工业CT多维应用：从精密尺寸控制到材料内部结构表征

日期：2025-07-25 浏览：5

工业CT多维应用：从精密尺寸控制到材料内部结构表征

计算机断层扫描（CT）技术，凭借其能够穿透物体、以三维方式呈现内部结构的独特能力，早已成为工业无损检测（NDT）与材料科学研究中不可或缺的工具。它不仅能“看透”零部件的内部，更能实现从微米级缺陷到宏观尺寸的全方位、高精度量化分析。本文将通过一系列具体的应用案例，深入探讨工业CT在不同领域中的实际应用与技术细节。

发动机部件的精密尺寸控制

利用CT技术提升零部件的尺寸控制精度，是当前一个活跃的研究方向。以一个铝制测试样品为例（图1），研究人员分别使用了320 kV X射线设备和高能线性加速器（LINAC）CT对其进行扫描，旨在对比不同能量源下的尺寸测量能力。

图1 直径约100mm的铝制测试样品。左图为320 kV设备测量的截面图（扫描参数：220 kV, 100 μA, 1.5 mm Sn预滤波, 900个投影/360°, 单个投影曝光2.28s, 体素大小(0.12 mm)³, 矩阵1023×1023×605）。中图显示了其与CAD数据的偏差。右图则展示了其与高能LINAC CT测量结果的偏差（扫描参数：10.5 MeV, 20 Gy, 90 mm Fe预滤波, 720个投影/360°, 单个投影曝光0.8s, 体素大小(0.65 mm)³, 矩阵255×255×201）。

常规的比较流程是将CT扫描获得的体素数据转换为点云，并进一步生成立体光刻（STL）数据格式文件进行分析。通过STL数据进行的对比分析揭示了，计算机辅助设计（CAD）模型与实际样品之间存在明显的偏差。这种偏差主要源于两个方面：一是320 kV设备能量有限，对致密材料穿透力不足导致伪影；二是在LINAC测量中，由于探测器像素尺寸的限制，图像边缘出现了一定程度的平滑效应。这表明，要实现高精度的尺寸控制，必须根据工件的材质和尺寸，选择能量和分辨率都匹配的CT系统。

通信设备中的缺陷检测

光缆的传输特性在其安装后或使用寿命期间可能会发生变化。尽管光学时域反射（OTDR）等方法常用于定位缺陷，其精度通常在毫米级别，但对于缺陷的类型、尺寸以及复杂线缆的几何形态控制，CT分析则能提供更全面的信息。

图2展示了对一段48 mm长光缆的CT扫描结果，包括一个垂直切片和两个水平切片。可以看到，每四根光纤组成一束，被包覆在保护套中。七个保护套中的一个并未包含光纤。每根光纤的直径为125 μm，光缆外径为16 mm。CT图像清晰地揭示了部分保护套存在缺陷（图2右下角），以及光纤束的包覆不完整等问题。为了避免样品制备过程引入的人为影响，此次检测的样品取自一段长达15米的完整光缆段。

图2 光缆的垂直切片与两个水平切片。

铜焊缝的缺陷提取与量化

对于高密度材料，如电子束焊接的铜构件（尺寸约40×100×300 mm），高能3D CT是进行内部缺陷提取的有效手段。在进行检测概率（POD）研究时，通常需要对体积型缺陷进行100%的全检。由于平板探测器的尺寸限制，该样品通过三次不同位置的扫描完成，并在图像重建后将重叠的数据集拼接起来。

重建后的图像不可避免地会存在由散射、束状硬化及探测器固有效应引起的伪影。因此，需要采用专门的滤波算法来抑制这些伪影。图3展示了处理后的样品截面。

图3 电子束焊接的铜罐截面（尺寸40×100×300 mm）。左图为包含缺陷的截面图，中图为缺陷分割后在平面上的投影，右图为缺陷转换为STL数据格式后的形态。（扫描参数：LINAC 10.5 MeV, 15 Gy, 90 mm Fe预滤波, 720个投影/360°, 单个投影曝光0.2s, 体素大小(0.653 mm)³, 矩阵255×255×532）。

