基于CIVA的覆有涂層葉片渦流檢測仿真與POD分析

張海兵，王世濤，單柏榮

（1. 海軍航空大學青島校區，青島 266041；2. 中國人民解放軍31002部隊，北京 100076）

航空發動機是航空航天裝備的關鍵部件，其性能的好壞直接影響飛機的性能，而影響其質量的關鍵因素之一就是航空發動機葉片的質量。航空發動機葉片在服役過程中長期因高壓、高速、高溫、潮濕氣流沖蝕可能發生腐蝕、疲勞裂紋等損傷[1-2]，嚴重影響了航空發動機的性能、壽命及可靠性，對于飛行安全也是較大的威脅，對其進行快速且準確無損檢測與評估對保障航空發動機安全可靠意義重大[3-4]。

渦流檢測是一種常用于航空發動機葉片缺陷檢測的重要方法，利用電磁感應原理能夠有效檢測出導電、導磁材料中表面和近表面的缺陷，具有檢測成本低、檢測速度快、無需耦合和對環境無污染等優點，易于實現對航空發動機葉片裂紋缺陷的自動化快速檢測[5]。在國內外眾多文獻中，渦流檢測方法也常常作為有效的檢測方法應用在葉片或其他金屬零件的檢測中。航空發動機葉片在制造中通常在其部件表面涂覆防腐涂層、耐磨涂層等以延長發動機壽命[6-7]，對于覆有涂層的葉片使用渦流檢測方法是否有效、可靠仍未知，需要進行研究。

因此本文模擬某型發動機葉片的典型疲勞裂紋損傷，運用CIVA仿真技術進行渦流檢測仿真試驗，并進行缺陷檢出率（Probability of detection，POD）分析，以驗證渦流檢測技術在覆有涂層葉片缺陷檢測中的可行性與可靠性。

1 覆有涂層葉片檢測仿真試驗

以某型發動機低壓一級壓氣機葉片為例，該葉片表面覆有低溫滲鋁加硅酸鹽復合涂層。滲鋁層對葉片基體提供犧牲陽極保護，硅酸鹽涂層為障礙性隔離保護涂層，從工藝技術角度來看，它是由化學熱處理深層和表面涂層相結合的復合防護層，具有很高的防腐蝕能力。

在葉尖位置設計一個長為5mm的疲勞裂紋缺陷，缺陷深度分別為0.2mm、0.4mm、0.8mm、1.2mm和2mm。考慮葉片表面覆有涂層，涂層厚度范圍20～60μm，仿真試驗中設置涂層厚度為60μm，基體材料為鈦合金。探頭設置為正交旋轉激勵磁場渦流傳感器，通過仿真得到缺陷深度分別為0.2mm、0.4mm、0.8mm、1.2mm、2mm時缺陷的信號幅值和相位，同時通過調整探頭頻率來對比不同缺陷時的幅值和同一缺陷不同探頭檢測的結果。仿真結果如表1所示。

由表1和圖1可以看出，隨著檢測頻率增大，缺陷的信號幅值也在增加。由于仿真中未考慮渦流檢測中趨膚效應影響，因此，在缺陷深度增加到一定程度時，缺陷幅值將不會繼續增加。由此可見，在仿真檢測中涂層的存在并不影響渦流檢測方法的實施。由于葉片本身比較薄，一般不超過2mm，即使是穿透性的裂紋，深度最大為2mm，而且在役的發動機葉片裂紋一般位于葉片的表面。因此在實際檢測中，為了提高葉片的表面檢測靈敏度，一般會選用相對較高的檢測頻率，在實際的檢測中選用2MHz。

圖1 信號幅值隨檢測頻率變化趨勢Fig.1 Trend graph of signal amplitude with detection frequency

表1 不同缺陷在不同頻率下的信號幅值對比Table 1 Comparison of signal amplitudes of defects at different frequencies

為探明涂層對渦流檢測中缺陷幅值與檢測參數對應關系的影響，本文對比研究了檢測頻率范圍1.3～2MHz內不同頻率下不同缺陷的幅值與相位對比以及相同缺陷不同頻率下缺陷的幅值與相位，典型的對比圖像如圖2和3所示。經對比研究，在1.3～2MHz范圍內，不同大小的缺陷幅值、相位均有不同程度的變化，頻率越高，不同缺陷的相位區別越大，較大缺陷的信號幅值較高。這種現象對于分辨葉片上多個缺陷以及缺陷的定量帶來了方便，也進一步說明了涂層對于缺陷幅值與檢測參數對應關系的影響并不存在。

