某型發動機導向器葉片熒光滲透檢測研究

田家洋 孫莎莎 李玫 王濤

摘要：某型發動機二級渦輪導向器葉片軸頸斷裂故障多發，造成發動機機件打傷。為提高零件熒光滲透檢測故障檢出準確率，通過對344臺次葉片檢測原始情況進行統計，并對各臺次發動機葉片檢測報廢情況與其總工作時間、修理次數、送探時間、一次送探數量等因素進行統計分析，以確定斷裂故障檢測環節可能造成漏探的原因，制定有效改進措施，對保障葉片修理質量具有重要作用。

關鍵詞：導向器葉片；熒光滲透檢測；裂紋；高溫合金

Keywords：nozzle guide vane；fluorescent penetrant inspection；crack；high temperature alloy

0 引言

某型發動機試車后檢查時發現渦輪葉片多處打傷，壓氣機及發動機其他部位檢查未見異常。對該發動機分解檢查，發現31號二級渦輪導向器葉片（材料為GH4033）軸頸斷裂，斷裂軸頸及其固定螺母掉落后造成發動機機件打傷。該葉片修理中經過熒光滲透檢測，判定存在漏檢的可能。為保證葉片熒光滲透檢測質量，需準確查找檢測環節可能存在的問題，制定可行的改進和預防措施。

因該發動機修理后僅經過試車驗證，但歷史上出現過同類故障且故障多發，為達到提高故障檢出準確率的目的，統計了344臺次葉片檢測原始情況并進行總結分析，確定熒光滲透檢測環節可能造成漏探的原因。

1 探傷故障統計分析

葉片的探傷方法為自乳化水洗型熒光滲透檢測，干法顯像。該發動機修理時熒光滲透檢測發現1片葉片裂紋，已報廢。為掌握熒光滲透探傷結果的準確性及可靠性，分別對5個時間段（時間段A、B、 C、D、E，間隔時間相等）葉片熒光滲透檢測發現的故障進行統計、分析。

經統計，5個時間段內檢測該型發動機葉片344臺次，其中277臺次熒光滲透檢測無裂紋報廢，64臺次葉片檢測發現裂紋報廢，占總送探臺數的18.6%，葉片報廢數量共計189片。對各臺次葉片報廢情況與其總工作時間、修理次數、送探時間、一次送探數量等因素進行統計分析，統計數據可作為總體趨勢判定的參考。

1.1 總工作時間不同探傷出現故障的變化趨勢

在總工作時間不同的情況下，葉片故障數量與發動機總工作時間統計如表1所示，變化對比如圖1至圖4所示。

隨著發動機總工作時間的增加，葉片送探臺次呈逐步減少趨勢，葉片熒光滲透檢測報廢臺次呈逐步上升趨勢。工作時間在1200～1500h的發動機送探數量最少，占送探臺數的18.9%，有報廢件的臺次占比最高，占有報廢件總臺次的40.6%，報廢機件數量占比也最高，占總報廢數量的37.6%；工作時間在900～1200h及600～900h的發動機有報廢件臺次及報廢數量次之；工作時間在600h以內的有報廢件臺次及報廢數量最少。

從檢測有報廢件臺次數量的累計占比看，總工作時間在1200～1500h及900～1200h的葉片檢測發現裂紋報廢數量較大，分別為40.6%及34.4%，占總報廢數量的75%。從送探臺次數量累計占比看，總工作時間在600h、900～1200h及600～900h的葉片送檢數量較大，分別為30.5%、27.6%、23%，占送探總數量的81%。

1.2 修理次數不同探傷出現故障的變化趨勢

在總修理次數不同的情況下，葉片的故障數量與發動機總工作時間對比變化如表2所示。

發動機修理次數為2次及3次的葉片熒光滲透檢測有報廢件占比較大，占總臺次報廢量的75%，其中修理次數為2次的占42.2%，修理次數為3次的占32.8%；葉片報廢數量占比也較大，分別為31.2%和32.3%。

