飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫槽爬波原位檢測(cè)

謝小榮，江 濤，楊小林

（空軍第一航空學(xué)院 航空修理工程系，信陽(yáng) 464000）

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和壓縮器葉片在高溫／高壓／高載荷復(fù)雜條件下工作，容易在葉邊、葉根、葉背以及葉榫處產(chǎn)生裂紋，是飛機(jī)日常無(wú)損檢測(cè)的重點(diǎn)對(duì)象。從安全和經(jīng)濟(jì)上考慮，葉片不能經(jīng)常拆卸，日常主要采用原位檢測(cè)方法。目前，在原位條件下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的葉邊、葉根、葉背可以采取渦流、超聲表面波或視頻孔探等手段檢查。但是對(duì)于葉片榫槽部位，由于其與輪盤齒嚙合，上述方法無(wú)法進(jìn)行原位檢測(cè)。超聲爬波具有與其他聲波不同的傳播特性，適合飛機(jī)葉片榫槽的原位檢測(cè)。

1 檢測(cè)原理

爬波是超聲波以第一臨界角入射時(shí)，縱波發(fā)生全反射，沿表面下傳播的特殊模式超聲波。爬波傳播時(shí)大部分能量集中在表面，對(duì)表面缺陷十分敏感，卻對(duì)工件表面狀況和材料晶粒度不敏感［1－2］。近年來(lái)，隨著爬波理論研究的深入，爬波在焊接結(jié)構(gòu)、粗晶材料、電力陶瓷和高溫合金材料無(wú)損檢測(cè)方面的應(yīng)用取得了很大的成功［3－5］。

爬波在航空領(lǐng)域的應(yīng)用和研究不多，文章嘗試?yán)门啦ㄌ匦越鉀Q飛機(jī)葉片榫槽原位檢測(cè)問題。如圖1分別是葉片安裝位置和爬波原位檢測(cè)示意圖?？梢钥闯?，爬波原位檢測(cè)的探測(cè)面在葉背，爬波穿過葉榫到達(dá)榫槽，遇到缺陷和葉片端面即被反射，探傷儀熒光屏上會(huì)顯示出缺陷和端面波信號(hào)。如葉片榫槽處無(wú)裂紋，則儀器熒光屏上只有端面波而無(wú)缺陷波。筆者以前曾應(yīng)用過瑞利表面波檢測(cè)葉片榫槽裂紋，但由于瑞利波會(huì)在榫齒處反射，裂紋又與榫齒太近，裂紋信號(hào)和榫齒回波很難分辨，檢測(cè)效果很不理想。爬波檢測(cè)不存在榫齒回波，因此很容易判斷是否有裂紋。

2 儀器、探頭選擇

選用DPT－1002數(shù)字超聲波探傷儀。選用該型儀器有兩個(gè)方面的考慮：一是該儀器體積小巧，僅重0.9kg，適合在狹小的飛機(jī)進(jìn)氣道對(duì)葉片進(jìn)行原位檢測(cè)；二是爬波衰減較快，傳播距離短，而DPT－1002探傷儀采用方波激勵(lì)技術(shù)，可以產(chǎn)生高強(qiáng)度爬波，保證檢測(cè)靈敏度。探頭的尺寸必須考慮原位檢測(cè)時(shí)葉片間隙的大小，以保證探頭能夠到達(dá)檢測(cè)區(qū)域。經(jīng)過試驗(yàn)篩選，結(jié)果表明，雙晶探頭較單探頭雜波少，5MHz頻率比2.5MHz檢測(cè)靈敏度高，最終選用晶片尺寸6mm×6mm的小尺寸5MHz雙晶爬波探頭，其前沿為10mm。

3 試塊

檢測(cè)最好使用帶有裂紋的飛機(jī)原始葉片作試塊，但是飛機(jī)葉片十分珍貴，因此設(shè)計(jì)制作模擬試塊來(lái)代替。模擬試塊采用20號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)測(cè)試，縱波、橫波、爬波在試塊與被檢葉片中聲速基本相同。模擬試塊形狀如圖2。

人工榫槽缺陷寬度為0.1mm，長(zhǎng)度為2，5，8和10mm，深度分別為0.2，0.5，0.8和1.0mm，裂紋間隔10mm。試塊兩側(cè)分別留有20和30mm空間，方便進(jìn)行無(wú)裂紋對(duì)比校正和避免出現(xiàn)邊角反射。

圖2 模擬葉片試塊形狀及參數(shù)

