渦輪斜結合面同深度掃描超聲成像檢測系統的研制

劉勛豐，羅 藝，陸銘慧，劉 洋

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063)

渦輪是航空航天發動機不可缺少的核心部件之一，工作于高溫、高壓的惡劣環境下，故需要具有良好的抗拉、抗疲勞強度和抗腐蝕性能。現代飛機采用的整體渦輪，與傳統渦輪相比較，具有優良的結構特性，大大提高了發動機的推重比，且安全性能和使用壽命更高[1]，因而在航空航天發動機中得到了廣泛的應用。整體渦輪結構較為復雜，且常在高溫、高壓、高轉數的條件下服役，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，其結合層易產生夾雜、氣孔和未熔合缺陷，嚴重影響渦輪的力學性能[2]，因此，對其進行無損檢測具有重要意義。

目前，國內外對航空渦輪的無損檢測主要集中在葉片和盤件內部。景艷紅等[3]使用射線、光學顯微鏡和掃描電鏡等對MIM418渦輪進行了檢測，結果表明渦輪芯體部位易出現裂紋，而葉片處則易出現氣孔型缺陷，并發現采用熱等靜壓技術可以改善葉片的質量。許倩[4]采用相控陣超聲和C掃描的方法對渦輪盤進行了檢測，初步實現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滲透檢測法對渦輪葉片進行了檢測對比，結果表明，過濾性微粒檢測法比常規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合面實施超聲無損檢測較難，若采用手動方式進行檢測，不僅易漏檢且誤差較大，不能保證檢測結果的準確性。筆者依據整體渦輪的結構特點，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射，接收和轉動同步運行的自動掃描成像系統(見圖1)。

1 超聲成像檢測

1.1 整體渦輪斜結合面試件

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。整體渦輪和渦輪內芯斜結合面連接處實物如圖2所示。由于在對整體渦輪斜結合面處進行加工時易產生缺陷[6]，故在實際應用中常需要對渦輪葉片與內芯的斜結合面處進行檢測。圖2中BC段與CD段是斜結合面處。

圖2 整體渦輪和渦輪內芯斜結合面實物圖

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]，模擬渦輪試樣結構如圖3所示。

圖3 模擬渦輪試樣結構示意

1.2 渦輪斜結合面同深度掃描成像原理

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

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生反射。基于該現象，可以根據是否存在斜結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行成像，來對其進行定位和定量。

若斜結合面不存在缺陷，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)。若斜結合面存在缺陷，曲面探頭接收到的回波信號除了直達波，還會存在缺陷反射回波(見圖5)。

圖4 斜結合面無缺陷超聲波傳播示意及A掃描顯示

圖5 斜結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

斜結合面的自動掃查成像檢測系統是由x軸、z軸、R軸組成的3軸運動系統。系統主要由相控陣發射接收系統、傳動控制系統、專用軟件成像檢測系統構成(見圖6)。相控陣發射接收系統利用相控陣超聲設備，控制相控陣探頭從渦輪頂部的中心發射超聲波，超聲波進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。軟件成像系統在得到探頭接收的超聲波數據之后，進行相應的算法處理，實現成像。

圖6 渦輪斜結合面同深度掃查成像系統結構框圖

2.1 超聲發射接收系統

超聲發射接收系統包括相控陣超聲、相控陣探頭、曲面探頭和相應的楔塊。檢測前需要對探頭的頻率、陣元數、陣元間距等參數進行計算。用脈沖反射法測得材料的聲速為5 980 m·s-1，根據探頭理論，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行仿真，發現采用16陣元或32陣元最合適；為不產生柵瓣，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

傳動控制系統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軸提供轉動的動力。x軸和z軸負責探頭位置的調整，R軸負責檢測過程中的勻速轉動。

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，給伺服電機驅動器提供運動信號，伺服電機驅動器控制伺服電機進行轉動。電機是滾珠絲杠和行星減速器提供直線和轉動的動力來源。在檢測過程中，R軸通過行星減速器提供的動力，帶動轉盤勻速往復正反轉動，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，該信號可作為觸發信號觸發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 信號同步系統連接示意

2.3 系統流程圖

硬件控制采用PC(個人計算機)作為上位機，上位機給PLC發送指令，然后PLC通過位置脈沖控制伺服電機及其驅動器，伺服電機給機械裝置提供動力，實現對被檢工件的轉動掃查。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。當被檢工件轉動時，同步電路板的射頻輸出端輸出脈沖信號進入設置為編碼器觸發模式的PA22X相控陣，相控陣控制換能器發射和接收超聲波，由此，系統完成超聲波發射接收與機械轉動的同步進行，最后數據經由PA22X傳遞給PC端進行數據處理，得到同深度渦輪的檢測成像圖，硬件系統運行流程如圖9所示。

圖9 系統硬件運行流程

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

圖10 數據采集及成像流程

3 試驗及結果

試驗采集A掃描有缺陷和無缺陷處的信號進行對比，缺陷出現時的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，當存在缺陷時，中間會出現缺陷反射波。

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，對其成像數據進行整合處理，得到最終成像結果如圖12所示。根據缺陷反射回波和直達波的聲程差可以對不同深度的缺陷進行定位。

由圖12(a)中幅值對應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。通過調整幅值顏色策略，原本中心部位出現亮藍色的會呈現紅色，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對當量最小為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 結語

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