機(jī)場設(shè)備及自動化作業(yè)

1、飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片的無損檢測技術(shù)摘要：隨著我國航空領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提高，飛機(jī)更新?lián)Q代的周期不斷縮短，對飛機(jī)發(fā)動機(jī)性能的要求也相應(yīng)越來越高。作為飛機(jī)發(fā)動機(jī)最重要零件之一的葉片，其質(zhì)量和性能直接關(guān)系到整個飛機(jī)的正常工作，準(zhǔn)確檢測航空渦輪葉片的結(jié)構(gòu)完整性和狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)防危害，提高發(fā)動機(jī)工作安全性，成為目前無損檢測領(lǐng)域研究的一個共同熱點。由于飛機(jī)葉片工作時要受到交變載荷、熱腐蝕、高溫氧化和機(jī)械磨損多種作用的影響，最容易產(chǎn)生疲勞裂紋損傷。本文圍繞葉片表面微裂紋缺陷檢測，對比目前葉片表面裂紋缺陷常用的幾種檢測方法優(yōu)缺點，并對飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片自動檢測技術(shù)未來的發(fā)展給與展望。關(guān)鍵字：渦輪葉片；裂紋；無損檢測

2、；引言 隨著航空領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機(jī)更新?lián)Q代的速度也越來越快。不同用途的飛機(jī)上配備著不同種類的發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)為飛機(jī)提供了動力，因而被稱為飛機(jī)的“心臟”。發(fā)動機(jī)中葉片零件的數(shù)量最多，而發(fā)動機(jī)就是依靠這眾多的葉片完成對氣體的壓縮和膨脹以及以最高的效率產(chǎn)生強(qiáng)大的動力來推動飛機(jī)前進(jìn)，故而葉片也就毫無疑問的成為了飛機(jī)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵的也是最重要的零件之一。對于發(fā)動機(jī)渦輪葉片，包括導(dǎo)向葉片和工作葉片，如圖 1 所示，其主要作用是將燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械動能。圖1 航空發(fā)動機(jī)及渦輪葉片 葉片屬于高速旋轉(zhuǎn)件，所受的載荷復(fù)雜，使用環(huán)境惡劣，它們在高壓腐蝕性燃?xì)獾臎_擊下高速旋轉(zhuǎn)，不僅承受著巨大的交變拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)

3、應(yīng)力，而且還受到熱腐蝕、高溫氧化和磨損的綜合作用。由于葉片零件非常特殊，其數(shù)量多，要求高，形狀復(fù)雜，加工難度大，其復(fù)雜的制造工藝導(dǎo)致對葉片每個生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)的控制上要求都很嚴(yán)格，稍有疏忽就有可能使葉片在制造過程中產(chǎn)生缺陷。所以，在葉片制造的總工作量中葉片檢測工作量占了相當(dāng)大的比例。在生產(chǎn)和使用過程中，航空發(fā)動機(jī)葉片都是檢測和定期監(jiān)測的重點對象。葉片缺陷的種類很多，很多缺陷的危害性短時間內(nèi)表現(xiàn)不出來。根據(jù)航空發(fā)動機(jī)無損檢測 ASTME192 驗收標(biāo)準(zhǔn)，像氣孔、夾雜等缺陷，有一定的接受標(biāo)準(zhǔn)，如氣孔最大尺寸大于 0.508 mm 可判定葉片為不合格，若最大尺寸小于 0.508 mm 可判定為合格，但如

