單晶空心渦輪葉片壁厚測量方法比較

吳慶輝，許劍偉，方 向，駱宇時

(北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100095)

單晶空心渦輪葉片壁厚測量方法比較

吳慶輝，許劍偉，方 向，駱宇時

(北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100095)

通過對空心渦輪葉片超聲測厚法和工業(yè)CT測厚法工作原理和測厚過程的對比分析，分別采用超聲檢測和工業(yè)CT兩種方法對DD6合金單晶空心葉片典型位置的壁厚進(jìn)行了無損檢測，并將檢測結(jié)果與葉片剖切后卡尺直接測量的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：對于DD6合金的單晶葉片，工業(yè)CT檢測法測得的壁厚數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度略高于超聲檢測法，但差別不明顯;工業(yè)CT檢測法更便于檢測結(jié)果的追溯，超聲檢測法檢測效率更高。

單晶空心葉片; 壁厚; 超聲; 工業(yè)CT

渦輪葉片是航空發(fā)動機(jī)最核心的零件之一，其需要在高于1 000 ℃的溫度下工作。為了提高渦輪葉片的承溫能力，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片大都采用了薄壁空心結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并將內(nèi)腔作為氣冷通道以實(shí)現(xiàn)葉片的復(fù)合氣冷。壁厚是空心渦輪葉片重要的幾何尺寸指標(biāo)，直接影響到發(fā)動機(jī)的安全和壽命，因此壁厚檢測一直是渦輪葉片尺寸檢測方法研究的熱點(diǎn)。以往有關(guān)壁厚測量的文獻(xiàn)報道中，多數(shù)研究對象是各向同性的等軸晶組織或定向組織的渦輪葉片，對于各向異性的單晶合金渦輪葉片壁厚測量方法尚缺乏系統(tǒng)的研究。另外對于常用的不同壁厚測量方法，其測量準(zhǔn)確性如何，也需要開展相關(guān)的對比研究。

筆者通過對空心渦輪葉片壁厚超聲測量法和工業(yè)CT測量法工作原理和測量過程的對比分析，分別采用超聲檢測和工業(yè)CT兩種方法對DD6合金單晶空心葉片典型位置的壁厚進(jìn)行了無損檢測，并將檢測結(jié)果與葉片剖切后卡尺直接測量的結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 測量原理和特點(diǎn)對比

1.1 超聲測厚法 超聲測厚法全稱為超聲脈沖回波測厚法[1]，通常脈沖回波超聲檢測的過程是：由超聲檢測儀(亦稱超聲波探傷儀)產(chǎn)生脈沖電信號，輸入到換能器(或探頭)上，激勵換能器的壓電晶片發(fā)射脈沖超聲波；超聲波透射(或折射)進(jìn)入被檢材料或工件中，經(jīng)過反射或衍射等傳播變化，最終又被換能器的壓電晶片所接收，再轉(zhuǎn)成電信號，輸送回超聲波探傷儀并顯示出來[2]。

采用超聲脈沖回波法測量厚度時，厚度是聲速與超聲在材料中傳播往返時間一半的乘積。

(1)

式中：T為厚度；v為聲速；t為材料中超聲傳播往返時間。

被檢材料的聲速是材料物理特性的函數(shù)，通常假定材料聲速是一常數(shù)，其近似值能從標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7522-2004《無損檢測材料超聲速度測量方法》表B1中查到，也可以根據(jù)試驗(yàn)測定。t為采用超聲脈沖回波儀器測量出的超聲波脈沖通過被檢件的傳播時間。

1.2 工業(yè)CT測厚法

工業(yè)CT技術(shù)是一種在不破壞被檢測物體的情況下，生成物體橫截面圖像的射線檢測方法。其基本原理是：當(dāng)一束薄的扇形射線束(X射線或γ射線)穿過被檢測物體時，會產(chǎn)生衰減，而衰減的射線強(qiáng)度與物體的線衰減系數(shù)μ有關(guān)；探測器從不同角度采集穿過物體的射線信號，輸入計算機(jī)，用數(shù)學(xué)重建方法計算出射線“切割”物體橫截面衰減系數(shù)的點(diǎn)陣，轉(zhuǎn)換成一幅橫截面圖像[3]。工業(yè)CT成像原理示意如圖1所示。