圖2中紅色實線是0.2mm缺陷的幅值，藍色是0.4mm缺陷的幅值，綠色是0.8mm缺陷的幅值，紅色虛線是1.2mm缺陷的幅值，黑色是2.0mm缺陷的幅值。

圖2 不同頻率下不同缺陷的幅值對比Fig.2 Comparison of amplitude of defects at different frequencies

圖3中紅色實線是1.3m探頭下的幅值，藍色實線是1.4m探頭下的幅值，綠色線是1.5m探頭下的幅值，紅色虛線是1.7m探頭下的幅值，藍色虛線是1.9m探頭下的幅值，黑色線是2m探頭下的幅值。

圖3 不同深度缺陷時幅值比較Fig.3 Comparison of amplitude when different defect depths

2 POD分析

POD分析中運用了數值模擬的方法，即用數值模擬代替試驗過程來對可靠性進行分析。在渦流檢測POD仿真中，按照上文檢測參數進行設置，將檢測過程中的不確定因素添加到計算模型中，利用模擬試塊和反射體產生的信號來生成POD[8]。在渦流檢測中，缺陷的深度是直接影響檢測幅值的參數，所以將其定位特征參量。而葉片表面的涂層在涂覆過程中是難以精確控制的，會是在某個范圍內變化的，所以本次仿真中將涂層厚度定為不確定量。分別用頻率為1.3MHz、1.4MHz、1.5MHz、1.7MHz、1.9MHz、2.0MHz的探頭在20～60μm范圍內做涂層厚度檢測，以涂層厚度60μm、缺陷深度分別為0.1mm和0.2mm的幅值信號為參考基準，找到能保證缺陷檢出率在90%以上的缺陷的深度。典型POD曲線如圖4所示。

圖4 頻率為2.0MHz時的POD曲線Fig.4 POD curve at 2.0MHz

經POD分析可得，當涂層厚度在0.02～0.06mm范圍內，以涂層厚度0.025mm，0.1mm缺陷的幅值為參考，在頻率為1.3MHz、1.4MHz、1.5MHz、1.7MHz、1.9MHz、2.0MHz時，保證缺陷的檢出率在90%以上需要缺陷高度分別為0.165mm、0.173mm、0.181mm、0.195mm、0.211mm、 0.22mm。以涂層厚度0.06mm、0.2mm缺陷的幅值為參考，在頻率為1.3MHz、1.4MHz、1.5MHz、1.7MHz、1.9MHz、2.0MHz時，保證缺陷的檢出率在90%以上需要缺陷高度分別為0.865mm、0.907mm、0.95mm、1.042mm、1.15mm、 1.212mm。可以看出，涂層厚度的變化對渦流檢測結果具有一定的影響。一般來講，涂層厚度越大，同一尺寸的缺陷檢出率越低，這是由于渦流提離效應導致的。利用ANSYS有限元分析法分析渦流提離效應與涂層厚度的關系，同時分析不同頻率條件下線圈阻抗值隨著涂層厚度變化而變化的規律，可以得出隨著提離距離的增加，線圈的阻抗值逐漸向線圈空載時的阻抗值點逼近，即檢測線圈的電阻值逐漸減小，檢測線圈的電抗值逐漸增大。

另外，由于趨膚效應的存在，較高的檢測頻率導致渦流的滲透深度減小，反而不利于帶有涂層的葉片損傷檢測[9]。

趨膚效應的大小以滲透深度來描述，即電流密度減小到表面電流密度的37%時的深度[10]。

其中，μr為相對磁導率；σ為電導率（1/Ω·m）；δ為滲透深度（m）；f為頻率（Hz）。

由上式表明滲透深度是與頻率平方根成反比，愈大愈小。

結合上文的仿真分析，如果使用2.0MHz作為檢測頻率，必須解決檢測覆有涂層葉片時渦流滲透深度的問題。建議在渦流傳感器設計制作中，盡量增加激勵線圈和測量線圈匝數，可以增大渦流信號的強度，并使得滲透深度同步增加。

3 結論

本文以表面涂覆有涂層的航空發動機葉片為研究對象，運用CIVA軟件進行渦流檢測仿真試驗，以不同的頻率和多種缺陷尺寸進行仿真，分別研究了缺陷深度、探頭頻率等方面的變化對缺陷信號的影響，驗證涂層對渦流檢測可行性的影響。運用數值模擬的方法，以缺陷深度為特征參量，涂層厚度為不確定量，進行POD分析，并研究渦流提離效應和趨膚效應對檢測可靠性的影響及對策，進一步驗證了渦流檢測技術在覆有涂層葉片缺陷檢測中的可行性與可靠性。