4、果判定缺陷性質(zhì)是裂紋，無論尺寸大小，都判定葉片為不合格。這是由于根據(jù)斷裂力學(xué)理論，處在穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的裂紋在對數(shù)坐標(biāo)上是以近似直線速度擴(kuò)展，因應(yīng)力過大疲勞裂紋擴(kuò)展速度很快，其危害性很快就能表現(xiàn)出來。因此，即使是微小裂紋對飛機(jī)的飛行安全都可能造成嚴(yán)重的后果，不僅危及人、機(jī)安全，而且會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，對葉片裂紋現(xiàn)場的檢測尤為重要。此外，由于葉片在高溫、高壓、高速和多種負(fù)荷作用下工作易產(chǎn)生腐蝕、振動，由此導(dǎo)致的疲勞裂紋致使葉片斷裂而易引發(fā)飛行事故，據(jù)統(tǒng)計這類事件約已占到 40%左右。因此，研究葉片裂紋的有效檢測方法，早期預(yù)報和診斷葉片裂紋缺陷的產(chǎn)生，是十分必要的。針對葉片進(jìn)行的缺陷分析，一般都

5、需要將葉片拿到實驗室中，破壞葉片樣件后再進(jìn)行微晶分析，這種有損檢測方法不僅容易造成浪費，其效率也很低且無法實現(xiàn) 100%檢測。因而，對于葉片缺陷的檢測通常還是采用無損檢測的方法進(jìn)行。中國軍用航空自1994年以來，幾乎每年都有幾起由于葉片斷裂造成的嚴(yán)重事故，及時發(fā)現(xiàn)裂紋并對其定量評價，對于確保飛行安全具有非常重要的意義。 無損檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用在電力工業(yè)、冶金機(jī)械、武器系統(tǒng)、鐵道造船、石油化工、航空航天等各個領(lǐng)域。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，經(jīng)過無損檢測后的產(chǎn)品增值情況大致是，機(jī)械產(chǎn)品為 5%，國防、宇航、原子能產(chǎn)品為 12%18%，火箭為 20%左右。德國奔馳公司汽車幾千個零件經(jīng)過無損檢測后，整車運行公

6、里數(shù)提高了一倍。在無損檢測技術(shù)的眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，由于航空領(lǐng)域?qū)τ诎踩貏e嚴(yán)格的要求，使得無損檢測在航空領(lǐng)域得到廣泛重視和應(yīng)用，各種最先進(jìn)的無損檢測技術(shù)，其首先都應(yīng)用在航空領(lǐng)域。我國自 50 年代以后開始了無損檢測技術(shù)的研究，無損檢測在我國航空領(lǐng)域的應(yīng)用始于 60 年代初，80 年代初期逐步推廣，近 10 年來，由于工業(yè)的刺激，該技術(shù)得到了較快發(fā)展，目前應(yīng)用情況較為薄弱。從飛機(jī)各種構(gòu)件的材料選擇和比較到生產(chǎn)制造，以及在使用過程中都需要無損檢測技術(shù)來保證其整體性能符合要求，滿足適航性和安全性的要求。已發(fā)生的許多重大飛行事故往往都同人們在無損檢測中的失誤或（因技術(shù)水平不夠而產(chǎn)生）漏檢密切相關(guān)。目前，

7、美國、英國、法國、德國、加拿大、澳大利亞等國家都在大力發(fā)展無損檢測技術(shù)以提供現(xiàn)代航空裝備所需的維修與保障。1無損檢測技術(shù) 1.1 孔探儀原位探傷 目前，針對葉片表面裂紋常用的無損檢測技術(shù)有孔探儀、磁粉、滲透、射線、渦流和超聲等方法。其中，孔探儀原位探傷是在葉片表面裂紋外場檢測中應(yīng)用最多的一項技術(shù)，如圖2所示。這種檢測方法是利用內(nèi)窺鏡觀察被檢表面，通過人工判讀發(fā)現(xiàn)缺陷。由于內(nèi)窺鏡體積較小且采用柔性連接，利用這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)不拆卸的原位檢測。但這種方法依賴人工經(jīng)驗，檢測周期長，操作過程復(fù)雜，難以實現(xiàn)自動化，無法適應(yīng)生產(chǎn)過程中的批量檢測。為提高飛機(jī)葉片的疲勞壽命，對葉片通常要進(jìn)行噴丸和涂層處

