葉片的無(wú)損檢測(cè)及其再制造質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)現(xiàn)狀*

中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 朱學(xué)耕 董世運(yùn) 徐濱士

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等的重要組成部件，在服役中通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能、熱能轉(zhuǎn)化為電能、機(jī)械能，或者將電能轉(zhuǎn)化為風(fēng)能。由于葉片服役環(huán)境復(fù)雜，工作中主要承載巨大的離心力、熱應(yīng)力等交變載荷，加之葉片在高速旋轉(zhuǎn)中與空氣中的水、微粒等發(fā)生相互作用，使葉片易產(chǎn)生疲勞裂紋[1-2]與沖蝕磨損，甚至導(dǎo)致葉片斷裂。由于葉片造價(jià)昂貴，更換成本太高，為使葉片處于良好的工作狀態(tài)，需要用無(wú)損檢測(cè)的手段對(duì)葉片進(jìn)行定期檢查，并對(duì)失效葉片進(jìn)行再制造[3]修復(fù)，使其恢復(fù)或超越之前的性能要求。

葉片的損傷形式分析

（1）疲勞裂紋。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量多、形狀不一，每一個(gè)葉片都處于高溫、高壓、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)境中，其葉根連接在葉輪上，承受著數(shù)十噸甚至上百?lài)嵉碾x心力、彎曲應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力和熱沖擊等載荷，在材料承受交變應(yīng)力持續(xù)作用下，萌生出位錯(cuò)、滑移、相變等內(nèi)部缺陷，并逐漸演化成為宏觀(guān)裂紋[4]，裂紋在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕作用下擴(kuò)展，最終會(huì)導(dǎo)致葉片斷裂，使汽輪機(jī)無(wú)法正常工作，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

（2）沖蝕磨損。葉片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)受空氣中水與微小顆粒的沖擊，表面材料發(fā)生磨損，易出現(xiàn)腐蝕坑并在此處應(yīng)力集中，埋下隱患，影響葉片正常工作，是葉片在工作中失效的重要原因。

損傷葉片的再制造研究進(jìn)展

目前，對(duì)損傷葉片的處理方式主要是更換與修復(fù)。葉片制造成本高，損傷后直接更換經(jīng)濟(jì)效益低，以渦輪葉片為例，目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在多數(shù)情況下都是對(duì)損壞的葉片采取修理的措施而不是更換，由于其帶來(lái)的巨大的經(jīng)濟(jì)效益已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)，如美國(guó)已成功掌握了葉片裂紋的激光修復(fù)技術(shù)[5]，我國(guó)在損傷葉片的修復(fù)方面較發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距，但也進(jìn)行了大量的探索。

葉片在高溫環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)會(huì)在表面發(fā)生磨損與氧化，影響葉片性能，甚至導(dǎo)致葉片停用。針對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片榫頭表面磨損，成都航利集團(tuán)利用納米電刷鍍技術(shù)對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)整流葉片榫頭的微動(dòng)磨損進(jìn)行修復(fù)[6]，與普通鍍層相比，含有納米顆粒的復(fù)合電刷鍍鍍層硬度顯著提高，滲氫量大幅度降低，使其使用壽命由再制造前的300～500h延長(zhǎng)至再制造后至少1000h。在對(duì)葉片表面氧化物修復(fù)方面，大連理工大學(xué)的朱小鵬等[7]采用TEMP-6型強(qiáng)流脈沖離子束裝置開(kāi)展了強(qiáng)流脈沖離子束表面再制造技術(shù)的研究。研究表明，利用強(qiáng)流脈沖離子束輻照材料強(qiáng)烈的熱-力學(xué)效應(yīng)，應(yīng)用于渦輪葉片表面的清洗維修，可有效去除渦輪葉片基體因高溫氧化形成的氧化物，輻照表面反復(fù)重熔使葉片表面微觀(guān)缺陷焊合，獲得光滑平整的修復(fù)表面，并且葉片表面質(zhì)量?jī)?yōu)于原始葉片，實(shí)現(xiàn)了HIPIB輻照在渦輪葉片表面再制造方面的應(yīng)用，為重新制備熱障涂層提供了條件。

