渦輪斜結(jié)合面同深度掃描超聲成像檢測系統(tǒng)的研制

劉勛豐，羅 藝，陸銘慧，劉 洋

(南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063)

渦輪是航空航天發(fā)動機不可缺少的核心部件之一，工作于高溫、高壓的惡劣環(huán)境下，故需要具有良好的抗拉、抗疲勞強度和抗腐蝕性能?，F(xiàn)代飛機采用的整體渦輪，與傳統(tǒng)渦輪相比較，具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特性，大大提高了發(fā)動機的推重比，且安全性能和使用壽命更高[1]，因而在航空航天發(fā)動機中得到了廣泛的應(yīng)用。整體渦輪結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且常在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)數(shù)的條件下服役，故必須采用高溫耐熱合金材料制作。然而，在采用熱等靜壓工藝加工時，其結(jié)合層易產(chǎn)生夾雜、氣孔和未熔合缺陷，嚴(yán)重影響渦輪的力學(xué)性能[2]，因此，對其進(jìn)行無損檢測具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對航空渦輪的無損檢測主要集中在葉片和盤件內(nèi)部。景艷紅等[3]使用射線、光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡等對MIM418渦輪進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明渦輪芯體部位易出現(xiàn)裂紋，而葉片處則易出現(xiàn)氣孔型缺陷，并發(fā)現(xiàn)采用熱等靜壓技術(shù)可以改善葉片的質(zhì)量。許倩[4]采用相控陣超聲和C掃描的方法對渦輪盤進(jìn)行了檢測，初步實現(xiàn)了對面積型缺陷的高精度定量分析。徐亞亞等[5]分別采用過濾性微粒檢測法與常規(guī)滲透檢測法對渦輪葉片進(jìn)行了檢測對比，結(jié)果表明，過濾性微粒檢測法比常規(guī)滲透檢測法對葉片熱障涂層缺陷的檢出率更高。

由于對整體渦輪的斜結(jié)合面實施超聲無損檢測較難，若采用手動方式進(jìn)行檢測，不僅易漏檢且誤差較大，不能保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。筆者依據(jù)整體渦輪的結(jié)構(gòu)特點，為克服手動掃查存在的易漏檢和誤差大的問題，研制了一套能將超聲發(fā)射，接收和轉(zhuǎn)動同步運行的自動掃描成像系統(tǒng)(見圖1)。

1 超聲成像檢測

1.1 整體渦輪斜結(jié)合面試件

整體渦輪的主要材料為K447A鎳基高溫合金，使用熱等靜壓工藝制作而成。整體渦輪和渦輪內(nèi)芯斜結(jié)合面連接處實物如圖2所示。由于在對整體渦輪斜結(jié)合面處進(jìn)行加工時易產(chǎn)生缺陷[6]，故在實際應(yīng)用中常需要對渦輪葉片與內(nèi)芯的斜結(jié)合面處進(jìn)行檢測。圖2中BC段與CD段是斜結(jié)合面處。

圖2 整體渦輪和渦輪內(nèi)芯斜結(jié)合面實物圖

檢測對象為用材料45號鋼制成的模擬渦輪試樣。為了模擬斜結(jié)合面處存在的缺陷，在深度為30，50，70，90 mm處，分別制作兩個直徑為2 mm和3 mm的平底孔(共8個)[7]，模擬渦輪試樣結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模擬渦輪試樣結(jié)構(gòu)示意

1.2 渦輪斜結(jié)合面同深度掃描成像原理

對于整體渦輪而言，葉片和內(nèi)芯為同種材料，聲阻抗幾乎沒有差異。若材料內(nèi)無缺陷，則超聲波不會發(fā)生反射。但當(dāng)材料內(nèi)存在缺陷時，缺陷處與非缺陷處的聲阻抗便產(chǎn)生了差異。

通過試驗計算得到，材料的聲阻抗為5.14×106g·cm-2·s，空氣的聲阻抗為0.000 04×106g·cm-2·s。通過聲壓反射及透射系數(shù)公式，計算出存在缺陷時，聲壓反射率為-0.999 98，近似為-1，聲壓透射率為1.556×10-5，近似為0。此時，超聲波傳播到缺陷位置處會發(fā)生反射?；谠摤F(xiàn)象，可以根據(jù)是否存在斜結(jié)合面上的缺陷反射波來判斷缺陷是否存在，并以缺陷回波的幅值為特征進(jìn)行成像，來對其進(jìn)行定位和定量。

