葉片深根裂紋的原位超聲波檢測

董瑞琴，何　喜，劉永安

(西安航空動力股份有限公司 無損檢測中心， 西安 710021)

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葉片深根裂紋的原位超聲波檢測

董瑞琴，何喜，劉永安

(西安航空動力股份有限公司 無損檢測中心， 西安 710021)

摘要：航空發動機葉片在工作中要承受較高的離心負荷、氣動負荷、高溫和大氣溫差負荷以及振動的交變負荷，同時還要受風沙、潮濕的浸蝕，這些因素使葉片容易產生疲勞裂紋，疲勞裂紋擴展會引起葉片斷裂并影響發動機的安全。發動機葉片在發動機的服役期間需要定期進行無損檢測，但在葉片常規大修檢測中經常需要對發動機進行拆卸、分解、檢測和安裝，所需檢測周期長，費用高。通過超聲波檢測試驗，解決了低壓一級轉子原位超聲檢測葉片深根部位裂紋的技術難題，為發動機葉片大修時的定期原位無損檢測提供了方便、可靠的方法。

關鍵詞：轉子葉片; 深根裂紋; 原位檢驗; 超聲波

葉片所處的工作環境十分惡劣，需要承受較高的離心負荷、氣動負荷、高溫和大氣溫差負荷以及振動的交變負荷，同時受風沙、潮濕的浸蝕，容易造成葉片產生缺陷，如疲勞裂紋，而疲勞裂紋擴展引起葉片斷裂后會危及發動機的使用安全。原位超聲波檢測技術可以避免裝備和結構的拆卸、分解和安裝，節省檢測費用和時間，在航空發動機的檢修中具有十分重要的意義。由于航空發動機結構的特殊性，以及常規無損檢測技術(如磁粉、射線等)的局限性,發動機葉片的原位檢測常受到限制。 針對某發動機在外場試飛中低壓一級轉子葉片深根部位出現完全斷裂的質量事故，在外場采用超聲檢測的方法使發動機在不分解狀態下有效發現缺陷。因為缺陷部位和缺陷的特殊性，筆者在葉片上加工了具有能夠代表缺陷特征的深度為2 mm的人工缺陷。且為解決葉片在裝機狀態下，葉片之間空間有限的難題，特別設計制作了探頭的夾具，解決了原位超聲波檢測葉片深根部位的裂紋難題[1]。

1超聲波檢測試驗

從葉身部位檢測處于葉片深根部位垂直于葉片表面的裂紋，檢測原理類似于超聲檢測中的端角反射。因此當橫波入射角度合適，將探頭放置在葉片的合適部位，探頭就可接收來自深根部位缺陷的反射波，因此在葉身部位去檢測發現葉片深根部位的缺陷在超聲檢測理論上是可行的。

1.1端角反射原理

在超聲檢測中，常遇到聲波在兩個相互垂直平面構成的直角內的反射，超聲聲束入射到直角內，若未發生波形轉換，則聲波被兩個平面反射后仍平行于入射聲束反射后回來，如圖1所示。如此，反射聲波應非常強烈,然而，對超聲波來說，不可避免地會出現波型轉換，在兩次反射時均可能分離出其他波型，這些轉換后的波反射角不等于入射角，經過兩個面反射后不能沿原方向回到探頭，從而帶來能量的損失；將回波聲壓與入射聲壓之比做為端角反射率，通過研究得知，橫波入射時，在30°和60°附近，存在兩個反射率低谷，而在中間一段角度范圍(為35°～55°)，反射率非常強。因此，在檢測垂直于表面的裂紋時，應選用折射角為35°～55°的橫波探頭。橫波的端角反射率曲線如圖2所示。

圖1　聲束在直角內的反射原理

圖2　橫波的端角反射率曲線

1.2對比試塊制作

試驗開始時，在正常葉片的深根部位加工直徑為0.8 mm的短橫孔來模擬缺陷，短橫孔的優點是可方便地區分正常部位和缺陷部位的反射波，但短橫孔為柱面反射。經過試驗發現，在葉片部位不易獲得葉片深根部位短橫孔的反射情況，探頭無法識別來自孔的柱面反射。