8、理，這樣金屬基體表面就變成了次表面。經(jīng)大量試驗和失效分析知，葉片裂紋又恰好易在處理后的次表面上萌生。基體裂紋的出現(xiàn)有時在表面反映不明顯，加之污染物的影響，視覺難以及時有效地發(fā)現(xiàn)缺陷，因此孔探法適于發(fā)現(xiàn)問題后的重點觀察，同時也容易產(chǎn)生漏檢。圖2 孔探儀原位探傷1.2 滲透檢測 滲透檢測（Penetrant Testing，PT），其原理是當(dāng)零件表面被涂有如熒光染料等滲透劑后，在毛細(xì)管作用下，經(jīng)一段時間滲透液就滲進(jìn)表面開口缺陷中，去除多余滲透液后，再在零件表面涂以顯像劑，則在毛細(xì)管的作用下，顯像劑將吸引缺陷中保留的滲透液，滲透液回滲到顯像劑中，在一定的光源下，缺陷處的滲透液痕跡被顯示出黃綠色熒光或

9、鮮艷紅色，從而探測出缺陷的形貌及分布狀態(tài)。該方法靈敏度較高，操作方便直觀、費用低。但是，該方法只能檢出表面開口的缺陷及其表面分布，難以確定缺陷實際深度和做出定量評價，檢出結(jié)果受操作者的影響也較大。因此，給葉片缺陷客觀的判斷帶來一定不準(zhǔn)確的主觀因素。1.3 磁粉檢測磁粉檢測，其原理是鐵磁性材料和工件被磁化后，不連續(xù)性的存在使工件表面磁力線發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生漏磁場，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合適光照下可見的磁痕，從而顯示出缺陷的位置、形狀和大小，如圖3 所示。磁粉檢測可發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜、折疊和疏松等多種缺陷，但是僅能顯出缺陷的長度和形狀，難以確定其深度。檢測過程需要消磁和清理被測區(qū)域，響應(yīng)速度

10、慢，不能檢測奧氏體不銹鋼和非磁性材料，不能發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)的部分較深缺陷。對于表面淺的劃傷、埋藏較深的孔洞難以發(fā)現(xiàn)。因此，對于具有復(fù)雜制造工藝的數(shù)量較多的飛機(jī)葉片，該檢測方法費時低效，不適應(yīng)現(xiàn)場批量檢測。 圖3 磁粉檢測1.4 X 射線檢測X 射線檢測（X-Radiographic Testing，RT），其原理是當(dāng) X 射線照射膠片時，與普通光線一樣，能使膠片乳劑層中的鹵化銀產(chǎn)生潛影，由于不同密度的物質(zhì)對射線的吸收系數(shù)不同，照射到膠片各處的射線能量也就會產(chǎn)生差異，便可根據(jù)暗室處理后的底片各處黑度差來判別缺陷。該方法檢測結(jié)果有直接記錄，可長期保存，但是對裂紋類缺陷，如果照相角度不適當(dāng)，容易產(chǎn)生漏檢，

11、且檢測成本高、速度慢，具有輻射效應(yīng)，非“綠色”檢測方法。因此，對于數(shù)量較多的零件不宜采用該方法。渦流檢測（EddyCurrentTesting，ET），其原理是基于電磁感應(yīng)，將通有交流電的線圈置于待測的金屬板上，這時線圈內(nèi)及其附近將產(chǎn)生交變磁場，使試件中產(chǎn)生呈旋渦狀的感應(yīng)交變電流，即渦電流，借助探測線圈測定渦電流的變化量，從而獲得構(gòu)件缺陷的有關(guān)信息。渦流探傷適用于導(dǎo)電材料，包括鐵磁性和非鐵磁性金屬材料構(gòu)件的缺陷檢測，但只能檢測表面或近表面層的缺陷。使用渦流檢測方法，在檢測時不要求線圈與構(gòu)件緊密接觸，也不用在線圈與構(gòu)件間充滿藕合劑，因此可進(jìn)行高速檢測,容易實現(xiàn)檢驗自動化。目前該方法主要針對平面試