若斜結(jié)合面不存在缺陷，曲面接收探頭接收到的回波信號中無缺陷反射回波(見圖4)。若斜結(jié)合面存在缺陷，曲面探頭接收到的回波信號除了直達(dá)波，還會存在缺陷反射回波(見圖5)。

圖4 斜結(jié)合面無缺陷超聲波傳播示意及A掃描顯示

圖5 斜結(jié)合面有缺陷超聲波傳播示意及A掃描顯示

2 成像檢測系統(tǒng)

斜結(jié)合面的自動掃查成像檢測系統(tǒng)是由x軸、z軸、R軸組成的3軸運動系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由相控陣發(fā)射接收系統(tǒng)、傳動控制系統(tǒng)、專用軟件成像檢測系統(tǒng)構(gòu)成(見圖6)。相控陣發(fā)射接收系統(tǒng)利用相控陣超聲設(shè)備，控制相控陣探頭從渦輪頂部的中心發(fā)射超聲波，超聲波進(jìn)入工件中傳播直至底面曲面上，然后用曲面探頭接收超聲波信息。傳動控制系統(tǒng)的功能是利用機械傳動裝置對渦輪實施自動檢測。軟件成像系統(tǒng)在得到探頭接收的超聲波數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，實現(xiàn)成像。

圖6 渦輪斜結(jié)合面同深度掃查成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 超聲發(fā)射接收系統(tǒng)

超聲發(fā)射接收系統(tǒng)包括相控陣超聲、相控陣探頭、曲面探頭和相應(yīng)的楔塊。檢測前需要對探頭的頻率、陣元數(shù)、陣元間距等參數(shù)進(jìn)行計算。用脈沖反射法測得材料的聲速為5 980 m·s-1，根據(jù)探頭理論，分辨率是波長的一半，選擇頻率為4 MHz，可計算得到分辨率為0.747 5 mm，滿足檢測精度要求。使用MATLAB軟件對探頭聲束的指向性進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)采用16陣元或32陣元最合適；為不產(chǎn)生柵瓣，選擇0.8 mm或1.0 mm作為陣元間距較合適。最終，選擇的相控陣探頭頻率為4 MHz，16陣元，陣元間距為1.0 mm。由于需要滿足頻率匹配，根據(jù)曲面的直徑(30 mm), 接收探頭選擇頻率為4 MHz，直徑為27 mm的曲面探頭。

2.2 傳動控制系統(tǒng)

傳動控制系統(tǒng)主要由機械掃查及固定、運動控制、信號同步等3個模塊組成。機械掃查及固定模塊包括探頭、工件夾持裝置、滾珠絲杠、行星減速器等。將探頭及工件固定在夾持裝置上(見圖7)，利用滾珠絲杠給x軸和z軸提供直線的動力，行星減速器給R軸提供轉(zhuǎn)動的動力。x軸和z軸負(fù)責(zé)探頭位置的調(diào)整，R軸負(fù)責(zé)檢測過程中的勻速轉(zhuǎn)動。

圖7 機械掃查及固定裝置

運動控制模塊包括伺服電機、伺服電機驅(qū)動器和可編程邏輯控制器(PLC)。PLC按照已寫入的梯形圖程序，給伺服電機驅(qū)動器提供運動信號，伺服電機驅(qū)動器控制伺服電機進(jìn)行轉(zhuǎn)動。電機是滾珠絲杠和行星減速器提供直線和轉(zhuǎn)動的動力來源。在檢測過程中，R軸通過行星減速器提供的動力，帶動轉(zhuǎn)盤勻速往復(fù)正反轉(zhuǎn)動，直至檢測停止。

信號同步模塊包括三軸信號同步電路板和相控陣超聲采集板卡。信號同步電路板由變壓器提供電壓，連接PLC與3個軸的伺服電機控制器和相控陣超聲采集板卡如圖8所示。借由同步電路板的射頻輸出接口輸出一個5 V的脈沖方波信號，該信號可作為觸發(fā)信號觸發(fā)編碼器模式下的相控陣。相控陣超聲采集板卡上有10芯的編碼器接口，分別連接1 A相口和接地口。

