，這些部位將會成為發動機破損的危險位置，加速缸體的失效。
2.2內部破損和裂紋
通過不同方向切片觀察，能夠發現缸體內部存在多處破損和裂紋現象。本實驗所用的是退役的發動機缸體，缸體在服役過程中受到外力作用導致破損和裂紋，這些破損和裂紋是導致缸體失效的主要原因。另外，通過切片觀察能夠確定破損或裂紋的位置、形狀和大小，觀察**，沒有死角。
通過切片觀察掃描圖片可以看出，CT斷層掃描成像方法可以清晰、準確的檢測發動機缸體表面及內部各種缺陷的形狀、大小和位置，檢測精度高，檢測**，沒有死角。CT無損檢測適合各種金屬和非金屬材料，適應面廣。另外，CT斷層掃描得到缸體的三維圖像，通過切片可以不同方向分層觀察缸體內部情況，因此這種檢測不受零件結構的影響，可以檢測發動機缸體、油路板等結構復雜零件。通過觀察，找到缸體的失效情況，為發動機的再制造提供了有力的基礎和依據，不僅可以用于評價缸體的可制造性，還可以指導缸體選擇合適的再制造方法。
3、數模對比
發動機制造完成后，一般都需要將樣品和模型進行對比，這個過程一般都是通過工業CT及分析軟件（VGstudioMAX）可以將CT數據與CAD數模或者CT數據進行*佳擬合，以直觀的顏色編碼對分析的結果進行可視化，不僅可以得到工件整體的偏差，還能得到感興趣區域的具體偏差值。并且可用各種參數規定公差，例如偏差（*大、*小、累積偏差），對于物體型面復雜、內腔結構限制或者材料原因出現無法提取到內部數據信息的光學掃描方法，CT檢測的優勢在于可以對內外部所有結構的進行比對，且不太受材料吸光性等原因的影響。
4、壁厚分析
發動機腔體復雜，可以直接在CT數據上自動定位面積不足或壁厚過厚及間隙過大的位置，直接在CT數據對試件進行測量，尤其是密閉空間內尺寸，傳統的三坐標測量方法根本無法實現。主要用于非破壞性試驗，可快速并**地測量復雜零件壁厚的微小變化。
5、尺寸測量
發動機內部結構復雜，尺寸眾多，對測量精度要求很高。產品的實際尺寸往往不可或缺，但因物體型面復雜或客觀物理條件限制等原因會出現無法獲取的情況，CT技術能很好地應對此類問題。
區別于傳統的三坐標檢測、影像儀等測量方法，工業CT尺寸測量優勢在于產品的內部尺寸檢測。它可以在不破壞樣品的前提下，對于工件的所有尺寸進行**的測量，精度高、速度快。
所以，選用工業CT對發動機進行無損檢測，通過對CT掃描結構進行切片觀察，可以清晰看到發動機的表面及內部的縮孔、破損和裂紋等缺陷，并且可以確定缺陷的大小和位置，這些數據為后續的發動機缸體再制造提供了有力的依據。
