某型發(fā)動機(jī)導(dǎo)向器葉片熒光滲透檢測研究

田家洋 孫莎莎 李玫 王濤

摘要：某型發(fā)動機(jī)二級渦輪導(dǎo)向器葉片軸頸斷裂故障多發(fā)，造成發(fā)動機(jī)機(jī)件打傷。為提高零件熒光滲透檢測故障檢出準(zhǔn)確率，通過對344臺次葉片檢測原始情況進(jìn)行統(tǒng)計，并對各臺次發(fā)動機(jī)葉片檢測報廢情況與其總工作時間、修理次數(shù)、送探時間、一次送探數(shù)量等因素進(jìn)行統(tǒng)計分析，以確定斷裂故障檢測環(huán)節(jié)可能造成漏探的原因，制定有效改進(jìn)措施，對保障葉片修理質(zhì)量具有重要作用。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)向器葉片；熒光滲透檢測；裂紋；高溫合金

Keywords：nozzle guide vane；fluorescent penetrant inspection；crack；high temperature alloy

0 引言

某型發(fā)動機(jī)試車后檢查時發(fā)現(xiàn)渦輪葉片多處打傷，壓氣機(jī)及發(fā)動機(jī)其他部位檢查未見異常。對該發(fā)動機(jī)分解檢查，發(fā)現(xiàn)31號二級渦輪導(dǎo)向器葉片（材料為GH4033）軸頸斷裂，斷裂軸頸及其固定螺母掉落后造成發(fā)動機(jī)機(jī)件打傷。該葉片修理中經(jīng)過熒光滲透檢測，判定存在漏檢的可能。為保證葉片熒光滲透檢測質(zhì)量，需準(zhǔn)確查找檢測環(huán)節(jié)可能存在的問題，制定可行的改進(jìn)和預(yù)防措施。

因該發(fā)動機(jī)修理后僅經(jīng)過試車驗證，但歷史上出現(xiàn)過同類故障且故障多發(fā)，為達(dá)到提高故障檢出準(zhǔn)確率的目的，統(tǒng)計了344臺次葉片檢測原始情況并進(jìn)行總結(jié)分析，確定熒光滲透檢測環(huán)節(jié)可能造成漏探的原因。

1 探傷故障統(tǒng)計分析

葉片的探傷方法為自乳化水洗型熒光滲透檢測，干法顯像。該發(fā)動機(jī)修理時熒光滲透檢測發(fā)現(xiàn)1片葉片裂紋，已報廢。為掌握熒光滲透探傷結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性，分別對5個時間段（時間段A、B、 C、D、E，間隔時間相等）葉片熒光滲透檢測發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行統(tǒng)計、分析。

經(jīng)統(tǒng)計，5個時間段內(nèi)檢測該型發(fā)動機(jī)葉片344臺次，其中277臺次熒光滲透檢測無裂紋報廢，64臺次葉片檢測發(fā)現(xiàn)裂紋報廢，占總送探臺數(shù)的18.6%，葉片報廢數(shù)量共計189片。對各臺次葉片報廢情況與其總工作時間、修理次數(shù)、送探時間、一次送探數(shù)量等因素進(jìn)行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)可作為總體趨勢判定的參考。

1.1 總工作時間不同探傷出現(xiàn)故障的變化趨勢

在總工作時間不同的情況下，葉片故障數(shù)量與發(fā)動機(jī)總工作時間統(tǒng)計如表1所示，變化對比如圖1至圖4所示。

隨著發(fā)動機(jī)總工作時間的增加，葉片送探臺次呈逐步減少趨勢，葉片熒光滲透檢測報廢臺次呈逐步上升趨勢。工作時間在1200～1500h的發(fā)動機(jī)送探數(shù)量最少，占送探臺數(shù)的18.9%，有報廢件的臺次占比最高，占有報廢件總臺次的40.6%，報廢機(jī)件數(shù)量占比也最高，占總報廢數(shù)量的37.6%；工作時間在900～1200h及600～900h的發(fā)動機(jī)有報廢件臺次及報廢數(shù)量次之；工作時間在600h以內(nèi)的有報廢件臺次及報廢數(shù)量最少。