裂紋修復(fù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片修理工作中的難題，目前國(guó)內(nèi)對(duì)渦輪葉片裂紋的修復(fù)工藝研究甚少，一般利用普通熔焊技術(shù)對(duì)葉片裂紋進(jìn)行修復(fù)，由于普通熔焊的電弧在工件上分布寬，熱輸入量大，會(huì)在界面上造成晶界液化，在焊接拉應(yīng)力作用下，會(huì)形成液化裂紋，同時(shí)在熱影響區(qū)極易出現(xiàn)熱裂紋，影響葉片修復(fù)質(zhì)量。為了避免液化裂紋產(chǎn)生，成都航利集團(tuán)開(kāi)發(fā)出微弧等離子低應(yīng)力焊接技術(shù)[8]，焊接能量集中，弧長(zhǎng)變化對(duì)焊接質(zhì)量影響小，有效降低了焊接應(yīng)力，成功控制了焊接缺陷的產(chǎn)生。為避免修復(fù)過(guò)程中出現(xiàn)熱裂紋，空軍第一航空學(xué)院在激光熔覆具有超快速加熱和超快速冷卻的過(guò)程、對(duì)基材的熱輸入量少、熱影響區(qū)小等優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，基于激光熔覆技術(shù)在葉片裂紋修復(fù)中的新工藝，設(shè)計(jì)出了渦輪葉片裂紋的激光修復(fù)系統(tǒng)[9]，得出了修復(fù)工藝過(guò)程和主要工藝參數(shù)。

葉片在產(chǎn)生疲勞裂紋后，由于繼續(xù)承受交變應(yīng)力，最終會(huì)發(fā)生斷裂或出現(xiàn)缺肉，目前針對(duì)此失效形式主要采用堆焊技術(shù)成型，同時(shí)探索了激光熔覆技術(shù)[10]，為提高修復(fù)工藝，哈爾濱工業(yè)大學(xué)孟慶武等[11]利用相同的原材料分別采用激光熔覆及氬弧堆焊技術(shù)，在鑄造鎳基合金試樣表面上制備涂層，研究表明：該堆焊成型技術(shù)存在成型精度低、熱影響區(qū)深、堆焊層耐磨性差、界面處有裂紋等缺點(diǎn)，而激光熔覆技術(shù)具有高能量集中的優(yōu)勢(shì)，制備的涂層組織細(xì)小致密，硬度高于堆焊涂層的硬度，較堆焊技術(shù)有很大優(yōu)勢(shì)，為渦輪葉片葉尖端部型腔成型探索了新的工藝。

葉片質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)

1 葉片損傷的無(wú)損檢測(cè)

以汽輪機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例，葉片在服役過(guò)程中根據(jù)失效部位不同可概括為表面失效與內(nèi)部失效，為了更好地對(duì)葉片進(jìn)行再制造修復(fù)，恢復(fù)其之前的性能，需要對(duì)葉片的失效部位進(jìn)行正確判斷，對(duì)于葉片的表面磨損、缺肉等失效形式直接用肉眼就能觀(guān)察清楚，但對(duì)于一些裂紋缺陷有時(shí)無(wú)法直接觀(guān)察、識(shí)別，因此難以確定其失效位置，在不損壞工件的前提下，可以用無(wú)損檢測(cè)的方法[12]對(duì)其進(jìn)行確定。

國(guó)內(nèi)外對(duì)葉片檢測(cè)的常用方法有：滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、射線(xiàn)檢測(cè)、超聲檢測(cè)，主要應(yīng)用于對(duì)葉片表面/近表面、表面以下的缺陷檢測(cè)。以上檢測(cè)方法有著各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，檢測(cè)缺陷的類(lèi)型和性能指標(biāo)都有所差異，下面根據(jù)缺陷位置的不同對(duì)每種方法進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 葉片表面/近表面缺陷檢測(cè)