結論：修理次數與工作時間基本呈正比關系，修理次數越多其工作時間也越長。該數據也證明熒光滲透檢測可靠性較高，檢測結果與實際使用壽命情況相符。

1.3 探傷時間段不同出現故障的變化趨勢

時間段A內送探66臺，報廢臺次為24臺，葉片報廢數量為65片，占比較大，幾個時間段內報廢量呈逐步下降趨勢。5個時間段內該型發動機大修零翻及一翻數量分別為27臺次、41臺次、36臺次、23臺次及50臺次；兩翻及以上數量分別為39臺次、23臺次、36臺次、23臺次和21臺次，分別占各時間段內總臺數的59.1%、35.9%、50%、50%和29.6%。

結論：除時間段A外，各時間段葉片報廢的臺數占比基本持平，因時間段A內大修的發動機總量占比較高，達到59.1%，報廢葉片臺數和數量均比較大，一方面印證了總工作時間和修理次數與葉片報廢數量呈正比，另一方面也不排除時間段A之前外場出現葉片斷裂故障后工作者為了加強檢查而對部分葉片有過判的可能。

1.4 葉片送探數量不同探傷出現故障的變化趨勢

344臺次葉片中，329臺次葉片送探數量為56片，12臺次葉片送探數量少于56片，3臺次葉片未送探。這12臺發動機中出現裂紋報廢問題發動機共計7臺，占總送探臺數58.3%，而329臺送探發動機出現裂紋占比17.3%。從占比分布來看，未滿臺送探葉片報廢占比相較滿臺送探發動機報廢占比量大。

結論：由于葉片探傷前的目視故檢能剔除部分不合格的機件，對于故檢工序有報廢數量的發動機，其機件整體使用狀態不佳，探傷工序報廢數量也會增加，因此需重點關注未滿臺送探發動機葉片探傷檢測情況。

1.5 因探傷人員變化發現故障的變化趨勢

為分析探傷工作者對探傷結果判定的影響，現分別統計341臺發動機人員探傷情況。由數據統計分析結果來看，10名探傷工作者判定結果差異較大，探傷報廢臺數占比從6.2%到47.7%。

結論：滲透檢測的成功很大程度上依賴于檢測人員每一個工藝步驟的完成質量和他們對檢測結果的正確判斷和解釋。探傷檢測工作者對產品故障判別標準把控與掌握的技能不完全一致，故障的判斷最終需要人的判斷，個體認知、技能乃至經驗的不同都會影響到故障結論判定。對于難以判定的故障，人員的放行標準出現了偏差。把關不嚴的探傷人員有可能會將帶缺陷的廢品當成正品放行通過，而過于保守的探傷人員不僅不接受帶有缺陷的產品，也不允許“偽顯示”產品。因此，探傷過程中如何保證機件不漏探、不過判仍是需要研究解決的問題。技術人員應以產品探傷過程為牽引，重點關注各操作者探傷質量的把控，尤其是對探傷產品變更、新上崗人員技能業務不穩定等的風險管控。

1.6 探傷發現故障部位與機件斷裂位置統計分析

在探傷發現故障葉片的64臺發動機中，有35臺記錄了裂紋故障部位，為葉片安裝軸頸的R處和螺紋根部，并且R處居多。

為進一步驗證故障發生的部位，對近期熒光滲透檢測報廢的葉片進行復查。對9臺次25件報廢葉片重新進行熒光滲透檢測，其中軸頸R處裂紋16片，螺紋處裂紋2件，R處和螺紋均有裂紋6件，進氣邊裂紋1件。

選取2片葉片R處有裂紋顯像的葉片及1片故障機螺紋處有裂紋的葉片進行金相分析，經分析確認為微小裂紋，如圖5所示。為進一步驗證已探傷報廢的葉片和本次故障機葉片，反工序檢查軸頸R處熒光顯示是否有過度判別的情況，對20件軸頸R處顯像的葉片進行打磨排除，再次進行熒光探傷檢查，軸頸R處裂紋顯像均存在，打磨前后熒光顯示如圖6所示（圖中列舉了3片葉片，其中打磨前顯示嚴重1片，顯示較輕2片），打磨后熒光顯示更為明顯，且裂紋長度較打磨前更長。因GH4033二級導向器葉片沿軸頸處分布的細微裂紋在高溫工作狀態下表面氧化形成復雜的氧化物堵塞部分裂紋，使得熒光滲透液不能較好滲透進入裂紋處，故打磨后裂紋顯示更為明顯。對R處裂紋顯像較輕的葉片在體式放大鏡下觀察，裂紋形態不明顯。

