航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的內(nèi)窺鏡熒光滲透原位檢測(cè)

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，綿陽(yáng) 621000)

渦輪葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，處于發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境中最?lèi)毫?、溫度最高、?yīng)力條件最復(fù)雜的區(qū)域，表面極易產(chǎn)生裂紋等缺陷[1]，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壽命和安全可靠性[2]。故，在發(fā)動(dòng)機(jī)地面/高空模擬試驗(yàn)及外場(chǎng)試飛過(guò)程中，需對(duì)渦輪葉片進(jìn)行原位無(wú)損檢測(cè)，對(duì)裂紋等缺陷的產(chǎn)生及擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3]。同時(shí)，還要確保發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部不能殘留污染物，以免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)試驗(yàn)產(chǎn)生影響。因此，采用適當(dāng)?shù)脑粺o(wú)損檢測(cè)方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]，可以大大減少發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)、分解、上臺(tái)的時(shí)間及人力、物力的耗損。

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)原位無(wú)損檢測(cè)要求及實(shí)際檢測(cè)工況，采用內(nèi)窺鏡熒光滲透原位檢測(cè)法，設(shè)計(jì)了熒光滲透劑施加與去除裝置，輔以視頻內(nèi)窺鏡等方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架上發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面裂紋等缺陷的原位檢測(cè)及缺陷尺寸變化的監(jiān)控。

1 渦輪葉片原位無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)難點(diǎn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪分為高壓渦輪和低壓渦輪，位于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔尾噴處，渦輪葉盤(pán)后端分布著后排承力機(jī)匣的尾錐和支板等。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，臺(tái)架上分布著較多的測(cè)試線路，其操作空間有限，且渦輪葉片工作區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，不允許有多余物質(zhì)存在，故對(duì)渦輪葉片的內(nèi)窺鏡熒光滲透原位檢測(cè)存在以下難點(diǎn)：① 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)空間有限、操作困難；② 零件處于裝配狀態(tài)，對(duì)后處理要求高，不允許有污染發(fā)生；③ 施加、去除滲透劑及顯示觀察結(jié)果困難，渦輪葉片處于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，常規(guī)的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn);④ 渦輪葉片的表面缺陷檢測(cè)靈敏度要求較高，根據(jù)渦輪葉片設(shè)計(jì)要求，熒光滲透檢測(cè)靈敏度等級(jí)要求達(dá)到3級(jí)及以上。

2 內(nèi)窺鏡熒光滲透原位無(wú)損檢測(cè)方法

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片原位檢測(cè)實(shí)際工況條件，采取溶劑去除型熒光滲透檢測(cè)技術(shù)。設(shè)計(jì)制作熒光滲透劑施加、去除裝置，輔以柔性紫外光視頻內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀察，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)觀察孔及尾噴口對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓渦輪葉片進(jìn)行全表面熒光滲透檢測(cè)(見(jiàn)圖1，2)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)地面/高空模擬試驗(yàn)臺(tái)架以及掛機(jī)試飛現(xiàn)場(chǎng)原位無(wú)損檢測(cè)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓渦輪葉片清洗、滲透工藝操作示意

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓渦輪葉片原位熒光滲透檢測(cè)內(nèi)窺鏡觀察示意

圖3 熒光滲透檢測(cè)系統(tǒng)工作原理示意

3 熒光滲透劑施加、去除裝置設(shè)計(jì)

裝置主要包括熒光滲透噴射系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔殘留滲透液吸除裝置、內(nèi)窺鏡、便攜式電源幾大部分。

該套熒光滲透檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理(見(jiàn)圖3)為：空氣壓縮機(jī)A工作，將氣體沿管路B1推出，氣體在進(jìn)入試劑瓶B之前分流，一部分氣體沿B2進(jìn)入試劑瓶，試劑瓶?jī)?nèi)氣壓上升，將試劑瓶?jī)?nèi)的試劑沿管B4推出，并在噴頭處與B3管路分流來(lái)的氣體進(jìn)行氣液混合霧化，保證良好的霧化效果，并最終通過(guò)噴槍均勻地噴射在葉片表面。