火力發(fā)電廠(chǎng)中的汽輪機(jī)葉片和航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高壓渦輪葉片及葉根等部位的表面由于受到?jīng)_刷、磨損或腐蝕，經(jīng)常出現(xiàn)損傷，形成腐蝕坑或沖刷槽，引起葉片表面的應(yīng)力集中而導(dǎo)致葉片在高速工作狀態(tài)下產(chǎn)生微細(xì)裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)谷~片斷裂。目前，對(duì)工件表面質(zhì)量檢驗(yàn)常用的方法是表面超聲波探傷，但此方法受工件表面形狀、表面光潔度影響很大，汽輪機(jī)葉片形狀復(fù)雜，在工作中受汽蝕作用，表面非常粗糙，因此利用超聲表面波探傷有困難。鑒于受葉片的材質(zhì)、幾何形狀、表面狀況、工作環(huán)境等條件的限制，決定采用滲透探傷法。滲透檢測(cè)技術(shù)[13]采用滲透劑滲入工件表面開(kāi)口缺陷，在清除工件表面的滲透劑后，從缺陷回滲的滲透劑可顯示缺陷的位置、形狀和大小。按照滲透成分可以分為熒光、著色及熒光著色滲透檢測(cè)法3類(lèi)[14]。

利用原有的熒光滲透檢測(cè)方法對(duì)某型高壓渦輪工作葉片進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，滲透液會(huì)進(jìn)入工件狹長(zhǎng)、不規(guī)則的型腔以及與型腔垂直的小通孔，導(dǎo)致清洗困難，然而在保證檢測(cè)靈敏度的情況下，會(huì)造成清洗不足，缺陷無(wú)法判斷；在保證檢測(cè)背景的前提下，又會(huì)造成過(guò)清洗，缺陷無(wú)法顯示。為了解決這一矛盾，中航工業(yè)南方航空工業(yè)有限公司在原有熒光滲透檢測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變檢測(cè)工藝的順序以及細(xì)化檢測(cè)過(guò)程，在對(duì)某型高壓渦輪葉片進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，克服了以上不足，為盲孔、型腔類(lèi)零件的熒光滲透積累了經(jīng)驗(yàn)[15]。除此之外，文獻(xiàn)[16]利用溶劑去除型滲透探傷方法對(duì)汽輪機(jī)葉片的表面進(jìn)行探傷，在利用顯像劑吸附滲透液的過(guò)程中，在葉片的表面產(chǎn)生清晰可見(jiàn)的缺陷圖像，消除了設(shè)備的重大隱患，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

利用熒光滲透檢測(cè)方法對(duì)葉片進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，不需要復(fù)雜的設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性好，能夠清晰地顯示缺陷的位置，但是葉片在使用一段時(shí)間后，表面常會(huì)被腐蝕[17]，縮短了葉片的使用壽命。滲透檢測(cè)方法不能估計(jì)裂紋的深度，且只適用于檢測(cè)表面缺口裂紋，對(duì)于葉片近表面以及葉片內(nèi)部的缺陷則無(wú)法顯示。

雖然汽輪機(jī)葉片的幾何形貌比較復(fù)雜，超聲表面波探傷有一定難度，但是葉片的材料比較均勻，磁化后磁力線(xiàn)能夠在葉片的內(nèi)部均勻通過(guò)，基于這一特點(diǎn)能夠利用磁粉檢測(cè)的技術(shù)對(duì)葉片的表面及近表面缺陷進(jìn)行表征[13]。

利用磁粉檢測(cè)技術(shù)的基本原理，為了增強(qiáng)磁痕與工件表面的對(duì)比度，提高微小缺陷檢測(cè)靈敏度，在磁粉探傷方法中，常用的是熒光磁粉檢測(cè)方法[18]。文獻(xiàn)[19]在對(duì)汽輪機(jī)葉片工作狀況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，給出對(duì)葉片熒光磁粉探傷的檢驗(yàn)措施，在葉片邊緣、葉根側(cè)面等處發(fā)現(xiàn)有磁痕聚積，并對(duì)其進(jìn)行復(fù)檢和技術(shù)評(píng)定，發(fā)現(xiàn)未有超標(biāo)準(zhǔn)的磁痕顯示，通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)葉片檢測(cè)，使工作人員準(zhǔn)確把握質(zhì)量，并為汽輪機(jī)葉片的質(zhì)量檢驗(yàn)提供借鑒；在此基礎(chǔ)之上，目前空軍各修理廠(chǎng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋檢測(cè)大多采用磁粉探傷與超聲波檢測(cè)相結(jié)合的方法，在文獻(xiàn)[20]中，首先利用磁粉探傷對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)一級(jí)葉片的裂紋進(jìn)行檢測(cè)，然后利用超聲表面波檢測(cè)方法對(duì)缺陷進(jìn)行確定，二者取長(zhǎng)補(bǔ)短，相互結(jié)合。山東省電力試驗(yàn)研究所的張炳法[21]還利用濕磁法對(duì)葉片探傷工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究表明，濕磁法能夠使用較細(xì)的磁粉，其潛在檢測(cè)靈敏度比干磁法高，非常適用于葉片檢測(cè)，為葉片檢測(cè)提供一種新的思路。