從金相分析圖可以看出，滲透檢測有熒光顯示的3片葉片金相分析時均顯示為疲勞裂紋，探傷結果可靠性較高。葉片螺紋牙底裂紋較軸頸R處裂紋更為明顯，裂紋開口更寬，多為單條分散型；R處裂紋深度僅為0.103mm，開口更加細小，僅約為幾微米，故R處裂紋熒光顯像較細，易出現不連續線狀顯示，螺紋處裂紋顯示較明顯且為多條密集型和單條分散型。

1.7 材料對探傷檢測的影響分析

渦輪導向器葉片是渦輪發動機上受熱沖擊最大的零件之一，由于它是靜止的，所受的機械負荷并不大，但由于受到應力引起的扭曲、溫度劇烈變化引起的裂紋以及發動機振動形成非正常高應力作用萌生的裂紋影響，使葉片在工作中經常出現故障。鎳—鉻基高溫合金GH4033熱軋棒材常溫下拉伸性能為945～1088MPa，常溫下屈服強度590MPa，700℃下的抗拉強度685MPa，該合金無缺口敏感性。由于材料的特性，在葉片R處產生的裂紋熒光顯像通常較為輕微，且部分顯示不連續，在葉片螺紋處因為熒光液不易被清洗掉，螺紋處檢測易造成偽顯示，檢測難度大。

2 分析結論

造成某型發動機二級渦輪導向器31號葉片軸頸螺紋斷裂的原因為疲勞斷裂。因葉片軸頸螺紋處使用后假顯示缺陷較多，理論上熒光滲透檢測應關注預清洗和滲透液去除環節，預清洗不到位易造成表面裂紋被遮蓋，滲透液去除不當易造成過洗或清洗不凈，影響探傷質量。因此，該故障的發生原因可能為滲透檢測工藝控制不當所致。一方面是探傷質量過程控制不到位，存在漏檢的可能，另一方面是操作人員認知和技能經驗的差異，對螺紋類較難判定的工件可能存在誤判。

3 采取措施

3.1 設置熒光滲透檢測重點控制手段

為驗證二級渦輪導向器葉片軸徑熒光滲透檢測結果的準確性，提高檢測結果的可靠性，采取兩人檢測，互相驗證檢測結果。

3.2 對操作人員進行技術技能培訓

滲透檢測技術方面，操作人員應清楚在什么位置觀察缺陷顯示、如何解釋各種缺陷顯示、正確判斷缺陷顯示以及判斷某工件用某方法探傷質量的可靠性。

從問題查處和反工序檢查的過程可知，雖然葉片軸頸螺紋處的微小裂紋受產品結構、操作過程、人員認知、經驗等客觀因素的影響，操作人員的個體存在差異，但也同時反映出部分操作人員技能水平不足，尤其對出現質量問題的機件判別的尺度波動較大，因此人的因素依然是過程控制的重點難題。操作人員必須能夠清晰辨認相關顯示，而且能夠區分假顯示和非相關顯示，這種技能一方面依靠不斷實踐和經驗總結來獲得，另一方面需要不定期對操作人員進行技術培訓及崗位練兵，提高人員操作技能。

4 結束語

1）葉片的缺陷多數集中在軸頸部位，為分散型和密集型裂紋。

2）葉片進行水洗型熒光滲透探傷時，葉片螺紋處位置較關鍵，檢測的難點在于質量過程控制的把握及對裂紋處的分析與判斷，應嚴格按工藝要求操作。

3）檢測過程中，注意葉片螺紋處相關顯示的重復性，如果重復性較好，以顯示為主。

4）對總工作時間長、修理次數多及非正常數量送探的葉片應重點檢查，做出客觀、準確的評判。

參考文獻

[1]林猷文，任學冬.滲透檢測[M].北京：機械工業出版社，2015.

[2] GJB2367A-2005 滲透檢驗[S].

[3]美國無損檢測學會.美國無損檢測手冊[M].上海：世界圖書出版公司. 1994.

作者簡介

田家洋，高級工程師，從事航空維修無損檢測技術管理工作。

孫莎莎，助理工程師，從事航空維修無損檢測技術工作。

李玫，高級工程師，從事航空維修無損檢測技術工作。

王濤，技師，從事航空維修無損檢測操作工作。