空壓機(jī)供壓范圍為0.1 MPa～0.4 MPa，既能保證滲透劑霧化噴射要求，又不使?jié)B透劑噴射壓力過(guò)大而造成檢測(cè)結(jié)果失效；此外，在B3、B4管路分別安裝了流量調(diào)節(jié)閥，用以調(diào)節(jié)出液量和氣液混合的效果，以保證滲透試劑噴射劑量的有效可控；同時(shí)，在管路B3處安裝了單向閥，防止液體回流污染滲透試劑；同時(shí)配備了3個(gè)試劑瓶，每個(gè)試劑瓶容量可達(dá)1 L，可完全滿足現(xiàn)場(chǎng)3～4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)原位熒光滲透檢測(cè)的需求，又可盛裝不同類(lèi)型的滲透試劑；整套設(shè)備采用集成化設(shè)計(jì)的方式，將熒光滲透各流程設(shè)備集成在便攜式儀器箱內(nèi)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求。

4 熒光滲透原位檢測(cè)工藝

4.1 工藝的選擇

常規(guī)的熒光滲透檢測(cè)工藝主要包括：預(yù)清洗、干燥、滲透、去除、干燥、顯像和后處理等流程，但是在編制原位檢測(cè)工藝的時(shí)候要根據(jù)受檢渦輪盤(pán)的實(shí)際檢測(cè)條件,對(duì)各個(gè)檢測(cè)流程進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整和改進(jìn)。首先受該渦輪盤(pán)檢測(cè)空間的限制，不能采取常規(guī)的水洗型熒光檢測(cè)手段，檢測(cè)靈敏度至少應(yīng)達(dá)到3級(jí)要求。綜合考慮各方面因素，選擇了溶劑去除型熒光滲透檢測(cè)法(Ⅰ類(lèi)/熒光滲透劑、C法/溶劑去除法、d型/溶劑懸浮顯像劑)。

4.2 檢測(cè)材料及儀器的選取

材料采用美國(guó)磁通公司ZA-70R熒光檢測(cè)耗材組(包含ZL-27A型熒光滲透劑、SKC-S型清洗劑及ZL-9顯像劑)，此檢測(cè)材料能達(dá)到3級(jí)檢測(cè)靈敏度要求。

在檢測(cè)儀器的選用方面，根據(jù)GJB 2367A-2005《滲透檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在進(jìn)行熒光滲透檢測(cè)時(shí)，零件表面黑光輻射照度應(yīng)不低于1 000 μMW·cm-2。選用高強(qiáng)度便攜式紫外光視頻內(nèi)窺鏡(用黑白照度計(jì)測(cè)試：零件表面紫外光照度高于1 000 μMW·cm-2，完全滿足原位熒光滲透檢測(cè)的要求)作為UV光源及觀察設(shè)備。同時(shí)，由于渦輪葉片間空隙較小，存在觀察死角以及需對(duì)缺陷幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量等問(wèn)題，故選用柔性探頭對(duì)其觀察，以防止漏檢。利用其攝像測(cè)量探頭對(duì)高強(qiáng)度紫外線探傷手電照射到的缺陷處進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察、拍照、攝像及測(cè)量。同時(shí)，還可以利用其白光探頭來(lái)觀察葉片清洗的效果。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 試驗(yàn)方案

利用已知缺陷的渦輪盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，方案如下所述。

(1) 分解狀態(tài)下渦輪葉盤(pán)熒光滲透檢測(cè)：親水后乳化型熒光滲透檢測(cè)+干粉顯像劑(Ⅰ類(lèi)D法a型),滲透劑ZL-67。

(2) 裝配狀態(tài)下渦輪葉盤(pán)熒光滲透檢測(cè)：溶劑去除型熒光滲透檢測(cè)+溶劑懸浮顯像劑(Ⅰ類(lèi)C法d型)，滲透劑ZL-27A。

以上方案的檢測(cè)部位均為葉片葉背面。兩方案工藝流程均滿足GJB 2367A-2005規(guī)定。

5.2 檢測(cè)結(jié)果

5.2.1 靈敏度校驗(yàn)

對(duì)兩種方法，利用五點(diǎn)靈敏度試塊進(jìn)行靈敏度測(cè)試，其結(jié)果均為4點(diǎn)清晰可見(jiàn)，第5點(diǎn)熒光亮度稍暗，如圖4所示。因此兩種方法的系統(tǒng)性能均能到達(dá)3～4級(jí)靈敏度(高靈敏度～超高級(jí)靈敏度)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片原位熒光滲透檢測(cè)要求(GJB 2367A-2005和HB/Z 61-1998《滲透檢驗(yàn)》中均要求：航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件維護(hù)或檢修的檢驗(yàn)僅允許采用熒光滲透檢測(cè)，且檢測(cè)靈敏度為3～4級(jí))。