圖8 信號同步系統(tǒng)連接示意

2.3 系統(tǒng)流程圖

硬件控制采用PC(個人計算機)作為上位機，上位機給PLC發(fā)送指令，然后PLC通過位置脈沖控制伺服電機及其驅(qū)動器，伺服電機給機械裝置提供動力，實現(xiàn)對被檢工件的轉(zhuǎn)動掃查。同時，伺服電機上自帶的編碼器傳輸位置反饋信號給同步電路，同步電路通過編碼器接口與PA22X相控陣超聲連接。當(dāng)被檢工件轉(zhuǎn)動時，同步電路板的射頻輸出端輸出脈沖信號進(jìn)入設(shè)置為編碼器觸發(fā)模式的PA22X相控陣，相控陣控制換能器發(fā)射和接收超聲波，由此，系統(tǒng)完成超聲波發(fā)射接收與機械轉(zhuǎn)動的同步進(jìn)行，最后數(shù)據(jù)經(jīng)由PA22X傳遞給PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到同深度渦輪的檢測成像圖，硬件系統(tǒng)運行流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)硬件運行流程

軟件系統(tǒng)主要由儀器控制、數(shù)據(jù)傳儲和波形顯示成像等3個模塊構(gòu)成[8]。儀器控制模塊的主要功能是對PA22X相控陣超聲進(jìn)行參數(shù)控制。數(shù)據(jù)傳儲模塊負(fù)責(zé)相控陣設(shè)備和上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)儲存。波形顯示成像模塊用于實現(xiàn)人機交互的功能，完成A掃波形的顯示和同深度掃描的成像。在檢測過程中，軟件對掃描部分進(jìn)行成像，以不同的顏色對不同的幅值信息進(jìn)行著色，直到檢測完成。軟件運行流程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)采集及成像流程

3 試驗及結(jié)果

試驗采集A掃描有缺陷和無缺陷處的信號進(jìn)行對比，缺陷出現(xiàn)時的A掃描波形如圖11(a)所示，無缺陷時的A掃描波形如圖11 (b)所示，當(dāng)存在缺陷時，中間會出現(xiàn)缺陷反射波。

圖11 有無缺陷的A掃描波形對比

通過成像界面采集4個不同深度的同深度圖像，對其成像數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，得到最終成像結(jié)果如圖12所示。根據(jù)缺陷反射回波和直達(dá)波的聲程差可以對不同深度的缺陷進(jìn)行定位。

由圖12(a)中幅值對應(yīng)的顏色變化和直徑大小可以明顯判斷出，右邊的橢圓形為直徑3 mm缺陷的信號，左邊的橢圓形為直徑2mm缺陷的信號。同理，在圖12(b)中，左邊的橢圓形為直徑3 mm缺陷的信號，右邊的橢圓形為直徑2 mm缺陷的信號。由于聚焦深度為70 mm時，波形出現(xiàn)多次反射，探頭接收到的回波較雜亂，且能量損失大，因此缺陷反射回波的幅值會降低。通過調(diào)整幅值顏色策略，原本中心部位出現(xiàn)亮藍(lán)色的會呈現(xiàn)紅色，再通過顏色異常的面積大小可以判斷出，圖12(c)右邊的橢圓形為直徑3 mm缺陷的信號，左邊的橢圓形為直徑2 mm缺陷的信號。同理可得圖12(d)左邊的圖形為直徑3 mm缺陷的信號，右邊的圖形為直徑2 mm缺陷的信號。通過對整體渦輪試塊的檢測，說明該成像檢測系統(tǒng)對當(dāng)量最小為2 mm的缺陷具有良好的識別率，解決了在檢測過程中易漏檢及無法定位的問題，同時提高了檢測效率。

4 結(jié)語

筆者針對某渦輪斜結(jié)合面無法采用常規(guī)手動掃查方式進(jìn)行檢測的問題，研制了自動掃描超聲成像檢測系統(tǒng)。通過設(shè)計相控陣超聲和自動掃查相結(jié)合，配合專用的軟件，可以對斜結(jié)合面進(jìn)行掃描成像。經(jīng)過對渦輪試塊的檢測，表明該成像檢測系統(tǒng)的檢測靈敏度可以滿足渦輪斜結(jié)合面上最小2 mm當(dāng)量缺陷的檢測要求，對復(fù)雜構(gòu)件渦輪的自動化檢測具有很好的借鑒意義。