张祥春，周言贤，刘 安，王俊涛

(中国航空综合技术研究所，北京 100028)

航空发动机涡轮叶片的三维CT检测

张祥春，周言贤，刘 安，王俊涛

(中国航空综合技术研究所，北京 100028)

介绍了三维CT(计算机层析成像)成像的原理，给出了针对航空发动机涡轮叶片这种异形结构的多模式重建算法，进行了航空发动机涡轮叶片的三维CT检测试验。结果表明：三维工业CT技术能从多个方位表征叶片内部的裂纹、气孔、夹杂等缺陷，比胶片射线照相更加直观、全面，值得推广。

三维CT；航空发动机涡轮叶片；应用

航空发动机涡轮叶片因工作温度高、应力状态复杂、工作环境恶劣而被列为航空发动机的关键件。迄今为止，针对叶片内部缺陷检测主要采用渗透、涡流及X射线照相等方法，这些检测方法严重依赖于人工判读和经验，不仅效率低下、漏检率高，而且数据获取困难、可靠性低；同时，型壳内腔结构复杂且特殊而难以检测。因此，目前传统检测手段无法支持后续的数字化质量跟踪与分析，难以满足国内新型航空发动机叶片的研制对检测数据完整性和可跟踪性的迫切需求。

三维CT技术具有可给出被检测物体的三维图像，清晰地展示所检对象的内部结构关系、物质组成及缺陷状况，不受周围细节特征遮挡，图像容易识别和理解等诸多优点，在缺陷定位定量检测、内部关键尺寸测量、结构分析及密度表征等方面得到了广泛的应用。其结合图像序列分析技术，可为解决涡轮叶片内部缺陷的无损检测及评估提供一种新的技术途径和手段。

笔者给出了针对航空发动机涡轮叶片异形结构的多模式重建算法，进行了航空发动机涡轮叶片的三维CT检测试验。试验取得了较好的效果。

1 三维CT的成像原理

图1 三维CT扫描成像示意

随着面阵列探测器技术的发展，三维CT技术得到了越来越多的应用。与二维平行束、扇形束扫描相比，三维CT的射线利用率更高，需要的扫描时间更短，同时具有扫描数百个断层的能力，并能获得各向均匀、高精度的空间分辨率。三维CT扫描成像示意如图1所示。可见，射线源产生锥束X射线穿过被检工件后到达面阵列探测器，得到一个角度下的投影图像；旋转载物台带动被检工件旋转，由此获得不同角度下的投影图像，这些投影数据被及时传递到计算机中，经过三维CT重建算法完成CT图像重建，获得所需要的CT断层图像。

2 三维CT多模式重建算法

在航空发动机涡轮叶片的CT成像中，由于其材料和形状的特殊性，从物理层面决定了其X光扫描数据的特殊性，从而极大地增加了CT成像的难度。CT重建方法可以说是CT成像系统工作的灵魂，故研究适应于航空发动机涡轮叶片这种异型零部件成像的多模式重建算法是特别有必要的。其多模式重建算法除了卷积反投影法，还包括有限角度投影数据重建法和大视野锥束CT重建法。

有限角度投影数据属于不完备投影数据，投影数据的完备性直接影响着重建图像的质量。其可从以下几方面来理解。

(1) 根据中心切片定理可知，有限角度重建问题可转化为频域带限函数问题，由此，可以使用带限函数外推理论对缺失数据进行估计，结合GP(Gerchberg-Papoulis)算法的思想与SART(联合代数迭代)算法得到改进的重建：迭代过程中运用已知角度的投影数据重建图像，再用重建的图像对未知角度的投影数据进行补全，最后用补全后的投影数据进行图像重建。

(2) 针对有限角的数据特征，结合压缩感知理论，设计各向异性的全变分先验模型，在(1)的基础上进一步优化迭代重建方案，减少有限角的伪影。

(3) 在三维有限角成像中，充分利用层间信息关联，使用三维像素局部平滑限制条件，改善三维重建的稳定性。因此，针对航空发动机涡轮叶片三维CT成像有限角度投影数据重建的实现框图如图2所示，其采用GP梯度+SART重建+TV(全变分)，其中TV的设计利用层间关联的方式进行设计。

图2 叶片CT成像有限角度投影数据重建的实现框图

图3 大视野CT图像重建方法的实现流程

大视野锥束CT图像重建的实现流程如图3所示，其分别使用滤波反投影(FBP)算法，T-FDK算法和反投影滤波(BPF)算法进行重建，对三维插值方式进行优化，并根据噪声水平估计结果选择最佳算法。对于实现大视野CT成像的TR、RT以及RTT，扫描模式的重建算法多为投影数据的插值后使用FBP型重建算法进行重建。在三维锥束的旋转平移方式中,通常把采集的投影数据重排成倾斜平行投影数据，使用T-FDK方法进行重建。这里，投影数据的重排有可能降低重建图像的空间分辨率，但其重建图像的噪声分布比较均匀稳定。BPF是21世纪以来提出的一种新的重建方法，其主要特点在于反投影之前计算数据的偏导，从而可方便地处理数据截断或者多段数据，避免数据插值对空间分辨率的影响，但BPF算法容易引起噪声放大和噪声分布的不均匀。