圖4 靈敏度試塊顯示

5.2.2 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)分別進(jìn)行親水后乳化型熒光滲透檢測(cè)(檢測(cè)靈敏度4級(jí))和模擬原位溶劑去除型熒光檢測(cè)(靈敏度3～4級(jí)),得到以下的結(jié)果。

(1) 模擬原位(溶劑去除型熒光滲透檢測(cè)+非水濕顯像劑)檢測(cè)：發(fā)現(xiàn)5個(gè)葉片上有裂紋產(chǎn)生，最短裂紋約為1 mm，最長(zhǎng)裂紋約為5 mm，裂紋距離葉根約為2 mm。缺陷顯示如圖5所示，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

(2) 分解狀態(tài)(親水后乳化型熒光滲透檢測(cè)+干粉顯像劑)的檢測(cè)：發(fā)現(xiàn)6個(gè)葉片上有裂紋產(chǎn)生，最短裂紋約為0.5mm，最長(zhǎng)裂紋約為5mm，裂紋距離葉根約為2mm。缺陷顯示如圖6所示，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

通過(guò)對(duì)兩次檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析得出：分解狀態(tài)下，渦輪盤(pán)經(jīng)親水后乳化型熒光滲透檢測(cè)+干粉顯像劑檢測(cè)，在黑光燈下觀察發(fā)現(xiàn)6片葉片上有清晰裂紋顯示，裂紋最小長(zhǎng)度約0.5 mm，最大長(zhǎng)度約5 mm；原位狀態(tài)下，渦輪盤(pán)經(jīng)溶劑去除型熒光滲透檢測(cè)+非水濕顯像劑原位檢測(cè)，在內(nèi)窺鏡紫外光下觀察發(fā)現(xiàn)5片葉片上有清晰裂紋顯示，裂紋最小長(zhǎng)度約1 mm，最大長(zhǎng)度約5 mm，對(duì)于26#葉片上的長(zhǎng)度為0.5 mm的裂紋未能有效檢測(cè)出。經(jīng)再次原位試驗(yàn)驗(yàn)證，有效檢測(cè)出26#葉片裂紋。

圖5 溶劑去除型熒光滲透劑+非水濕顯像劑缺陷顯示

表1 溶劑去除型熒光滲透檢測(cè)結(jié)果

序號(hào)葉片編號(hào)裂紋數(shù)量裂紋所在葉片部位及長(zhǎng)度裂紋方向備注111條距根部約2 mm,距尾緣0 mm,長(zhǎng)約2 mm沿葉片橫向擴(kuò)展葉盆對(duì)應(yīng)顯示291條距根部約2 mm,距尾緣0 mm,長(zhǎng)約5 mm沿葉片橫向擴(kuò)展葉盆對(duì)應(yīng)顯示3211條距根部約2 mm,距尾緣0 mm,長(zhǎng)約4 mm沿葉片橫向擴(kuò)展葉盆對(duì)應(yīng)顯示4231條距根部約2 mm,距尾緣0 mm,長(zhǎng)約2 mm沿葉片橫向擴(kuò)展葉盆對(duì)應(yīng)顯示5241條距根部約2 mm,距尾緣0 mm,長(zhǎng)約1 mm沿葉片橫向擴(kuò)展葉盆對(duì)應(yīng)顯示

表2 親水后乳化型熒光滲透檢測(cè)結(jié)果

圖6 親水后乳化型熒光滲透檢測(cè)缺陷顯示

5.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

由此得出，兩種方法的檢測(cè)結(jié)果差異較小，在不可視工況條件下，溶劑去除型熒光滲透檢測(cè)+非水濕顯像劑原位檢測(cè)能夠保證長(zhǎng)度1.0 mm以上的缺陷檢出率，但無(wú)法保證能檢出長(zhǎng)度1.0 mm以下的缺陷。檢測(cè)靈敏度完全可以滿足對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)及外場(chǎng)試飛過(guò)程中渦輪葉片表面裂紋的原位檢測(cè)及擴(kuò)展監(jiān)測(cè)要求。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片內(nèi)窺鏡熒光滲透原位檢測(cè)方法及工藝是完全可行的。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)內(nèi)窺鏡熒光滲透檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了集成，設(shè)計(jì)了針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的內(nèi)窺鏡熒光滲透原位無(wú)損檢測(cè)工藝，該工藝可解決渦輪葉片的滲透原位檢測(cè)難題。研究成果已應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的日常維護(hù)和定期檢測(cè)中，并取得了良好效果,有效地減少了維護(hù)人員的工作量,縮短了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)間,提高了檢測(cè)效率。