缺陷的评估通过两种方式进行：一是利用图像处理系统AVS中开发的局部阈值分割模块（如STL转换模块）；二是使用Volume Graphics（VG Studio Max）图像处理软件。将构件外形和内部空洞的几何信息整合后，转换为STL格式，以便与超声检测结果进行比对，并为焊接过程的理论模拟提供数据支持。在本案例中，通过AVS系统测得样品中所有缺陷的总体积为1100个体素，而VG系统的结果为1072个体素，两者高度吻合，样品总体积为4,304,500个体素。

获取精确的内部缺陷数据，对设备参数配置、伪影校正和图像后处理算法都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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校准其他无损检测方法 (NDT) 的基准

CT成像方法结合其高度的几何尺寸准确性，使其成为校准其他NDT方法（如超声波（UT）或涡流技术）的理想工具。图4展示了对带涂层的涡轮叶片进行的缺陷研究。常规光学方法只能观察到涂层表面的缺陷，无法探知基体材料内部的情况。而高分辨率CT则能够清晰地解析裂纹的完整形态。

图4 带有保护涂层（厚度约400 μm）的涡轮叶片。CT截面图显示了仅存在于保护层中的裂纹（右图）以及贯穿到基体材料的裂纹。

通过CT分析裂纹的构型，其结果被用作校准涡流检测方法的基准。如果您在实际工作中也面临类似的涂层与基体裂纹的区分难题，我们非常乐意与您一同探讨解决方案。

泡沫铝的孔隙结构分析

泡沫材料内部孔隙尺寸的测量方法取决于孔隙是闭合的还是连通的。

对于闭孔结构：首先通过阈值操作获得所有孔隙的二值化区域。然后，算法从一个边界开始，以3D方式搜索第一个被标记的体素，并将其所有相邻的同类体素“染色”，标记为同一个孔隙，直到没有更多相连的体素为止。随后，搜索算法移至下一个未被标记的孔隙。图5（左图）展示了搜索结果，不同颜色用于区分独立的孔隙。在搜索孔隙的同时，记录每个孔隙的体积和重心等参数。基于这些参数，可以生成泡沫材料的简化模型，从而使利用有限元法（FEM）对真实泡沫进行计算成为可能。图5（中图）展示了将孔隙等效为同体积球体后的模型，右图则为孔隙尺寸分布图。

图5 孔隙检测（左图）。根据计算出的孔隙体积，在孔隙中心位置生成等效直径的球体（中图）。右侧图表显示了孔隙尺寸的分布情况。

对于开孔结构：需要对反转后的非金属部分进行3D腐蚀操作，直到所有孔隙都分离成独立的区域。然后通过计算每个孔隙的体素数量来确定其半径。最后，根据腐蚀操作的步数，对计算出的孔隙半径进行相应补偿放大。

材料内部变形场的可视化

通过比较压缩前后样品的3D CT图像，可以研究泡沫材料在强度测试中的失效机制。为此，研究人员开发了一个3D图像对比程序。首先，定义一个比平均孔径大的对比区域。然后，该区域在3D空间中向不同方向移动，直到与初始样品中的对应区域达到最佳匹配，并将强度测试后样品各部分的位移写入一个数组。通过这种方式，可以获得样品所有微小区域相对于初始样品在三个方向（Δx, Δy, Δz）的位移。

如图6所示，压缩测试后的位移量（单位：mm）通过不同的灰度等级叠加在原始泡沫结构上，直观地展示了压缩泡沫相对于原始状态的内部变形情况。

图6 泡沫在压缩前及三个压缩状态后的同一个垂直切片。通过对比不同的3D图像数据集，提取出相同位置的切片，以显示泡沫的内部变形。