從檢測有報廢件臺次數(shù)量的累計占比看，總工作時間在1200～1500h及900～1200h的葉片檢測發(fā)現(xiàn)裂紋報廢數(shù)量較大，分別為40.6%及34.4%，占總報廢數(shù)量的75%。從送探臺次數(shù)量累計占比看，總工作時間在600h、900～1200h及600～900h的葉片送檢數(shù)量較大，分別為30.5%、27.6%、23%，占送探總數(shù)量的81%。

1.2 修理次數(shù)不同探傷出現(xiàn)故障的變化趨勢

在總修理次數(shù)不同的情況下，葉片的故障數(shù)量與發(fā)動機(jī)總工作時間對比變化如表2所示。

發(fā)動機(jī)修理次數(shù)為2次及3次的葉片熒光滲透檢測有報廢件占比較大，占總臺次報廢量的75%，其中修理次數(shù)為2次的占42.2%，修理次數(shù)為3次的占32.8%；葉片報廢數(shù)量占比也較大，分別為31.2%和32.3%。

結(jié)論：修理次數(shù)與工作時間基本呈正比關(guān)系，修理次數(shù)越多其工作時間也越長。該數(shù)據(jù)也證明熒光滲透檢測可靠性較高，檢測結(jié)果與實際使用壽命情況相符。

1.3 探傷時間段不同出現(xiàn)故障的變化趨勢

時間段A內(nèi)送探66臺，報廢臺次為24臺，葉片報廢數(shù)量為65片，占比較大，幾個時間段內(nèi)報廢量呈逐步下降趨勢。5個時間段內(nèi)該型發(fā)動機(jī)大修零翻及一翻數(shù)量分別為27臺次、41臺次、36臺次、23臺次及50臺次；兩翻及以上數(shù)量分別為39臺次、23臺次、36臺次、23臺次和21臺次，分別占各時間段內(nèi)總臺數(shù)的59.1%、35.9%、50%、50%和29.6%。

結(jié)論：除時間段A外，各時間段葉片報廢的臺數(shù)占比基本持平，因時間段A內(nèi)大修的發(fā)動機(jī)總量占比較高，達(dá)到59.1%，報廢葉片臺數(shù)和數(shù)量均比較大，一方面印證了總工作時間和修理次數(shù)與葉片報廢數(shù)量呈正比，另一方面也不排除時間段A之前外場出現(xiàn)葉片斷裂故障后工作者為了加強檢查而對部分葉片有過判的可能。

1.4 葉片送探數(shù)量不同探傷出現(xiàn)故障的變化趨勢

344臺次葉片中，329臺次葉片送探數(shù)量為56片，12臺次葉片送探數(shù)量少于56片，3臺次葉片未送探。這12臺發(fā)動機(jī)中出現(xiàn)裂紋報廢問題發(fā)動機(jī)共計7臺，占總送探臺數(shù)58.3%，而329臺送探發(fā)動機(jī)出現(xiàn)裂紋占比17.3%。從占比分布來看，未滿臺送探葉片報廢占比相較滿臺送探發(fā)動機(jī)報廢占比量大。

結(jié)論：由于葉片探傷前的目視故檢能剔除部分不合格的機(jī)件，對于故檢工序有報廢數(shù)量的發(fā)動機(jī)，其機(jī)件整體使用狀態(tài)不佳，探傷工序報廢數(shù)量也會增加，因此需重點關(guān)注未滿臺送探發(fā)動機(jī)葉片探傷檢測情況。

1.5 因探傷人員變化發(fā)現(xiàn)故障的變化趨勢

為分析探傷工作者對探傷結(jié)果判定的影響，現(xiàn)分別統(tǒng)計341臺發(fā)動機(jī)人員探傷情況。由數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果來看，10名探傷工作者判定結(jié)果差異較大，探傷報廢臺數(shù)占比從6.2%到47.7%。