针对上述情况，根据系统的不同扫描方式分别利用FBP、T-FDK、BPF 3类算法实现RT扫描重建。在算法层面主要从以下几个方面着手实现优质的图像重建。首先是优化插值方法，建立多次偏置条件下扫描剂量不稳定的校正方法，降低二维FBP算法和三维T-FDK算法的插值对空间分辨率的影响；其次，CT投影数据的噪声综合了光源的电压、探测器效率、电子学噪声等因素的影响，笔者对数据的噪声水平利用Anscomb变换(一种实时噪声估计方法)进行估计，并据此对投影数据进行可变参数去噪，提高重建图像的密度分辨率；第三，BPF重建算法的流程包括：对投影数据求加权偏导、加权反投影和有限区间上的Hilbert逆变换。笔者根据BPF的基本算法思路，设计针对转台多次偏置数据采集方式的BPF算法，并在投影加权步骤中增加去噪滤波，抑制普通BPF算法对噪声的放大。

使用基于GPU加速的GPGPU算法。GPGPU考虑的主要参数有数据量、数据采集时序、图像重建尺寸、数据关联性等。根据不同算法的步骤针对性地进行可并行性计算分解，设计最有效内核计算、设计GPU的内存分配减少数据交互等，编制最终GPGPU加速的算法程序。其中，投影和加权反投影是上述重建算法的海量数据所在，以按像素分配线程、按射线分配线程和按PI线分配线程方式综合平衡计算量的并行分配和数据调度。此外，在大视野CT成像中，由于通过转台多次偏置方式的数据获取时序与常规数据采集的时序有很大差异，采用GPGPU技术对此重建算法中的并行块、流和处理核进行设计时，需要的架构与常规重建时的不同，笔者将采用多层次加速的方法使算法速度能满足航空发动机涡轮叶片三维CT检测的需要。

3 航空发动机涡轮叶片三维CT检测

3.1 裂纹缺陷三维CT检测

涡轮叶片内部存在的裂纹缺陷，使用常规荧光方法难以发现；而胶片射线照相检测方法受透照方式限制，显示清晰度较差，不能有效表征内部存在的裂纹缺陷。

当叶片内部裂纹的走向与射线束的夹角过小时，胶片射线照相检测是较难发现此类缺陷的。而三维CT检测则对裂纹的走向没有要求，只要工业CT系统的分辨率能够达到要求，就能检测出叶片内部的裂纹缺陷。

采用高分辨率的微焦三维CT对内部裂纹缺陷进行检测试验，采用多模式重建算法重建成像。检测参数为：射线源焦点尺寸5 μm；管电压240 kV；管电流100 μA 。其检测效果如图4所示，可见图上能清晰地反映出裂纹缺陷的走向和形貌。

图4 叶片裂纹缺陷三维CT图

3.2 气孔缺陷三维CT检测

叶片内部气孔缺陷为体积型缺陷，三维CT能从不同方向全方位地展示气孔缺陷的形貌，检测结果如图5所示。

图5 叶片内部气孔缺陷三维CT图

图6 叶片夹杂缺陷(砂眼) 三维CT图

图7 叶片夹杂(断芯) 缺陷三维CT图

3.3 夹杂缺陷三维CT检测

夹杂是指叶片内存在的低密度或高密度异物，为体积型缺陷，使用三维CT对其进行检测，检测结果如图6～8所示。可见，图上能清晰地反映出夹杂缺陷的形貌。

图8 叶片夹杂(断芯) 缺陷三维CT图(局部放大)

4 结论

(1) 三维工业CT技术能从多个方位表征航空发动机涡轮叶片内部的裂纹、气孔、夹杂等缺陷，比胶片射线照相技术的检测结果更加直观、全面。

(2) 细小缺陷的检测效果，主要取决于工业CT系统的性能，因此，为了检测出更小、更细的叶片缺陷，需采用高分辨工业CT系统。

(3) 三维CT技术具有无法比拟的优势，可为解决航空发动机涡轮叶片的无损检测及无损评估提供一种新的技术途径和手段。

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The Three-Dimensional CT Detection of Aero-Engine Turbine Blade

ZHANG Xiangchun, ZHOU Yanxian, LIU An, WANG Juntao

(AVIC China Aero-Polytechnology Establishment, Beijing 100028, China)

An introduction is made on the theory of three-dimensional CT imaging, and a reconstruction algorithm for the abnormal structure such as aero-engine turbine blade is given. Researches on the three-dimensional CT gas turbine engine test were carried out. Results show that the 3D industrial CT technology can characterize the internal cracks, such as porosity, inclusions and other defects from multiple azimuths, resulting in more direct and more complete viewing of the defects than film radiography, and is worthy of promotion.

3D CT; aero-engine turbine blade; application

2017-01-03

张祥春(1981-)，男，高级工程师，主要从事射线检测及工业CT检测技术研究

张祥春, zhangxc215@163.com

10.11973/wsjc201708008

TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0034-03