工業(yè)CT檢測技術(shù)在5 kN發(fā)動機研制中的應(yīng)用

呂延達 陳亦維 郭洪勤 陳明亮

（上?？臻g推進研究所，上海空間發(fā)動機工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

文 摘 針對5 kN發(fā)動機結(jié)構(gòu)焊縫和復(fù)合材料噴管不可檢不可測的難題，開展了工業(yè)CT檢測技術(shù)研究。分析了復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫和復(fù)合材料噴管的常規(guī)方法檢測難點，利用工業(yè)CT檢測技術(shù)穿透能力強、不受工件復(fù)雜結(jié)構(gòu)影響的優(yōu)勢，對5 kN 發(fā)動機產(chǎn)品中的電子束焊縫、氬弧焊焊縫、復(fù)合材料噴管等結(jié)構(gòu)進行了檢測試驗，得到了良好的檢測效果。結(jié)果表明，工業(yè)CT檢測技術(shù)可以識別5 kN發(fā)動機產(chǎn)品中的氣孔、未焊透、分層、裂紋等缺陷，并實現(xiàn)對缺陷的定位與測量，可為焊縫質(zhì)量評估提供依據(jù)。

0 引言

5 kN 發(fā)動機作為上面級動力系統(tǒng)的關(guān)鍵產(chǎn)品，在型號飛行過程中為上面級提供變軌動力，使其具有長時間在軌飛行、多次啟動等能力，起著決定成敗的作用［1］。5 kN發(fā)動機主要由推力室頭部、再生冷卻身部和復(fù)合材料噴管延伸段組成。推力室頭部的噴注器盤與燃料蓋板之間采用電子束焊焊接，噴注器盤與頂蓋通過電子束焊焊接。推力室頭部與身部先進行電子束焊接，再通過連接環(huán)分別與頭部、身部進行電子束焊接［2］。此處的對接焊縫均要求Ⅰ級焊縫標(biāo)準(zhǔn)，角接焊縫要求Ⅱ級焊縫標(biāo)準(zhǔn)。這些焊縫若失效，會直接導(dǎo)致發(fā)動機工作異常，而發(fā)動機作為上面級任務(wù)的關(guān)鍵單點環(huán)節(jié)，其工作的正常與否將會影響整個任務(wù)的成敗。5 kN 發(fā)動機噴管延伸段材料采用輕質(zhì)、高模量的C/SiC 復(fù)合材料鋪層縫合再經(jīng)聚碳硅烷真空高溫裂解、浸漬而成，這是近年來發(fā)展較快的一種陶瓷基復(fù)合材料，可以減輕發(fā)動機結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提升發(fā)動機的性能［3］。隨著C/SiC復(fù)合材料噴管在火箭發(fā)動機上的研究和使用日益增多，其產(chǎn)品本身的生產(chǎn)質(zhì)量及使用過程中的檢測問題也逐漸受到設(shè)計人員的重視。

由于結(jié)構(gòu)和材料本體等種種原因，在常規(guī)無損檢測領(lǐng)域，5 kN 發(fā)動機不可檢不可測，目前通過焊縫工藝件剖切檢測熔深、產(chǎn)品后期整體進行強度和氣密等手段客觀證明產(chǎn)品的質(zhì)量。計算機斷層掃描成像無損檢測技術(shù)（簡稱工業(yè)CT）是近年來發(fā)展較快的一種先進無損檢測方法，射線穿透過試件強度發(fā)生變化，在探測器上就會呈現(xiàn)為不同的灰度［4］，因此通過圖像灰度的變化情況便能分析出截面密度的變化，進而分析出缺陷的位置、大小。本文介紹了5 kN發(fā)動機在研制過程中遇到的一些檢測難題，采用工業(yè)CT 方法全面對5 kN 發(fā)動機內(nèi)部焊縫和噴管延伸段的復(fù)合材料進行檢測。

1 5 kN發(fā)動機產(chǎn)品檢測難點

1.1 噴注器盤與燃料蓋板的焊接

在發(fā)動機實際工作中，噴注器盤與燃料蓋板的焊縫需要氧化劑與燃料的兩面反復(fù)承壓，一旦出現(xiàn)該焊縫泄露，將會直接導(dǎo)致5 kN 發(fā)動機頭部意外點火、爆炸，最終導(dǎo)致型號任務(wù)失敗。