圖1 工業(yè)CT成像原理示意

圖2 壁厚測量CT值曲線示意

壁厚測量的CT值曲線大致如圖2所示的形狀。此時采取的壁厚測量方法為“半高法”，即選取波形曲線上CT值峰值的一半處的兩個點(diǎn)A1和A2，通過計算A1、A2間的像素數(shù)量間距從而得到對應(yīng)的空間距離，即為測量的壁厚數(shù)據(jù)。圖2為壁厚測量CT值曲線示意[4]。

2 測量結(jié)果及誤差分析

2.1 測量過程及結(jié)果 選取一種典型結(jié)構(gòu)的DD6合金單晶空心渦輪葉片中的截面作為研究對象，葉片檢測截面輪廓如圖3所示，選取典型位置K1、K2、K3、K4作為壁厚檢測點(diǎn)。檢測樣本數(shù)為15件，分別采用超聲法和工業(yè)CT法對中截面不同曲率K1、K2、K3、K4位置的壁厚進(jìn)行測量統(tǒng)計。測量完成后，沿截面線將被測葉片橫切，再用卡尺對壁厚測量位置進(jìn)行直接測量后，將數(shù)據(jù)與測量結(jié)果進(jìn)行對比。

圖3 檢測截面輪廓示意

超聲測量采用NDT Systems T300型接觸式超聲脈沖回波測量系統(tǒng)，選用水作為超聲測量的耦合劑，檢測結(jié)果如表1所示。

工業(yè)CT檢測采用X射線系統(tǒng)，具體測量條件是：射線源焦點(diǎn)尺寸為0.4 mm×0.4 mm；線陣列探測器三代掃描，管電壓為400 kV，管電流為1.7 mA，SOD (射線源到葉片距離)為515 mm，SDD(射線源到探測器距離)為1 159 mm。射束硬化校正：0.5 mm銅+2.0 mm鋁；重建矩陣：1 024×1 024，檢測結(jié)果如表2所示。

兩種無損方法檢測完成后，將葉片沿截面線高度剖切，用游標(biāo)卡尺直接測量出DD6單晶葉片對應(yīng)位置的壁厚，測量結(jié)果見表3。

因?yàn)閿?shù)顯卡尺的測量精度為0.001 mm,明顯高于超聲波測量精度和工業(yè)CT測量精度，因此筆者將數(shù)顯卡尺的測量值作為真值，然后將超聲法測量值和工業(yè)CT法的測量值分別與真值進(jìn)行對比。分析對比過程中，運(yùn)用到六西格瑪方法中的配對Tn檢驗(yàn)及置信區(qū)間法。

表1 DD6單晶葉片壁厚超聲法測量數(shù)據(jù) mm

表2 DD6單晶葉片壁厚工業(yè)CT法測量數(shù)據(jù) mm

表3 DD6單晶葉片壁厚卡尺測量數(shù)據(jù) mm

2.2 壁厚測量值的誤差分析

將同一葉片、同一位置采用超聲法測得的數(shù)據(jù)與真值相減，得到各點(diǎn)測試數(shù)據(jù)與真值之間的差值，如表4所示。同樣方法得到的工業(yè)CT法測得結(jié)果與真值的差值如表5所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，采用下式計算各測量點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差S為

(2)

式中：n為表4和表5中被測葉片差值的點(diǎn)數(shù)；Δi為表4和表5中第i件葉片測量值與真值的差值。

表4 超聲法測量結(jié)果與真值之差 mm

表5 工業(yè)CT法測量結(jié)果與真值之差 mm

表6 兩種方法的檢測結(jié)果

圖4 不同方法測量結(jié)果與真值之差的正態(tài)分布圖

從表3和圖4可以看出，兩種測量方法測得的壁厚值與真值的偏差均小于1%，說明兩種方法測得的結(jié)果與真值吻合度均很高，滿足單晶葉片壁厚測量的要求。從統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果來看，工業(yè)CT測得的壁厚數(shù)值與真值偏離比、超聲測量結(jié)果的偏離更小，數(shù)據(jù)分布更集中，工業(yè)CT法測量DD6合金單晶空心葉片壁厚更可靠。