磁粉檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)費(fèi)用低，具有較高的檢測(cè)靈敏度，但是只適用于鐵磁性材料，在利用磁粉檢測(cè)技術(shù)對(duì)葉片進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行拆裝，在一定程度上增加了檢測(cè)周期，大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司在對(duì)MARKⅡ型低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，拆裝葉片周期大約有8～9天[22]，而且在拆裝的過(guò)程中容易導(dǎo)致機(jī)械損傷，影響檢測(cè)效率。

渦流檢測(cè)技術(shù)[13]同樣適用于對(duì)工件的表面和近表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，在檢測(cè)中要求汽輪機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片為金屬材料，并能夠完成對(duì)葉片的原位探傷，在一定程度上克服了磁粉檢測(cè)技術(shù)的局限性?；跍u流檢測(cè)的原理，中國(guó)南方航空工業(yè)有限責(zé)任公司利用渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片榫頭裂紋進(jìn)行了原位探傷[23]，成功地發(fā)現(xiàn)榫頭處的疲勞裂紋；Zenzinger等[24]基于脈沖渦流熱成像檢測(cè)技術(shù)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和榫頭上的裂紋進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)此方法能夠檢測(cè)出滲透檢測(cè)法無(wú)法檢測(cè)的內(nèi)部小缺陷；南昌航空大學(xué)宋凱、劉堂先等[25]建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片三維有限元模型，設(shè)計(jì)了雙線(xiàn)圈陣列渦流裂紋檢測(cè)簡(jiǎn)化模型，研究了陣列渦流線(xiàn)圈掃查具有一定曲率的渦輪葉片表面時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化，得到了不同長(zhǎng)度的縱向裂紋和不同深度的橫向裂紋同陣列渦流線(xiàn)圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的工程檢測(cè)實(shí)踐奠定了理論基礎(chǔ)；吉林化工學(xué)院邵澤波、宋樹(shù)波[26]還將渦流檢測(cè)方法應(yīng)用于汽輪機(jī)末級(jí)葉片的原位探傷，對(duì)葉片的尖邊、排氣邊、進(jìn)氣邊以及葉根處的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，缺陷信號(hào)顯示清晰、效果良好，證實(shí)了該方法在汽輪機(jī)葉片檢測(cè)中的優(yōu)越性。雖然渦流檢測(cè)方法能夠很好地應(yīng)用在葉片的缺陷檢測(cè)中，但是目前也只是對(duì)形狀規(guī)則的葉片或者葉片中形狀規(guī)則的部分進(jìn)行檢測(cè)，且檢測(cè)的深度僅限于葉片的表面和近表面，對(duì)于復(fù)雜形狀葉片以及葉片內(nèi)部缺陷的檢測(cè)還有一定的局限性。

1.2 葉片內(nèi)部缺陷檢測(cè)

葉片在加工制造過(guò)程中由于加工材料本身的問(wèn)題、制造工藝不良以及加工過(guò)程中的疏漏等原因，有可能存在氣孔、夾雜等缺陷，這些缺陷埋藏在葉片內(nèi)部，肉眼無(wú)法觀(guān)察，在葉片服役過(guò)程中潛伏著巨大危害，有可能導(dǎo)致葉片內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，甚至導(dǎo)致葉片斷裂，造成巨大損失；葉片在再制造過(guò)程中熔覆層與基體的結(jié)合面處是否有裂紋、再制造后的葉片是否能夠繼續(xù)服役，這些都需要評(píng)價(jià)，在不損壞工件的前提下，無(wú)損檢測(cè)的方法發(fā)揮著重要的作用，在常用的5大無(wú)損檢測(cè)手段中滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)僅限于對(duì)葉片的表面或者近表面進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法檢測(cè)葉片內(nèi)部，針對(duì)這些問(wèn)題國(guó)內(nèi)、外利用射線(xiàn)和超聲檢測(cè)的方法進(jìn)行了探索。