隨后在葉片的深根部位加工三個刻槽(葉片進氣邊一個、排氣邊一個、葉背中間一個)，刻槽的槽長5 mm。共加工4個對比試塊，槽深分別為5,3,2,1 mm。

在試驗中，通過采用合適的探頭，除深度1 mm的刻槽不能被發現外，其他刻槽都能被發現。

1.3 探頭的選擇

探頭在選擇時要考慮包括晶片尺寸、頻率和K值等參數。因為葉身存在一定的曲率和扭度，對探頭尺寸的選擇，要求晶片尺寸盡量小以獲得探頭和葉身部位的良好耦合。采用6 mm×6 mm的小晶片橫波探頭,探頭頻率的選擇則要根據缺陷的位置以及缺陷的大小通過試驗來確定。不同探頭對不同深度刻槽的響應如表1所示。

表1　不同探頭對不同深度刻槽的響應結果

試驗發現，因為葉片結構的影響，無論采用多大K值的探頭都不能發現深度為1 mm的刻槽，而采用K2的探頭可發現處在不同位置的5 mm和3 mm的刻槽，但對2 mm刻槽的發現效果不是很明顯。而K2.5的探頭對處在葉片不同位置的深度為2,3,5 mm的刻槽都能很好地發現。因此，試驗確定采用5 MHz，K2.5，晶片尺寸為6 mm×6 mm的橫波探頭。

1.4試驗結果對比

對葉片不同部位、深度為2 mm刻槽的檢測效果與相同部位完好葉片的波形圖進行了對比，可知試驗檢測效果良好，對葉片不同部位的刻槽有很好的分辨率。圖3為葉盆排氣邊刻槽的A掃描照片及反射回波,圖4為正常葉片同一部位的A掃描照片及反射回波。

圖3　葉盆排氣邊刻槽超聲波檢測示意及結果

圖4　正常葉片葉盆排氣檢測示意及結果

2葉片原位超聲波檢測的可行性

圖5　裝機狀態下檢測葉片所用探頭夾具外觀照片

圖6　裝機狀態下對比試塊葉盆刻槽檢測照片

通過上面試驗結果的對比，可以看出在分解狀態下采用超聲檢測的方法能夠從葉身部位發現葉片深根部位的缺陷，但是因為在分解狀態對葉片的檢測不同于外場裝機狀態對葉片的檢測，最明顯的區別就是葉片和葉片之間的空間有限，檢驗人員在檢驗時，手不能完全進入到葉片之間的空隙中，如對探頭不進行改裝就不能在裝機狀態下對葉片進行檢測，為此在試驗中通過與探頭制作商合作，對分解狀態下所用探頭制作了工裝(如圖5所示)，通過在探頭上安裝工裝后，檢驗人員不用將手伸到葉片之間的空間，而是通過加長桿就可實現對葉身的檢測，檢測照片如圖6所示。

3結語

通過設計制作具有與外場發現的葉片深根部位裂紋可比較的對比試塊，選擇合適的探頭參數，制作合適的探頭工裝，可以實現對葉片深根部位裂紋的原位超聲波檢測，可避免常規發動機葉片定期無損檢驗所帶來的人力、物力的浪費。

參考文獻:

[1]史亦偉.超聲檢測[M].北京：機械工業出版社，2005：27-28.

The In-situ Ultrasonic Inspection of Cracks in Deep Blade Root

DONG Rui-qin， HE Xi， LIU Yong-an

(The NDT Center， Xi′an Aero-Engine PLC., Xi′an 710021, China)

Abstract：The aero-engine blade is often subjected with high centrifugal force, air dynamic force, thermal loading due to high temperature and temperature differences between surrounding, and vibration loading, and in addition it is also subjected with erosion by wind, sand and wet medium. All the above-mentioned factors shall cause the blade to develop fatigue cracks, which will threaten the safety of the engine. Therefore, during the service of the engine, the blade shall be under periodic maintenance and inspection for which the disassembling of the engine is needed and extra cost is required for this periodic inspection. The paper introduces an ultrasonic testing means for the non-destructive inspection of the cracks in deep blade root, providing an effective method for the in-situ testing of the engine blade.

Key words:Rotor blade; Deep root crack; In-situ inspection; Ultrasonic wave

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)01-0038-03

DOI:10.11973/wsjc201601010

作者簡介：董瑞琴(1975-),女,高級工程師,主要從事航空發動機零件超聲檢測工作。

收稿日期：2015-04-20