從第2.1節(jié)和2.2節(jié)中對兩種測量方法的原理分析可以看出，采用超聲法測量時，由于檢測設(shè)備的探頭需要與葉片上壁厚檢測點(diǎn)位置保持完全的接觸，因此對檢驗(yàn)人員的操作技能有較高的要求;對于截面曲率較大的葉片和檢測位置，由于探頭存在一定的直徑，很難保證檢測點(diǎn)與探頭的完全接觸，加之單晶葉片合金材料為各項(xiàng)異性，會造成檢測結(jié)果出現(xiàn)波動。

采用工業(yè)CT方法檢測時，由于測量是基于CT掃描后得到的圖像進(jìn)行的，因此尺寸標(biāo)定時可以更加直觀和準(zhǔn)確地判斷出葉片內(nèi)外表面的邊界和測量方向與被測點(diǎn)法向偏差，因此測得的結(jié)果與真值更為接近，且誤差范圍更窄[5]。并且工業(yè)CT檢測后，葉片被測截面圖可以以圖片形式存檔，便于后續(xù)對檢測數(shù)據(jù)的追溯。

在對葉片壁厚數(shù)值進(jìn)行檢測的同時，也考察了兩種方法的檢測效率。采用超聲法檢測的同時進(jìn)行讀數(shù)，檢測60個壁厚點(diǎn)共用時21 min；工業(yè)CT法掃描葉片檢測截面用時13 min，掃描后根據(jù)截面圖讀數(shù)用時15 min，累計用時28 min，因此超聲法的檢測效率比工業(yè)CT法高。在工業(yè)化應(yīng)用中，若檢測點(diǎn)更多，超聲法檢測的效率優(yōu)勢將更加明顯。

3 結(jié)語

(1) 超聲法和工業(yè)CT法測量精度均滿足DD6合金單晶空心葉片的壁厚檢測要求。

(2) 對于DD6合金的單晶葉片，工業(yè)CT方法測得的壁厚數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度略高于超聲法，但差別不明顯。

(3) 工業(yè)CT法更便于測量結(jié)果的追溯，超聲法的效率更高。

[1] 董德秀，朱萍. 高壓渦輪葉片超聲測厚的工藝方法[J]. 無損檢測,2013，35(2)：29-35.

[2] 趙洪，郭廣平,鄔冠華.立方晶系單晶材料晶體取向?qū)v波聲速的影響[J].失效分析與預(yù)防，2010，5(2)：65-69.

[3] 張祥春，張鷺，王俊濤. 工業(yè)CT技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)單晶葉片壁厚測量中的應(yīng)用[J]. 無損檢測, 2015，37(2)：20-22.

[4] 蘇宇航，王倩妮，張于北. 航空發(fā)動機(jī)葉片高能工業(yè)CT壁厚測量數(shù)據(jù)自動校準(zhǔn)方法[C]∥第十屆無損檢測學(xué)會年會論文集.南昌:中國無損檢測學(xué)會,2013:874-878.

[5] 熊瑛，張孝玲，董德秀. 射線測量渦輪葉片大曲率處壁厚尺寸的方法[J]. 無損檢測, 2010，32(6)：424-433.

The Comparison of Measurement Method of Wall Thickness of Single Crystal Hollow Turbine Blade

WU Qinghui, XU Jianwei, FANG Xiang, LUO Yushi

(Science and Technology on Advanced High Temperature Structural Materials Laboratory,Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

The principle of ultrasonic method and industrial CT used in the measurement of hollow turbine blade wall thickness was compared and analyzed, and the wall thickness at typical sections of DD6 alloy single crystal hollow blade was measured in these two ways respectively, and the test results were compared with the direct measurement of by caliper after cutting the blade. The results show that the accuracy of wall thickness data measured by the industrial CT method is slightly higher than that as measured by ultrasonic testing, but the difference is not obvious. The results by industrial CT method are more convenient for retrospection, while ultrasonic testing method is more efficient.

single crystal hollow blade; wall thickness; ultrasonic; industrial CT

2016-10-09

吳慶輝(1982-)，男，工程師，博士,主要從事單晶高溫合金材料及工藝研究工作

吳慶輝， wuqinghui82@sina.com.cn

10.11973/wsjc201707012

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0054-04