4 儀器調(diào)節(jié)和靈敏度確定

設(shè)置儀器各項(xiàng)參數(shù)，聲程范圍設(shè)為30mm；校準(zhǔn)材料聲速、探頭延時(shí)、探頭K值。在有5mm長(zhǎng)人工裂紋的模擬葉片試塊上進(jìn)行調(diào)試，探頭前沿距葉根20mm。探頭對(duì)準(zhǔn)無(wú)裂紋區(qū)時(shí)，儀器顯示始波和端面回波；探頭對(duì)準(zhǔn)0.2mm深人工裂紋時(shí)，端面波前出現(xiàn)裂紋波，同時(shí)端面波減小。調(diào)節(jié)增益，使裂紋波高至40%，在裂紋波和端面波處設(shè)置進(jìn)波報(bào)警閘門，閘門高度40%，確定檢測(cè)靈敏度。橫向移動(dòng)探頭，分別掃查過0.5，0.8，1.0mm深的人工裂紋，顯示屏上裂紋波逐步增高，端面波逐步降低，甚至消失，儀器報(bào)警。測(cè)試所有試塊各條裂紋，制作不同長(zhǎng)度下深度－振幅曲線，如圖3，方便以后工作中對(duì)發(fā)現(xiàn)的裂紋進(jìn)行定量。

以目前儀器狀態(tài)離位檢測(cè)帶有原始榫槽裂紋的葉片進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)證明，該方法工藝能夠有效檢出裂紋，且靈敏度余量較大，如圖4（a）所示。存儲(chǔ)工藝，在進(jìn)行飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片原位檢測(cè)時(shí)直接讀取該工藝即可，如圖4（b）所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)

5 原位檢測(cè)

某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ級(jí)壓縮器葉片榫槽曾出現(xiàn)幾起裂紋，裂紋都在榫槽中間部位，用上述方法對(duì)其進(jìn)行原位檢測(cè)。攜帶手持式DPT－1002超聲儀鉆入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，用擦布將所有待查葉片擦干凈，特別是葉片背面。按前面所述放置好探頭，并用耦合劑耦合好，采用單面橫向掃查法，探頭前沿距葉根20mm。首先找到始波和葉片榫頭端部的反射回波（底波），并同時(shí)注意觀察閘門框位置。探頭沿榫頭橫向均勻移動(dòng)，并作大約20°擺動(dòng)，直到葉片掃查完畢。如儀器發(fā)生聲光報(bào)警，閘門框內(nèi)有達(dá)到滿刻度40%以上的回波信號(hào)，表明此處有裂紋存在，如圖5所示，此時(shí)應(yīng)重復(fù)掃查驗(yàn)證。檢查完葉片后，移去探頭，將葉背上的耦合劑擦干凈，再用同樣的方法步驟繼續(xù)檢查另一葉片。每檢查完一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)5個(gè)葉片后，再用模擬試塊校驗(yàn)一次儀器靈敏度，若靈敏度仍然合格，該探傷有效，如果靈敏度降低到不合格要求，前5個(gè)葉片探傷無(wú)效，需要重新進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)裂紋后，采用半波高度法先測(cè)量裂紋長(zhǎng)度，再利用不同長(zhǎng)度下深度－振幅曲線對(duì)裂紋深度進(jìn)行定量。對(duì)最終懷疑有裂紋的，應(yīng)脫下發(fā)動(dòng)機(jī)分解該葉片，進(jìn)行磁粉、滲透探傷復(fù)查，以復(fù)查結(jié)果為準(zhǔn)。

6 結(jié)論與展望

通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）采用小尺寸高頻雙晶爬波探頭可以有效地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫槽裂紋進(jìn)行檢測(cè)。

（2）葉片榫槽有裂紋時(shí)，不僅會(huì)出現(xiàn)裂紋回波，而且端面回波高度還會(huì)減低，裂紋較大時(shí)端面回波甚至?xí)А?/p>

（3）制作不同長(zhǎng)度下深度－振幅曲線，有助于對(duì)裂紋進(jìn)行定量。

由于爬波衰減大，傳播距離短等特性局限，目前在工業(yè)中應(yīng)用不是很多，國(guó)內(nèi)只是較多用于電力絕緣子檢測(cè)。其實(shí)爬波對(duì)于檢測(cè)某些焊縫以及一些難以檢測(cè)的零件部位有其獨(dú)到之處，隨著超聲檢測(cè)儀器技術(shù)不斷進(jìn)步，相信爬波檢測(cè)技術(shù)將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 檢測(cè)波形對(duì)比

［1］樊利國(guó)，荊洪陽(yáng).爬波檢測(cè)及其應(yīng)用［J］.無(wú)損檢測(cè)，2005，27（4）：212－216.

［2］江山，霍立興.表面及近表面裂紋的爬波無(wú)損檢測(cè)［J］.無(wú)損探傷，2005，29（3）：7－11.

［3］莫寧.超聲爬波試驗(yàn)在運(yùn)行瓷件探傷中的應(yīng)用［J］.山西電力技術(shù)，2000，92（3）：21－22.

［4］徐連勇，荊洪陽(yáng).在役含缺陷棒形懸式瓷絕緣子的非破壞性可靠性評(píng)定［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39（10）：1258－1263.

［5］魏東斌，劉鳴娟.鎳基合金螺栓的超聲波檢測(cè)［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2006，27（4）：56－58.