射線(xiàn)探傷法包括普通透壁測(cè)量法、X射線(xiàn)衍射法、康普頓（Compton）效應(yīng)測(cè)量法、X射線(xiàn)層析法、中子照射法以及陽(yáng)電子湮沒(méi)法等。射線(xiàn)檢測(cè)[13]指當(dāng)射線(xiàn)穿過(guò)物體時(shí)，射線(xiàn)與物質(zhì)的原子將發(fā)生復(fù)雜的相互作用，導(dǎo)致透射射線(xiàn)強(qiáng)度衰減，而缺陷部位對(duì)射線(xiàn)的衰減不同于無(wú)缺陷的部位，用膠片記錄透射射線(xiàn)強(qiáng)度進(jìn)行分析，即可檢測(cè)出物體內(nèi)部的缺陷。在國(guó)外，赫爾辛基(Helsinki)工科大學(xué)已經(jīng)采用X射線(xiàn)衍射法進(jìn)行了一些測(cè)量。VTT公司已采用實(shí)時(shí)的射線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了汽輪機(jī)葉片的測(cè)量[17]。在我國(guó)，北京航空航天大學(xué)[27]、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所[28]、南昌航空大學(xué)[29]均利用X射線(xiàn)檢測(cè)方法對(duì)葉片缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，其中北京航空航天大學(xué)楊民等將射線(xiàn)探測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，推動(dòng)了射線(xiàn)照相技術(shù)向數(shù)字化的方向發(fā)展；孔凡琴、路宏遠(yuǎn)實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字射線(xiàn)成像的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片缺陷尺寸的自動(dòng)測(cè)定[30]。武漢汽車(chē)工業(yè)大學(xué)趙志、彭光俊[31]將雙膠片技術(shù)應(yīng)用在鑄鋼風(fēng)機(jī)葉片X射線(xiàn)檢測(cè)中，提高了檢測(cè)靈敏度，減少了曝光量，取得了良好的效果，并利用微機(jī)評(píng)片技術(shù)對(duì)大量的膠片進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)葉片更加方便、快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)，該技術(shù)目前也是射線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向。然而，目前如何以一種快速的工業(yè)射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)代替膠片技術(shù)仍是我國(guó)射線(xiàn)檢測(cè)領(lǐng)域首要解決的問(wèn)題，北京航空航天大學(xué)的梁麗紅等[32]了解并研究非晶體面陣探測(cè)器的成像特性，率先將非晶硅面陣探測(cè)器成像技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)射線(xiàn)檢測(cè)中，并在某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的工業(yè)檢測(cè)中取得了較好效果，由于該方法提了檢測(cè)效率，其代替膠片成像已成為今后射線(xiàn)檢測(cè)的發(fā)展方向。

射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)對(duì)葉片形狀以及材料沒(méi)有特殊要求，且檢測(cè)靈敏度比較高，缺陷成像直觀(guān)，能夠較好地對(duì)缺陷進(jìn)行定量，但是，射線(xiàn)對(duì)人體有輻射，檢測(cè)成本又高，為避免這些問(wèn)題，人們探索了超聲檢測(cè)方法。

