航空發動機渦輪葉片相控陣超聲檢測研究

江文文，柏逢明

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

航空發動機的渦輪葉片裂紋是危害飛行安全的重要因素，即使是微小的裂紋對飛機都可能造成無法挽回的后果。航空發動機渦輪葉片除了承受巨大的交變拉應力和扭轉應力，還需要在高壓腐蝕性燃氣的沖擊下高速旋轉。此外還存在高溫氧化、熱腐蝕和磨損的問題。而葉片的生產成本很高，因此為了節省經濟成本，必須尋找有效的檢測手段，及時檢測出飛機存在的危險因素。隨著技術的發展，我們還需要對渦輪葉片進行定性和定量的分析，確定缺陷的大小和形狀等。

超聲波檢測因其靈敏度高，穿透力強，分辨力好，檢驗速度快，成本低，設備簡單和對人體無害等一系列優點廣泛用于航空航天領域。

1 傳統超聲波檢測

傳統超聲波無損檢測系統是由超聲波換能器、發射電路、回波接受電路、主控電路和顯示裝置組成。超聲波檢測的基本原理［1］如圖1所示。

圖1 超聲波檢測原理圖Fig.1 Ultrasonic testing schematic diagram

傳統檢測多用脈沖反射法。當工件完好時，超聲波可順利傳播到達底面，示波屏中只有表示發射脈沖T和底波回波B兩個信號。若工件中存在缺陷，在示波屏中有表示發射脈沖T和底波回波B，還有表示缺陷波的回波F。如圖2所示，根據缺陷回波幅值的高低可以判別缺陷的大小和位置。

圖2 脈沖反射法Fig.2 Pulse reflection method

2 相控陣超聲檢測

2.1 相控陣超聲檢測技術特點

隨著工業對無損檢測技術要求的不斷提高，相控陣超聲檢測技術以其常規超聲檢測技術所無法比擬的優勢而逐漸被廣泛關注。與傳統的超聲檢測技術相比，相控陣超聲檢測技術［4］采用電子方法控制聲束聚焦和掃描，可以不移動或少移動探頭的情況下進行快捷的掃查來提高檢測速度；具有良好的聲束可達性，能對復雜幾何形狀的工件進行探查；通過優化控制焦點尺寸，焦區深度和聲束方向，可使檢測分辨率，信噪比和靈敏度等性能得到提高。

2.2 相控陣超聲檢測原理

相控陣發射：多個換能器陣元按一定形狀，尺寸排列，構成超聲陣列換能器，分別調整每個發射信號的波形、幅度和相位延遲，使各陣元發射的超聲子波束在空間疊加合成，從而形成發射聚焦和聲束偏轉等效果。

發射相控聚焦：陣列換能器各陣元得激勵時序是兩端陣元先激勵，逐漸向中間陣元加大延遲，使得合成的波陣面指向一個曲率中心。如圖3所示。

圖3 發射聚焦Fig.3 Transmit focusing

發射相控偏轉：陣列換能器各陣元得激勵時序是等間隔增加發射延遲，使得合成波陣面具有一個指向角。如圖4所示。

圖4 發射偏轉Fig.4 Transmit deflecting

接收相控［2］是發射相控的逆過程。按照回波到達各陣元的時間差對各陣元接收信號進行延時補償，然后相加合成，就能將特定方向回波信號疊加增強，而其它方向的回波信號減弱甚至抵消。如圖5所示，S處產生回波信號，最后得到的信號值是As（t）。

圖5 相控陣超聲接收Fig.5 Phased array ultrasonic receiving

2.3 相控陣超聲換能器

相控陣超聲換能器類型有極坐標陣列，圓環陣列，面陣列以及線陣列。

相控陣超聲換能器是由一系列陣型排列的壓電晶片組成，每個晶片有單獨的電子單元控制其收發延遲。相控陣換能器在高頻電信號的激勵下會產生超聲波信號，頻率在650KHz-20MHz。通過控制系統調整發射到相控陣多晶體探頭的各個晶片激發的脈沖之間的相差，然后穿過耦合介質進入到試件的內部，這樣實現超聲波聲場控制。

2.4 相控陣超聲成像

通過相控陣的聲束掃描特性，電子控制的方式進行發射聲束聚焦和偏轉，使超聲束覆蓋相當范圍的空間區域，然后又用相控接收的方式對回波信號進行聚焦等多種處理，就可以得到物體清晰的成像［3］。

相控陣超聲成像常見有四種掃描情況。第一種是A掃描，顯示的是換能器駐留在試件上某一點時，沿試件深度的回波振幅分布。第二種是B掃描，顯示是與聲束傳播方向平行且與試件的測量表面垂直的試件刨面。第三種是C掃描，是在B掃描基礎上增加一個機械軸，從而獲得整個體積的三維數據。第四種是S掃描，在B掃描的基礎上同時改變聲束的傳播角度，由編程改變時間延時來控制波束，將不同角度的超聲信號以S扇形顯示出來，即扇形掃描。