結(jié)論：滲透檢測的成功很大程度上依賴于檢測人員每一個工藝步驟的完成質(zhì)量和他們對檢測結(jié)果的正確判斷和解釋。探傷檢測工作者對產(chǎn)品故障判別標(biāo)準(zhǔn)把控與掌握的技能不完全一致，故障的判斷最終需要人的判斷，個體認(rèn)知、技能乃至經(jīng)驗的不同都會影響到故障結(jié)論判定。對于難以判定的故障，人員的放行標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了偏差。把關(guān)不嚴(yán)的探傷人員有可能會將帶缺陷的廢品當(dāng)成正品放行通過，而過于保守的探傷人員不僅不接受帶有缺陷的產(chǎn)品，也不允許“偽顯示”產(chǎn)品。因此，探傷過程中如何保證機(jī)件不漏探、不過判仍是需要研究解決的問題。技術(shù)人員應(yīng)以產(chǎn)品探傷過程為牽引，重點關(guān)注各操作者探傷質(zhì)量的把控，尤其是對探傷產(chǎn)品變更、新上崗人員技能業(yè)務(wù)不穩(wěn)定等的風(fēng)險管控。

1.6 探傷發(fā)現(xiàn)故障部位與機(jī)件斷裂位置統(tǒng)計分析

在探傷發(fā)現(xiàn)故障葉片的64臺發(fā)動機(jī)中，有35臺記錄了裂紋故障部位，為葉片安裝軸頸的R處和螺紋根部，并且R處居多。

為進(jìn)一步驗證故障發(fā)生的部位，對近期熒光滲透檢測報廢的葉片進(jìn)行復(fù)查。對9臺次25件報廢葉片重新進(jìn)行熒光滲透檢測，其中軸頸R處裂紋16片，螺紋處裂紋2件，R處和螺紋均有裂紋6件，進(jìn)氣邊裂紋1件。

選取2片葉片R處有裂紋顯像的葉片及1片故障機(jī)螺紋處有裂紋的葉片進(jìn)行金相分析，經(jīng)分析確認(rèn)為微小裂紋，如圖5所示。為進(jìn)一步驗證已探傷報廢的葉片和本次故障機(jī)葉片，反工序檢查軸頸R處熒光顯示是否有過度判別的情況，對20件軸頸R處顯像的葉片進(jìn)行打磨排除，再次進(jìn)行熒光探傷檢查，軸頸R處裂紋顯像均存在，打磨前后熒光顯示如圖6所示（圖中列舉了3片葉片，其中打磨前顯示嚴(yán)重1片，顯示較輕2片），打磨后熒光顯示更為明顯，且裂紋長度較打磨前更長。因GH4033二級導(dǎo)向器葉片沿軸頸處分布的細(xì)微裂紋在高溫工作狀態(tài)下表面氧化形成復(fù)雜的氧化物堵塞部分裂紋，使得熒光滲透液不能較好滲透進(jìn)入裂紋處，故打磨后裂紋顯示更為明顯。對R處裂紋顯像較輕的葉片在體式放大鏡下觀察，裂紋形態(tài)不明顯。

從金相分析圖可以看出，滲透檢測有熒光顯示的3片葉片金相分析時均顯示為疲勞裂紋，探傷結(jié)果可靠性較高。葉片螺紋牙底裂紋較軸頸R處裂紋更為明顯，裂紋開口更寬，多為單條分散型；R處裂紋深度僅為0.103mm，開口更加細(xì)小，僅約為幾微米，故R處裂紋熒光顯像較細(xì)，易出現(xiàn)不連續(xù)線狀顯示，螺紋處裂紋顯示較明顯且為多條密集型和單條分散型。