焊縫為電子束焊，如圖1、2所示。噴注器盤與燃料蓋板共5 條電子束焊焊縫，內(nèi)側(cè)4 圈焊縫為對接焊縫，焊縫要求Ⅰ級；最外圈焊縫為角焊縫，焊縫要求Ⅰ級。從產(chǎn)品尺寸上看，焊縫熔深僅0.8～1.3 mm，焊縫頂部至噴注器盤底部為12 mm，大厚度板上的淺焊縫不易分辨；從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看，射線照相檢測無法布片，超聲、渦流檢測沒有位置放置探頭。

圖1 噴注器盤與燃料蓋板焊接Fig.1 Welding of injector disk and fuel cover

圖2 噴注器盤與燃料蓋板焊接實物照片F(xiàn)ig.2 Photographs of weld between injector disc and fuel cover

1.2 頂蓋組件

圖3 噴注器組件與頂蓋焊接Fig.3 Welding of injector component and top cover

圖3給出了噴注器組件與頂蓋組件焊接結(jié)構(gòu)，該焊縫采用電子束焊接，焊縫要求Ⅰ級。從圖上看，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫周圍結(jié)構(gòu)的遮擋，使常規(guī)射線、超聲等檢測手段受到了限制。

1.3 頭身對接焊縫

推力室頭部與再生冷卻身部先通過電子束焊接，隔離高溫燃氣與冷卻劑；再通過連接環(huán)分別與推力室頭部和身部進行焊接，固定頭身位置，使冷卻劑流入噴注器燃料集液腔；最后在連接環(huán)與身部連接位置進行氬弧焊角焊，如圖4所示。

圖4 頭身連接結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Head-body connection structure diagram

頭部與身部的內(nèi)焊縫焊接為電子束焊，焊縫要求Ⅰ級。射線照相檢測雙壁單影斜入射的工藝方法可以實現(xiàn)，但幾條焊縫依次成型，無法進行單獨檢測。

圖4所示左邊外焊縫為連接環(huán)與頭部的焊接，采用電子束焊，焊縫要求Ⅰ級。因頭部內(nèi)部存在復(fù)雜的噴注盤、孔等結(jié)構(gòu)，故射線照相檢測方法基本排除。

圖4所示右邊外焊縫為連接環(huán)與身部的焊接，先在拐角位置處采用電子束焊，對連接環(huán)與身部進行固定，焊縫要求Ⅰ級，然后在身部與連接環(huán)的連接部位進行角焊縫的氬弧焊焊接。因身部的內(nèi)壁與外壁之間存在流道，且相互之間通過擴散焊連接，流道的結(jié)構(gòu)和擴散焊縫內(nèi)部缺陷可能會影響這兩條焊縫的判斷。

1.4 噴管延伸段

噴管延伸段材料采用三向編織的C/SiC 復(fù)合材料變壁厚結(jié)構(gòu)，從小段處壁厚3 mm 減至噴管出口處1.5 mm。在無相應(yīng)驗收標(biāo)準(zhǔn)參考的情況下，設(shè)計根據(jù)產(chǎn)品性能指標(biāo)定義檢測要求為“產(chǎn)品內(nèi)部無穿層貫通的裂紋，氣孔均勻，對于法蘭端以下150 mm 內(nèi)的氣孔徑向尺寸應(yīng)小于1.5 mm，面積小于10 mm×10 mm”。

近年出現(xiàn)很多對復(fù)合材料的檢測技術(shù)方法，例如數(shù)字射線檢測［5］，可以檢測出產(chǎn)品中的夾雜、氣孔等缺陷；超聲水浸C 掃描檢測，需要產(chǎn)品與水接觸一定的時間（2 h 左右），可以檢出中產(chǎn)品的分層、裂紋等缺陷。但復(fù)合材料由于組成結(jié)構(gòu)及制造工藝的復(fù)雜性，缺陷形式與通常均勻材料有很大差別，通常表現(xiàn)為疏松、孔隙較多、分層、密度不均勻和明顯的各向異性等特點。

2 工業(yè)CT在5 kN發(fā)動機研制中的應(yīng)用

2.1 檢測設(shè)備

CT檢測設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如下：微焦點射線源，焦點尺寸0.6 μm，功率不大于90 W，雙焦點射線源，焦點尺寸0.4 mm/1.0 mm，功率不大于700 W；線陣列探測器，像素尺寸0.256 mm，長度600 mm，面陣列探測器，像素尺寸0.2 mm，外觀尺寸400 mm×400 mm；二代掃描，線陣列切層檢測，空間分辨率6 lp/m；三代掃描，面陣列錐束整體檢測，空間分辨率23 lp/mm；最大穿透能力60 mm Fe。