超聲檢測(cè)方法具有操作簡(jiǎn)單易行、方便快捷、檢測(cè)效率高等優(yōu)勢(shì)已廣泛應(yīng)用在工業(yè)檢測(cè)中。超聲波穿透能力強(qiáng)、方向性好、聲波能量集中，利用超聲檢測(cè)方法可以對(duì)幾米深的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。日本日立公司針對(duì)汽輪機(jī)葉片在葉根處易產(chǎn)生疲勞裂紋這一問(wèn)題，利用超聲檢測(cè)的方法進(jìn)行了大量研究工作[33]，研究發(fā)現(xiàn)：受葉片幾何形狀的限制，檢驗(yàn)方法一般采用高頻、小尺寸、橫波斜探頭進(jìn)行檢測(cè)。在我國(guó)，福建省電力試驗(yàn)研究院杜德源等[34]采用微型常規(guī)橫波探頭利用一次波和二次波探傷的方法對(duì)T形葉根處的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，取得滿(mǎn)意效果，解決探頭放置困難的問(wèn)題，為其他葉根探傷提供了良好的參考價(jià)值。常規(guī)超聲檢測(cè)方法能夠較好地檢測(cè)出缺陷，但是由于其檢測(cè)盲區(qū)較大，易導(dǎo)致漏檢，檢測(cè)區(qū)域小，需要重復(fù)多次才能完成對(duì)葉片的檢測(cè)，效率低下。為了解決這一問(wèn)題，美國(guó)電力科學(xué)研究協(xié)會(huì)（EPRI）開(kāi)發(fā)出一種相控陣超聲波技術(shù)，用以更快、更準(zhǔn)確地對(duì)核電用汽輪機(jī)組件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，美國(guó)的Arizona公共供電公司和Alliant能源公司在停電檢修期間用該技術(shù)對(duì)汽輪機(jī)葉輪葉片焊接區(qū)進(jìn)行了成功檢驗(yàn)，為相控陣技術(shù)在葉片超聲檢測(cè)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

隨著科技的發(fā)展，以及工業(yè)上對(duì)檢測(cè)要求的提高，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)以聚焦和偏轉(zhuǎn)的特點(diǎn)[35-36]逐漸取代常規(guī)超聲檢測(cè)而廣泛地應(yīng)用在對(duì)汽輪機(jī)葉片和航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的無(wú)損檢測(cè)中。大亞灣核電站汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片采用GEC-A設(shè)計(jì)制造的MARKⅡ型葉片樅樹(shù)型葉根[22]，其末級(jí)葉片易出現(xiàn)裂紋，利用新型超聲相控陣原位檢查技術(shù)對(duì)葉片的主要區(qū)域進(jìn)行全面掃描，排除了安全隱患，并使原來(lái)對(duì)葉片拆裝檢測(cè)的工期大大縮減，提高了檢測(cè)效率。在叉型葉根檢測(cè)方面，河南省電力公司利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)，對(duì)汽輪機(jī)葉片叉型葉根進(jìn)行分區(qū)檢測(cè)[37]，對(duì)葉根重要部位實(shí)現(xiàn)了全面覆蓋，并利用超聲相控陣實(shí)時(shí)成像技術(shù)，使檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)直觀(guān)，易于判斷。汽輪機(jī)菌型葉片的檢測(cè)現(xiàn)狀是在不拆卸葉片的情況下采用超聲表面波對(duì)葉型進(jìn)行檢測(cè)，利用橫波或縱波對(duì)葉根進(jìn)行檢測(cè)，但是常規(guī)葉片的檢測(cè)存在很多不完善的地方甚至出現(xiàn)漏檢，給機(jī)組安全工作埋下隱患，文獻(xiàn)[38]利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)能夠較好地分辨葉片上葉型邊緣、頂部、根部及葉片葉根第一菌處的人工缺陷，數(shù)據(jù)判斷準(zhǔn)確，解決了菌型葉片超聲檢測(cè)的難題。長(zhǎng)春理工大學(xué)江文文等[39]利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并與常規(guī)超聲檢測(cè)進(jìn)行比較，凸顯出相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)能夠直觀(guān)顯示缺陷位置和形狀等特點(diǎn)。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重大進(jìn)步，它能夠很好地完成對(duì)復(fù)雜工件的檢測(cè)，與常規(guī)超聲無(wú)損檢測(cè)相比主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1） 掃查范圍大。葉片形狀復(fù)雜，能放置探頭的位置較少，探頭移動(dòng)困難，因此常規(guī)探頭掃描范圍有限。在無(wú)法移動(dòng)探頭位置情況下，相控陣探頭可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制聲波延時(shí)率使聲束能在一定角度范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)，擴(kuò)大其掃描范圍，解決了常規(guī)超聲探頭對(duì)復(fù)雜形狀葉片無(wú)法檢測(cè)的難題，提高了檢測(cè)效率。

