超聲紅外熱像技術在航空發動機葉片裂紋檢測中的應用

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(1.中國南方航空工業有限公司，株洲 412002;2.南京諾威爾光電系統有限公司，南京 210046；)

作為航空航天裝備的關鍵部件，航空發動機是飛機的“心臟”，其性能的好壞直接影響著飛機的性能[1-2]。而影響航空發動機質量的關鍵因素之一就是葉片的質量。

航空發動機葉片按其在發動機上的部位分為風扇葉片、壓氣機葉片和渦輪葉片；按功能分為導向葉片和工作葉片，如圖1所示。

圖1 航空發動機的導向葉片與工作葉片外觀

航空發動機葉片的主要作用是將燃氣的熱能轉化為旋轉的機械動能,工作時要承受交變拉應力、扭轉應力的作用，以及機械磨損、熱腐蝕的損害，極容易產生裂紋缺陷[3-4]。葉片裂紋是危害飛行安全的重要因素，在大應力作用下裂紋擴展速度很快，即使是微小裂紋也易擴展成大裂紋從而影響飛機的飛行安全。

準確地檢測航空發動機葉片結構的完整性及其狀態，及時、可靠地發現葉片裂紋并預防危害，提高發動機工作的安全性，已成為航空無損檢測領域的一個研究熱點[5]。目前，針對航空發動機葉片裂紋的測，常用的無損檢測技術有內窺檢測，磁粉、滲透、射線、渦流檢測等方法。其中內窺檢測是葉片表面裂紋外場檢測中應用較廣的一項技術，但該技術依賴人工經驗，檢測周期長，操作過程復雜，同時葉片表面通常要進行噴涂處理，金屬基體表面就變成了次表面，從而給內窺檢測帶來較大的困難。田武剛采用內窺鏡渦流集成化檢測，結合內窺鏡和渦流檢測技術的優勢，實現了對航空發動機葉片缺陷的檢測[6]。由于航空發動機葉片屬于曲面結構零件，傳統的無損檢測方法對復雜曲面結構缺陷的檢測都有各自的局限性[7-10]。超聲熱波成像技術利用紅外熱像儀采集試件表面熱量并分析熱量的變化情況來進行檢測，因而對試件曲面結構沒有要求，可以檢測復雜曲面結構的缺陷。國內，裝甲兵工程學院、中國空氣動力研究與發展中心、火箭軍工程大學、首都師范大學等科研院所與高校的研究人員對超聲紅外熱像技術進行了深入研究，在理論研究、數據仿真、生熱特性、裂紋識別、系統設計、參數調節等方面獲得了豐碩的研究成果[11-15]。西方先進工業國家已成功地將超聲紅外熱像技術應用于航天航空領域的關鍵金屬部件的檢測中，包括航空發動機葉片裂紋的缺陷檢測[16]，筆者采用超聲熱波成像技術對航空發動機葉片裂紋進行了檢測，實現了對發動機葉片細微裂紋的檢測。

1 方法論述

1.1 基本原理

超聲紅外熱像技術又稱為超聲紅外熱成像技術，結合了超聲技術和熱成像技術的特點，屬于主動熱激勵紅外成像技術[16]。該技術的基本原理是：利用超聲脈沖波作用在試件表面上，其特定的振動激勵源促使試件裂紋處產生機械振動，使得裂紋部分的聲能因熱彈和滯后效應在試件中發生衰減而轉化成熱能，從而實現對裂紋處的選擇性熱激勵；然后通過紅外熱像儀采集試件表面的溫度信號，由于不同深度裂紋產生的紅外信號傳到試件表面的時間不同，因此可從溫度隨時間的變化關系來對裂紋的位置、大小等信息進行判斷；最后，紅外圖像處理系統對采集的紅外熱圖序列進行處理，即可實現對試件內部裂紋的檢測[17-18]。

與光激勵熱波成像技術相比，超聲熱波成像技術屬于機械熱激勵，其特點在于僅對試件淺表面或者內部裂紋缺陷加熱，對無裂紋的正常區域不加熱，即屬于選擇性加熱。有裂紋缺陷區域和正常區域的紅外圖像對比度更高，有利于裂紋缺陷的識別和判定，缺陷的檢出可靠性增加。