12、件具有較成熟的技術(shù)，但是針對葉片類曲面零件缺陷檢測尚缺少專門研究。1.5 超聲檢測超聲檢測(Ultrasonic Testing，UT) ，其原理是利用機(jī)械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面（如缺陷或被測物件的底面等）就會產(chǎn)生反射的這種現(xiàn)象，即超聲波進(jìn)入物體遇到缺陷時，一部分聲波會產(chǎn)生反射，接收器可對反射波進(jìn)行分析，就能異常精確地測出缺陷來，并且能顯示內(nèi)部缺陷的位置和大小，測定材料厚度等。優(yōu)點是穿透能力較大，探傷靈敏度較高，易于實現(xiàn)自動化檢驗。其缺點是需要耦合劑，檢驗人員需有一定的操作經(jīng)驗并需要根據(jù)實際經(jīng)驗進(jìn)行缺陷判斷。目前，對于葉片類小曲率曲面零件，現(xiàn)有超聲檢測方法

13、較難把握聲學(xué)傳播反射規(guī)律，因此尚難以應(yīng)用于現(xiàn)場實際檢測中。2 葉片的無損檢測狀況飛機(jī)的損傷通常發(fā)生在承力構(gòu)件、易損零部件及飛機(jī)表面。葉片是發(fā)動機(jī)中的重要承力件，其制造工藝主要有精密鑄造和鍛造。由于該產(chǎn)品的質(zhì)量要求很高，因此在葉片制造階段必須進(jìn)行無損檢測。（1）對于鑄造葉片，通常采用 X 射線照相方法檢測葉片內(nèi)部質(zhì)量，采用熒光滲透方法檢測其表面開口型缺陷；（2）對于鍛造葉片，一般采用超聲檢測方法對鍛造葉片使用的小直徑棒材進(jìn)行檢測，以保證用于鍛造葉片原材料的內(nèi)部質(zhì)量，鍛造成形后的葉片表面質(zhì)量，采用熒光滲透方法進(jìn)行檢測。（3）對飛行后的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片及渦輪葉片，實際中常采用孔探儀進(jìn)行檢測，通過觀察采

14、集到的葉片圖像，判定葉片是否有裂紋。工程實際中檢測人員經(jīng)常憑經(jīng)驗確定葉片的可靠性，檢測周期長、費用高，誤檢率大，給飛行安全帶來極大的隱患，且無法定量分析、存在信息流斷點。當(dāng)前發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠家主要用磁粉和滲透技術(shù)檢測葉片近表面缺陷，這兩種方法簡單適用，但人員耗費大、效率低；射線檢測結(jié)果可靠，技術(shù)成熟，但檢測成本較高，對小缺陷檢測靈敏度不高，存在放射源，對檢測人員健康會產(chǎn)生潛在危害，很多生產(chǎn)廠家較排斥這種方法。有人提出利用渦流方法檢測葉片近表面缺陷，用超聲方法檢測葉片內(nèi)部缺陷的技術(shù)思路，以取代目前的檢測方法，有效提高檢測技術(shù)水平和自動化程度。但現(xiàn)有超聲技術(shù)對于面狀缺陷較敏感，對線狀缺陷略顯不足，在曲

15、面中聲學(xué)傳播規(guī)律復(fù)雜，信號難以接收和辨識。渦輪葉片內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)會使得從超聲反射波中難以分辨出裂紋信息，對檢測結(jié)果產(chǎn)生較大干擾；上述問題必須有效加以解決。渦流檢測方法成本不高，對人和環(huán)境安全，屬于非接觸快速檢測方法，并且易于實現(xiàn)自動化操作，是一種較有潛力的方法，但同樣需要解決提離效應(yīng)大、易受噪聲和干擾的問題。盡管上述檢測方法對發(fā)動機(jī)葉片無損檢測技術(shù)的發(fā)展、對提高發(fā)動機(jī)使用安全性、延長發(fā)動機(jī)的使用壽命等方面發(fā)揮了積極的作用，但是由于這些檢測方法自身的局限性問題：（1） X 光射線技術(shù)雖然可以獲得直觀的缺陷圖像，并對缺陷的長度和寬度定量較準(zhǔn)確，對體積型缺陷(夾渣、氣孔、堵塞等)的檢出率比較高，但如果