（2）降低漏檢率。由于檢測(cè)環(huán)境的限制，常規(guī)超聲探頭無(wú)法在葉片上較大范圍地移動(dòng)，因此無(wú)法在不同的位置對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行重復(fù)檢查，相控陣超聲探頭可以在同一位置對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行重復(fù)掃描，降低了漏檢率，檢測(cè)結(jié)果更加可靠。

雖然說(shuō)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)相對(duì)于常規(guī)超聲檢測(cè)有很多的優(yōu)勢(shì)，但是它仍然沒(méi)有擺脫超聲檢測(cè)對(duì)被檢工件表面粗糙度的要求，對(duì)于表面粗糙度過(guò)大的工件聲波散射嚴(yán)重，造成檢測(cè)效果不好甚至無(wú)法檢測(cè)。

1.3 其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

在對(duì)葉片的無(wú)損檢測(cè)方法中，除了上述的檢測(cè)方法外，還有一些其他的無(wú)損檢測(cè)手段，如：工業(yè)CT技術(shù)、紅外熱波無(wú)損檢測(cè)方法、金屬磁記憶方法等。與傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法相比，他們有許多的優(yōu)點(diǎn)，在葉片的檢測(cè)中發(fā)揮著良好的作用。研究表明：利用工業(yè)CT技術(shù)能夠?qū)︼w機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片進(jìn)行掃描成像[40]，并且能夠探測(cè)到接近0.0508mm的精確尺寸和小到0.0254mm的裂紋[41]；電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院的孫國(guó)棟、吳云峰等[42]采用紅外熱波技術(shù)對(duì)航空渦輪葉片內(nèi)部冷卻風(fēng)道的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，與傳統(tǒng)紅外檢測(cè)不同的是，它通過(guò)主動(dòng)控制激勵(lì)熱源和分析測(cè)量樣件表面的溫度場(chǎng)變化獲得樣件表面及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，從而達(dá)到檢測(cè)目的，提高了檢測(cè)效率；金屬磁記憶檢測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金屬構(gòu)件的微觀(guān)缺陷、早期失效和損傷等進(jìn)行診斷，是目前唯一一種對(duì)金屬部件早期損傷診斷的行之有效的方法[43]。文獻(xiàn)[44]分析了該方法在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片檢測(cè)中的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)葉片中應(yīng)力集中部位，對(duì)葉片早期故障檢測(cè)中的前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析。

2 殘余應(yīng)力的無(wú)損測(cè)定

葉片的全壽命周期可看作由疲勞期、過(guò)渡期和裂紋擴(kuò)展期3個(gè)階段組成。由于過(guò)渡期和裂紋擴(kuò)展期相對(duì)較短，為了確保葉片在工作中不會(huì)發(fā)生斷裂，需要在疲勞期就能對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的安全監(jiān)控。目前，工程上廣泛使用的葉片缺陷檢測(cè)方法，比如渦流探傷、磁粉探傷等，只能對(duì)葉片宏觀(guān)裂紋進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法對(duì)葉片材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化提供有效監(jiān)測(cè)，不能對(duì)疲勞期的葉片質(zhì)量做出有效評(píng)價(jià)[45]。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)械零部件疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著重要影響，殘余應(yīng)力的變化反映了其材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化[46-47]。因此，通過(guò)對(duì)葉片殘余應(yīng)力的測(cè)定，總結(jié)其變化規(guī)律可以對(duì)葉片安全性進(jìn)行評(píng)估。