1.7 材料對探傷檢測的影響分析

渦輪導(dǎo)向器葉片是渦輪發(fā)動機(jī)上受熱沖擊最大的零件之一，由于它是靜止的，所受的機(jī)械負(fù)荷并不大，但由于受到應(yīng)力引起的扭曲、溫度劇烈變化引起的裂紋以及發(fā)動機(jī)振動形成非正常高應(yīng)力作用萌生的裂紋影響，使葉片在工作中經(jīng)常出現(xiàn)故障。鎳—鉻基高溫合金GH4033熱軋棒材常溫下拉伸性能為945～1088MPa，常溫下屈服強度590MPa，700℃下的抗拉強度685MPa，該合金無缺口敏感性。由于材料的特性，在葉片R處產(chǎn)生的裂紋熒光顯像通常較為輕微，且部分顯示不連續(xù)，在葉片螺紋處因為熒光液不易被清洗掉，螺紋處檢測易造成偽顯示，檢測難度大。

2 分析結(jié)論

造成某型發(fā)動機(jī)二級渦輪導(dǎo)向器31號葉片軸頸螺紋斷裂的原因為疲勞斷裂。因葉片軸頸螺紋處使用后假顯示缺陷較多，理論上熒光滲透檢測應(yīng)關(guān)注預(yù)清洗和滲透液去除環(huán)節(jié)，預(yù)清洗不到位易造成表面裂紋被遮蓋，滲透液去除不當(dāng)易造成過洗或清洗不凈，影響探傷質(zhì)量。因此，該故障的發(fā)生原因可能為滲透檢測工藝控制不當(dāng)所致。一方面是探傷質(zhì)量過程控制不到位，存在漏檢的可能，另一方面是操作人員認(rèn)知和技能經(jīng)驗的差異，對螺紋類較難判定的工件可能存在誤判。

3 采取措施

3.1 設(shè)置熒光滲透檢測重點控制手段

為驗證二級渦輪導(dǎo)向器葉片軸徑熒光滲透檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高檢測結(jié)果的可靠性，采取兩人檢測，互相驗證檢測結(jié)果。

3.2 對操作人員進(jìn)行技術(shù)技能培訓(xùn)

滲透檢測技術(shù)方面，操作人員應(yīng)清楚在什么位置觀察缺陷顯示、如何解釋各種缺陷顯示、正確判斷缺陷顯示以及判斷某工件用某方法探傷質(zhì)量的可靠性。

從問題查處和反工序檢查的過程可知，雖然葉片軸頸螺紋處的微小裂紋受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、操作過程、人員認(rèn)知、經(jīng)驗等客觀因素的影響，操作人員的個體存在差異，但也同時反映出部分操作人員技能水平不足，尤其對出現(xiàn)質(zhì)量問題的機(jī)件判別的尺度波動較大，因此人的因素依然是過程控制的重點難題。操作人員必須能夠清晰辨認(rèn)相關(guān)顯示，而且能夠區(qū)分假顯示和非相關(guān)顯示，這種技能一方面依靠不斷實踐和經(jīng)驗總結(jié)來獲得，另一方面需要不定期對操作人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)及崗位練兵，提高人員操作技能。

4 結(jié)束語

1）葉片的缺陷多數(shù)集中在軸頸部位，為分散型和密集型裂紋。

2）葉片進(jìn)行水洗型熒光滲透探傷時，葉片螺紋處位置較關(guān)鍵，檢測的難點在于質(zhì)量過程控制的把握及對裂紋處的分析與判斷，應(yīng)嚴(yán)格按工藝要求操作。

3）檢測過程中，注意葉片螺紋處相關(guān)顯示的重復(fù)性，如果重復(fù)性較好，以顯示為主。

4）對總工作時間長、修理次數(shù)多及非正常數(shù)量送探的葉片應(yīng)重點檢查，做出客觀、準(zhǔn)確的評判。

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作者簡介

田家洋，高級工程師，從事航空維修無損檢測技術(shù)管理工作。

孫莎莎，助理工程師，從事航空維修無損檢測技術(shù)工作。

李玫，高級工程師，從事航空維修無損檢測技術(shù)工作。

王濤，技師，從事航空維修無損檢測操作工作。