超聲相控陣控制超聲波入射角度，使超聲波以扇形面的形式入射到被檢測試件中，這樣能最大限度的提高超聲波在試件中的覆蓋面。所以本文選用的是第四種S掃描方式。

2.5 相控陣超聲系數與缺陷顯示的相關性

相控陣要達到最佳檢測結果，應該選擇幾個相關參數，包括聲束發射窗口、頻率、聚焦及掃描檢查角度分辨力。聚焦會影響缺陷成像清晰度，相控陣超聲檢測參數的選定目的，是盡可能獲得最小焦點。聲束發射窗口增大，焦點會減小；頻率提高，則波長減小，因而焦點減小。提高頻率可以改善聚焦和分辨力，但也會增大衰減。所以為了提高被檢缺陷圖像清晰程度，應適當調整相控陣超聲檢測的相關系數。

3 航空發動機渦輪葉片相控陣超聲檢測應用試驗

3.1 相控陣超聲檢測系統組成部分

相控陣超聲檢測系統是由超聲激發、放大濾波器、采集電路、計算機以及數據處理和成像這幾個部分組成，如圖6所示。

圖6 相控陣超聲系統結構框圖Fig.6 Phased array ultrasonic principle block diagram of the system

相控陣超聲檢測是聲束在一定角度范圍內進行掃描檢查。橫波檢測的掃描檢查范圍為350～750。一次相控陣掃描檢查能覆蓋所有被測區域，實時顯示檢測圖像。通常取衰減值為-20dB，相控陣的掃描檢查范圍取決于陣元尺寸和波長，最大掃描檢查范圍可由聲束半擴散角表達式求出，取波長為1.18，λ-波長，D-傳感器矩形晶片的邊長，F-焦距如式1和式2所示。

3.2 應用試驗

試驗樣本：某航空發動機渦輪葉片四件，材料是鈦合金，相控陣超聲檢測方式如圖7所示。

直探頭位于被測試件上表面，相控陣超聲波通過電子的方式控制超聲波入射角度，使探頭發出波束對特定的掃描區域進行掃描。

圖7 相控陣超聲檢測方式圖Fig.7 Diagram of phased array ultrasonic detection mode

相控陣超聲檢測采用陣列傳感器形式，共有16個陣元，每個陣元寬度是1mm，長度是10mm，間距為0.5mm。傳感器的中心工作頻率為5MHz。采用直探頭橫波形式，掃查類型是扇形，掃查范圍為35°-75°。掃查分辨力為0.5。

圖8 試件傳統超聲波檢測結果圖Fig.8 Results of tradition ultrasonic testing

便于對航空發動機渦輪葉片缺陷的分析，本文采用傳統超聲波檢測與相控陣超聲檢測進行對比。先利用傳統超聲波檢測對四組航空發動機渦輪葉片進行無損檢測，如圖8所示，檢測的信號中往往夾雜著噪聲干擾，所以必須進行信號處理，濾除干擾信號，突出缺陷的信號特征。由超聲波無損檢測原理知道，當被測試件有缺陷存在時，信號幅值會突然變化。如圖8（1）號試件的檢測信號圖在40us點處檢測信號幅值突然增大，說明此點處有缺陷。而圖8（2）、（3）、（4）號試件的缺陷分別在24us、37us、30us處。

利用相控陣超聲檢測對四組航空發動機渦輪葉片進行無損檢測，檢測結果如圖9所示。

圖9 試件相控制超聲檢測結果圖Fig.9 Results of phased array ultrasonic testing

由圖9可知，相控陣超聲增益為20dBA，聲束是500。PDA表示最大回波處深度距離，PPA表示最大回波處離探頭前沿的水平距離。扇形掃描圖中有三根水平直線，1處是試件下表面位置分界線，該直線以上區域為超聲一次回波檢測的區域；2處是試件上表面位置分界線，1-2之間區域是二次回波檢測區域；2-3之間為三次回波檢測區域。（1）、（2）圖的缺陷信號為二次回波所檢測到的缺陷，（3）、（4）圖的缺陷信號為三次回波所檢測到的缺陷。缺陷深度和其距離探頭前沿的水平距離在圖中都能直接顯示出來。因為偽缺陷一般都分別在上下表面處，所以（4）圖是偽缺陷。

傳統超聲波檢測和相控陣超聲檢測結果比較見表1。

通過4組測量比較，我們從圖8、圖9和表1可以看出：相控陣超聲檢測測量比傳統超聲波檢測快速簡便，因為傳統超聲波每次只能發射一束波束，而相控陣超聲檢測的探頭有16個晶片，每次發射16個波束。相控陣超聲檢測出的缺陷情況比較詳細，缺陷深度和其距離探頭前沿的水平距離在圖中都能直接顯示出來，而且能夠檢測出偽缺陷。和傳統超聲波檢測相比，相控陣超聲檢測每次誤差不超過1mm，精確度高達90%以上。

表1 試樣檢測結果比較Tab.1 Comparison of detection results in test specimens

4 結論

針對航空發動機渦輪葉片裂紋準確檢測難的現象，本文比較了傳統超聲波無損檢測和相控陣超聲檢測的方法，通過試驗證明了相控陣超聲檢測具有超越傳統超聲波檢測方式的優勢：（1）能夠選擇合適的波束角度及聚焦深度，完成復雜幾何形狀工件的全面掃描檢查；（2）可以多角度多波束，非常快速全面的覆蓋工件要測部分，檢測結果更加客觀可信。

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