2.2 產(chǎn)品檢測與缺陷判定

2.2.1 噴注器盤與燃料蓋板的焊接

018次試車5 kN產(chǎn)品燃料蓋板的焊接為激光焊，因無工業(yè)CT 檢測方法對焊縫質(zhì)量的判別標(biāo)準(zhǔn)，只能參考射線照相的標(biāo)準(zhǔn)，焊縫允許的氣孔最大尺寸符合激光焊I 級要求，但缺陷間距和數(shù)量不滿足要求，如圖5（a）所示。因焊縫的熔深僅0.4～0.6 mm，又面臨產(chǎn)品的液壓氣密試驗無法實施的問題，無法真正考核到焊縫的耐壓能力，經(jīng)設(shè)計綜合考慮后，改激光焊為電子束焊，熔深增加為0.8～1.3 mm，使用工業(yè)CT 檢測焊縫缺陷，如圖5（b）所示，焊縫鎖底上方無氣孔。

圖5 噴注器盤與燃料蓋板的焊接工業(yè)CT檢測結(jié)果Fig.5 Welding industrial CT test results of injector disk and fuel cover plate

2.2.2 頂蓋組件

采用工業(yè)CT 檢測同樣對該焊縫使用二代掃描方式，采用線陣列切層對焊縫進行檢測，切層距離須大于焊縫的熔深尺寸。具體檢測工藝為電壓400 kV，電流1.6 mA，積分時間100 ms，投影1 800 張，每層0.5 mm，層間距0.5 mm，每件產(chǎn)品掃描6 層。缺陷判別同樣參考射線照相的標(biāo)準(zhǔn)，檢測未見缺陷，如圖6所示。

圖6 噴注器組件與頂蓋組件焊縫CT檢測結(jié)果Fig.6 CT inspection of weld seam between injector assembly and top cover assembly

2.2.3 頭身對接內(nèi)焊縫

由于該處位置焊縫壁厚不大，采用工業(yè)CT 檢測方法對該焊縫使用二代掃描方式，采用線陣列切層對焊縫進行檢測，切層距離須大于焊縫的熔寬尺寸。具體檢測工藝為電壓300 kV，電流2 mA，積分時間80 ms，投影1 440 張，每層0.5 mm，層間距0.5 mm，每件產(chǎn)品掃描5 層。圖7 所示為CT 切層圖片，四件產(chǎn)品為試驗件，圖中明顯可見氣孔、未焊透缺陷，實際產(chǎn)品鎖底上方未見氣孔。

圖7 頭身對接內(nèi)焊縫CT檢測圖片F(xiàn)ig.7 CT inspection picture of body butt internal weld

2.2.4 連接環(huán)與頭部的對接外焊縫

采用工業(yè)CT 檢測方法對該焊縫使用二代掃描方式，采用線陣列切層對焊縫進行檢測，切層距離須大于焊縫的熔寬尺寸。具體檢測工藝為電壓430 kV，電流1.55 mA，積分時間120 ms，投影1 800 張，每層0.5 mm，層間距0.5 mm，每件產(chǎn)品掃描5 層。圖8給出了焊縫的檢測結(jié)果，圖8（a）可見試驗件中的未焊透，圖8（b）為實際產(chǎn)品的焊縫檢測，未見明顯缺陷。

圖8 頭身對接內(nèi)焊縫CT檢測圖片F(xiàn)ig.8 CT image of head-to-body butt weld

2.2.5 連接環(huán)與身部的對接外焊縫

采用線陣列切層對焊縫進行檢測，切層距離須大于焊縫的熔寬尺寸。具體檢測工藝為電壓350 kV，電流1.8 mA，積分時間80 ms，投影1 440 張，每層0.5 mm，層間距0.5 mm，每件產(chǎn)品掃描8 層。圖9給出了焊縫的檢測結(jié)果，圖9（a）明顯可見試驗件中的未焊透，圖9（b）為實際產(chǎn)品的焊縫檢測，未見明顯缺陷。

圖9 連接環(huán)與身部的對接外焊縫CT檢測圖片F(xiàn)ig.9 CT inspection picture of butt weld between connecting ring and body