16、照相角度不適合就會對面積型缺陷(裂紋)產(chǎn)生漏檢，并且檢測成本高，速度慢，存在輻射泄露問題，需要安全防護(hù)措施； （2） 渦流檢測雖然可以用于缺陷檢測還可以記錄被檢測物體的材料特性，如電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的變化情況，但這種檢測技術(shù)受集膚效應(yīng)的限制，只能用于表面和亞表面缺陷的檢測，并且不能用于絕緣材料的檢測；（3） 超聲 C 掃描成像盡管可以對缺陷定性、定位、定量，結(jié)果直觀，檢測靈敏度高，檢測對象基本不受材料尺寸、形狀的限制，但對表面缺陷不很敏感、對曲面檢測方法實施難度較大。（4） 紅外熱成像等檢測技術(shù)雖然較新穎，近年來發(fā)展較迅猛，檢測效率較高，但對微小缺陷檢測靈敏度和分辨率不高，難以定量化評估；（5）

17、機(jī)上孔探檢測雖然能夠?qū)娇瞻l(fā)動機(jī)內(nèi)部零部件進(jìn)行原位無損檢測，但是由于其存在只能發(fā)現(xiàn)表面的宏觀缺陷，無法檢測微小缺陷及微細(xì)裂紋，無法判斷是劃痕還是裂紋，對裂紋的深度更是無法判定等方面的不足；（6） 目前內(nèi)窺渦流檢測技術(shù)是內(nèi)窺和渦流兩個檢測系統(tǒng)結(jié)合在一起，或者采用多個通道實現(xiàn)多種方法并用的集成，并沒有達(dá)到探頭層面的集成，因此存在有檢測系統(tǒng)過于復(fù)雜，檢測成本較高和檢測效率低等不足。由于上述檢測方法存在的局限性，使得當(dāng)前的檢測技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)渦輪葉片微缺陷檢測技術(shù)的需求。3 未來發(fā)展根據(jù)我國飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片的檢測技術(shù)現(xiàn)狀，針對具體科研項目的實際要求，開展飛機(jī)渦輪發(fā)動機(jī)葉片自動化電磁無損檢測技術(shù)的研究，尤

18、其是微缺陷早期檢測和完整性評估研究。對提升軍用或民用航空發(fā)動機(jī)質(zhì)量，提高發(fā)動機(jī)工作使用性、安全性和可靠性能，縮短飛行器的停飛檢修時間，提高其利用率，乃至于對提高我國航空渦輪發(fā)動機(jī)葉片的無損檢測技術(shù)水平，縮短與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)差距等方面具有重要的推動作用。對結(jié)束我國在航空發(fā)動機(jī)檢測領(lǐng)域缺少自主創(chuàng)新技術(shù)和設(shè)備的現(xiàn)狀，具有重要的科學(xué)意義、應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價值。參考文獻(xiàn)：1吳德新, 康樂. 發(fā)動機(jī)壓縮器葉片檢測方法研究J. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新. 2009, 22(5).2林俊明. 電磁無損檢測技術(shù)的發(fā)展與新成果.工程與試驗J. 2011, 51 (1): 1-5.3付小強(qiáng), 吳素君, 張佳佳等. 渦流陣列無損檢測技術(shù)在大飛機(jī)中的應(yīng)用J. 民用飛機(jī)設(shè)計與研究, 2009, (S1):84-88.4安治永, 李應(yīng)紅, 梁華等. 無損檢測在航空維修中的應(yīng)用J. 無損檢測, 2006, 28(11): 598-601.5何玉懷, 蘇彬. 中國航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片用材料力學(xué)性能狀況分析J. 航空發(fā)動機(jī). 2005,31(2): 51-58.6 B.F.Yang, F.L.Luo, D.Han. Research on