目前，傳統(tǒng)殘余應(yīng)力的測(cè)定方法主要分為機(jī)械釋放法[48]和物理檢測(cè)法[49]。機(jī)械法理論完善、技術(shù)成熟，但是會(huì)對(duì)工件造成一定破壞；物理檢測(cè)法主要包括X射線(xiàn)法、超聲法[50]和磁性法[51]，屬于無(wú)損檢測(cè)法，對(duì)工件不會(huì)造成破壞。由于葉片造價(jià)昂貴，采用機(jī)械法對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)對(duì)葉片損傷太大，因此在實(shí)際中需要用物理檢測(cè)法對(duì)其殘余應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估。磁性法測(cè)定殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確性不高，而且只能用于鐵磁性材料，尤其是不宜用來(lái)測(cè)定存在過(guò)高殘余應(yīng)力的構(gòu)件。超聲波法尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，因很多關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)有解決，還不能用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。由于X射線(xiàn)衍射法可以直接測(cè)量出殘余應(yīng)力的絕對(duì)值且結(jié)果較為精確，美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)和日本材料學(xué)會(huì)都把X射線(xiàn)衍射法作為測(cè)定材料應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)方法。我國(guó)上海交大等高校與黎陽(yáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司等生產(chǎn)單位也均采用X射線(xiàn)衍射法來(lái)測(cè)定葉片表面的殘余應(yīng)力?？哲姷谝缓娇諏W(xué)院劉建勛等針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的疲勞斷裂問(wèn)題，采用X射線(xiàn)衍射分析方法，對(duì)模型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行了殘余應(yīng)力測(cè)試。分析了葉片表面不同部位殘余應(yīng)力隨工作壽命和損傷情況的變化規(guī)律，探討了將殘余應(yīng)力應(yīng)用于葉片使用安全評(píng)定的可行性。結(jié)果表明，通過(guò)檢測(cè)葉片表面殘余應(yīng)力，可以評(píng)估葉片的疲勞損傷狀況，解決葉片的安全使用評(píng)定問(wèn)題[52]。

隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了很多新型殘余應(yīng)力測(cè)定方法：多孔差方法[53]、裂紋柔度法[54-55]、磁記憶應(yīng)力檢測(cè)法[56]、掃描電子顯微鏡法[57]、激光超聲檢測(cè)法[58]。除此之外還有用核超精細(xì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定的方法，其中有木斯保爾效應(yīng)[59]、核磁共振[60]和核聲共振[61]等3種。這些方法需昂貴設(shè)備，試驗(yàn)條件復(fù)雜，因此發(fā)展緩慢。

通過(guò)測(cè)定葉片的殘余應(yīng)力狀況，可以早期預(yù)測(cè)葉片有可能出現(xiàn)殘缺的部位，針對(duì)具體的葉片部位監(jiān)測(cè)其殘余應(yīng)力，找出各個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，同時(shí)綜合其他一些相關(guān)因素，可以判斷葉片的損傷程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片質(zhì)量進(jìn)行安全評(píng)定，該方法在工程上可操作、實(shí)用性強(qiáng)，能夠有效地控制葉片斷裂故障的發(fā)生。

展 望

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在葉片缺陷檢測(cè)和殘余應(yīng)力測(cè)定中發(fā)揮著重要的作用。在葉片缺陷檢測(cè)過(guò)程中，每種無(wú)損檢測(cè)方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但是總的來(lái)說(shuō)有以下發(fā)展趨勢(shì)： （1）檢測(cè)設(shè)備與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，使檢測(cè)結(jié)果數(shù)字化，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存與分析； （2）檢測(cè)技術(shù)將向更快捷、更效率的方向改善； （3）在處理檢測(cè)結(jié)果上將與小波分析技術(shù)相結(jié)合，更好地對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。

此外，葉片殘余應(yīng)力的測(cè)定將在葉片安全性評(píng)估中發(fā)揮更加重要的作用，能夠在葉片失效前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免重大的人員和設(shè)備損失，目前工業(yè)上對(duì)葉片殘余應(yīng)力的測(cè)定主要利用X射線(xiàn)檢測(cè)法，隨著技術(shù)的發(fā)展，金屬磁記憶方法及超聲表面波方法將在工程上可操作性、使用性方面得到提高，在葉片殘余應(yīng)力的測(cè)定中發(fā)揮重要作用，未來(lái)殘余應(yīng)力測(cè)定技術(shù)將朝著無(wú)損、快捷、在線(xiàn)測(cè)量等方向發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步，無(wú)損檢測(cè)也會(huì)向無(wú)損評(píng)價(jià)的方向發(fā)展，其理論研究和應(yīng)用也將會(huì)受到更多關(guān)注。

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