2.2.6 噴管延伸段

采用微焦點射線源與面陣探測器結(jié)合的組合方式，進行第三代錐束掃描。由于使用微焦點射線源，放大倍數(shù)應(yīng)盡可能的大，分辨率盡可能的高。具體檢測工藝為電壓140 kV，電流0.5 mA，積分時間500 ms，投影1 800張。圖10給出了噴管延伸段的檢測結(jié)果。不僅檢測出產(chǎn)品的裂紋、分層、氣孔等缺陷，還可以對氣孔缺陷進行孔隙率分析，如圖11所示，可以得到復(fù)合材料內(nèi)部的氣孔大小分布、氣孔位置分布、氣孔體積占比等數(shù)據(jù)，供設(shè)計人員統(tǒng)計參考使用。

圖10 C/SiC復(fù)合材料噴管延伸段檢測結(jié)果Fig.10 Detection results of nozzle elongation of C/SiC Composites

圖11 C/SiC復(fù)合材料噴管延伸段孔隙率分析結(jié)果Fig.11 Porosity analysis results of nozzle elongation section of C/SiC Composites

2.3 檢測情況與試車考核結(jié)果

5 kN發(fā)動機研制過程中，始終采用工業(yè)CT檢測技術(shù)對各處焊縫和噴管延伸段內(nèi)部材質(zhì)進行質(zhì)量控制，表1匯總給出了自5 kN研制以來，各不同位置處焊縫、噴管的檢測子樣數(shù)和實際檢測結(jié)果，檢測結(jié)果表明工業(yè)CT檢測可以識別出各位置處的缺陷，通過游標(biāo)卡尺測量出氣孔的具體尺寸，計算出噴管延伸段中氣孔在整個復(fù)合材料中的體積占比，給設(shè)計人員提供判斷依據(jù)。5臺發(fā)動機經(jīng)歷了7次地面熱試車，發(fā)動機累計點火17 074 s，累計點火680次，發(fā)動機均點火正常，工作可靠；2018年12月29日，5 kN發(fā)動機在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心隨遠征三號上面級首飛飛行應(yīng)用，發(fā)動機累計啟動21次，累計點火時間1 034 s，圓滿完成了多行部署飛行任務(wù)。上述5 kN發(fā)動機地面熱試車結(jié)果和首次飛行結(jié)果表明，工業(yè)CT檢測技術(shù)可以有效檢測多種質(zhì)量缺陷，保證發(fā)動機產(chǎn)品工作的可靠性。

表1 各位置處工業(yè)CT檢測情況Tab.1 Industrial CT testing at various locations

3 5 kN發(fā)動機工業(yè)CT檢測標(biāo)準(zhǔn)的探討

5 kN 發(fā)動機內(nèi)部焊縫大部分為電子束焊縫，參考GJB1718A—2005《電子束焊接》，少部分為氬弧焊焊縫，參考QJ1842A—2011《結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼熔焊技術(shù)條件》，這些焊接標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于未焊透、未熔合、裂紋等的描述為不允許，對于工業(yè)CT 檢測方法同樣使用。但是關(guān)于氣孔大小、間距與數(shù)量的描述時基于射線照相檢測中投影圖像的概念，而對于工業(yè)CT 檢測中斷層圖像中是否適用，還需要進一步研究和探討。

對于C/SiC 復(fù)合材料的檢測，工業(yè)CT 檢測技術(shù)不僅對復(fù)合材料內(nèi)部的氣孔、裂紋、分層、夾雜等缺陷具有良好的檢測效果，還能準(zhǔn)確地對氣孔缺陷進行分析、測量、統(tǒng)計，基本可以做到對缺陷的自動化分析與識別。但在復(fù)合材料的評價上，型號人員根據(jù)前幾次的試車結(jié)果將噴管的徑向缺陷由不小于1 mm 修改至不小于1.5 mm，隨著試車和飛行子樣的增加，針對復(fù)合材料的判別標(biāo)準(zhǔn)越來越精確。

4 結(jié)論

（1）工業(yè)CT 檢測技術(shù)對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電子束焊焊縫、氬弧焊焊縫可以有效地檢測，焊縫中的未焊透、氣孔等缺陷清晰可見。

（2）工業(yè)CT 檢測技術(shù)對復(fù)合材料氣孔、裂紋、分層等缺陷可以有效地檢測，并可對缺陷進行尺寸測量。

（3）采用工業(yè)CT 檢測技術(shù)，可以解決5 kN 發(fā)動機研制過程中的焊縫檢測難題，消除檢測的薄弱環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品的可靠性。