1.2 技術方案

超聲熱波成像檢測系統的框圖如圖2所示，其主要由超聲激勵裝置、超聲波發生器、紅外熱像儀、計算機等組成。其中，超聲波發生器包括激勵電源，超聲激勵裝置包括激勵頭、換能器、變幅桿等。計算機主要用于超聲激勵控制和紅外圖像同步采集以及后期的紅外圖像處理。

圖2 超聲熱波成像檢測系統框圖

1.3 系統集成

超聲熱波成像系統不僅要能改變熱紅外像儀采集位置與角度，而且還要能較好地固定被測試件。因而紅外熱像儀安裝在一個可以調節角度與位置的平臺上，便于采集紅外圖像；超聲激勵系統放置在平臺底座上，可更好地旋轉與固定試件，底座上可對工件進行一定的夾持，防止測試時的移動；同時需要配備壓力傳感器，以實時測量超聲激勵頭與試件之間的預緊力，合適的預緊力有助于提升超聲激勵頭與試件的耦合效率。計算機主要用于系統控制、紅外圖像采集以及后期紅外圖像處理。

圖3 超聲熱波成像設備外觀

超聲熱波成像設備型號為AcouTherm EB250，外觀如圖3所示。系統超聲激勵功率為1 000 W，激勵頻率為20 kHz，單次激勵時間為0.1～10 s可調;紅外熱像儀為制冷型熱像儀，探測波段為3～5 μm,分辨率為320×256像素/640×512像素，等效噪聲溫差小于20 mK，采集幀頻為60 Hz。

2 試驗結果

采用AcouTherm EB250設備對航空發動機葉片進行裂紋檢測，紅外熱像儀分辨率為320×256像素，超聲激勵時間選為1 s。試驗用的試件包括導向葉片1塊和工作葉片2塊(長度為75 mm的短工作葉片1和長度為110 mm的長工作葉片2)。檢測過程中，采集一張激勵前的背景圖像和激勵后的紅外圖像，以便于裂紋缺陷的判斷；要保證超聲波的有效耦合，需要有恒定的預緊力，通過多次試驗，確定預緊力約為200 N時，超聲耦合到試件中的效率最高，試件中的超聲能量達到最大值，裂紋處溫升最高。

圖4～6分別為導向葉片，工作葉片1以及工作葉片2的光學圖像與超聲激勵前、后的紅外圖像。葉片中的裂紋處于表面或淺表面位置，屬于細微裂紋，長度約為0.5～1.0 mm，不屬于長條形裂紋。超聲激勵后，裂紋處溫度升高，在超聲激勵時間內裂紋位置處的溫度持續升高且熱量向周圍擴散，從而形成亮光斑區域，實際裂紋尺寸比亮光斑區域要小得多，圖中紅色虛線圈中所示位置為裂紋位置。對超聲激勵前、后紅外圖像采用背景差分法進行分析，可以很好地識別出裂紋位置。在實際檢測過程中，預緊力大小和超聲激勵位置對檢測結果的影響比較大，需要通過多次試驗來確定預緊力的大小和超聲激勵位置；超聲激勵頭與工件接觸時，如果耦合不好則超聲波不能有效傳遞，同時對一些表面有要求的工件直接接觸可能造成損傷，所以需要在超聲激勵頭與工件之間使用耦合材料，這些材料需要有一定的柔性，以及很強的韌性。

圖4 導向葉片的光學圖像與超聲激勵前、后的紅外圖像

圖5 工作葉片1的光學圖像與超聲激勵前、后的紅外圖像

圖6 工作葉片2的光學圖像與超聲激勵前、后的紅外圖像

3 結語

采用超聲紅外熱像技術對航空發動機葉片裂紋進行檢測，超聲激勵僅對裂紋處產生加熱，從而實現對航空發動機葉片裂紋的檢測。采用自主研發的超聲紅外熱像系統對導向葉片和工作葉片進行了裂紋檢測，成功檢測出導向葉片和工作葉片試件中的細微裂紋(長度為0.5～1.0 mm)。