航空發(fā)動機(jī)盤花鍵超聲檢測研究

摘要：在使用過程中，發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)盤在使用過程中可能在花鍵根部產(chǎn)生裂紋，。為了保障發(fā)動機(jī)的使用安全，在對其進(jìn)行故障檢測或者修理時，需要對其高壓盤花鍵向凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑進(jìn)行超聲波檢測，而。高壓壓氣機(jī)盤服役階段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無加工余量，盤花鍵寬度僅8 mm左右，操作空間受限，超聲檢測實(shí)施困難。因此，通過通過對盤花鍵凹槽過度轉(zhuǎn)接半徑處的超聲檢測對比試塊的設(shè)計(jì)與制作、超聲檢測探頭的設(shè)計(jì)與制作、檢測試驗(yàn)與驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了高壓盤花鍵向凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑的超聲波檢測。

關(guān)鍵詞：高壓壓氣機(jī)盤" 花鍵" 超聲檢測"" 對比試塊" 探頭

Research for on Ultrasonic TestingInspection oOf Aviation Engine Disc Splines

Yang YANG Zhao"" LIi Ling" Shen SHEN Shuxi

（AVICAECC Aerospace Technology Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， China，610503 China ）

Abstract： During the use of high-pressure compressor disc of the engine ， which cracks "may occur at the root of the spline. In order to ensure the use safety of the engine， ultrasonic testinginspection is required for the transition radius "（spline to the groove ）of the high-pressure disc spline to the groove during fault detectioninspection or repair. The structureHowever， during the service stage of the high-pressure compressor disc is complex， the structure is complex， there iswith no machining allowance， and the width of the disc spline is only about 8mm.， which limits tThe operating space is limited， and makes ultrasonic testinginspection is difficult to implement. Therefore， throughFocuses on "the design and production of ultrasonic testinginspection reference blocksreference blocks at the transition radius of the disc spline to groove， the design and production of ultrasonic testinginspection probes， testinginspection and verification of the transition radius from the disc spline groove to the groove， the ultrasonic testing of the transition radius from the high-pressure disc spline to the groove has been achieved， realized ultrasonic inspection of the transition radius （spline to the groove） of the high-pressure disc.

Key Ww Words： Hhigh-pressure compressor disc; Spline; Ultrasonic inspectiontesting; Reference "block; Probe

壓氣機(jī)盤作為是發(fā)動機(jī)中高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵組件，。某型發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)盤與高壓壓氣機(jī)軸通過矩形內(nèi)花鍵連接，負(fù)責(zé)傳遞大扭矩。然而，花鍵根部可能出現(xiàn)裂紋，這可能對發(fā)動機(jī)的安全性構(gòu)成重大威脅。因此，為了確保其質(zhì)量，該發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)盤在故檢、修理階段，該發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)盤除了要使用熒光滲透檢測的方法確定其是否有表面開口裂紋外，還需要使用超聲檢測的手段，確定其花鍵向凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑處是否有裂紋^[1-2]。考慮到高壓壓氣機(jī)盤在修理過程中已達(dá)到成品尺寸，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且無加工余量，盤花鍵寬度大約為8 mm，操作空間受限。，超聲對比試塊難以更好地模擬實(shí)際盤件；加之超聲檢測區(qū)域位于花鍵向凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑處，常規(guī)超聲檢測探頭難以適用，這使得超聲檢測的實(shí)施面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，本文針對盤花鍵向凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑處的超聲檢測技術(shù)進(jìn)行了深入分析、試驗(yàn)與驗(yàn)證^[3-4]。

[1]"[2]"1" 航空發(fā)動機(jī)盤花鍵超聲檢測的總體思路[3]"[4]

通過分析高壓Ⅰ～Ⅺ級盤的結(jié)構(gòu)以及、被檢區(qū)域盤花鍵向凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑處的尺寸等關(guān)鍵因素，從兩個技術(shù)方向著手進(jìn)行解決：一是設(shè)計(jì)制作能夠模擬實(shí)際盤件待檢區(qū)域的超聲對比試塊，二是開發(fā)超聲檢測探頭及檢測工藝。在設(shè)計(jì)制作專用超聲對比試塊時，為了充分考慮其代表性，綜合考慮了零件超聲檢測方案、對比試塊的外形尺寸，以及、人工孔的形式、尺寸、位置與以及所處區(qū)域。此外，還從檢測用探頭的涉及范圍、聲束入射方向等方面開發(fā)了超聲檢測工藝，有效解決了盤花鍵向凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑處檢測區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間受限、無余量、檢測困難的問題^[5]。

2" 航空發(fā)動機(jī)盤花鍵超聲檢測的詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容[5]"[6]

2.1超聲檢測對比試塊的設(shè)計(jì)與制作

為保證超聲檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性與、可重復(fù)性、可比性，必須用一個具有已知固定特性的試塊對檢測系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。超聲檢測用試塊通常分為兩類：標(biāo)準(zhǔn)試塊（校準(zhǔn)試塊）和對比試塊（參考試塊），其中，。對比試塊是以特定方法檢測特定試件時所用的試塊^[1]。

在針對加工制造過程中盤鍛件的超聲檢測方面，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)一般規(guī)定采用成套的平底孔距離波幅試塊作為調(diào)節(jié)檢測靈敏度的基準(zhǔn)。然而，由于加工制造過程中的盤鍛件結(jié)構(gòu)相對簡單，而成品盤結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，被檢區(qū)域花鍵向凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑處位置特殊且無加工余量，某高壓IV級盤內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。因此，需要制作特定的超聲對比試塊，以模擬實(shí)際盤花鍵凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑處的裂紋。盤花鍵結(jié)構(gòu)與及裂紋示意圖如圖2所示。

為了使對比試塊的設(shè)計(jì)更具針對性并制作出適用的超聲對比試塊，首先分析了期望該超聲對比試塊能夠發(fā)揮的作用，主要包括以下幾點(diǎn)。（1）利用超聲對比試塊調(diào)節(jié)超聲檢測設(shè)備的狀態(tài)，確保檢測靈敏度足以發(fā)現(xiàn)要求尺寸與取向的缺陷，并將檢出的不連續(xù)信號與試塊中已知反射體產(chǎn)生的信號進(jìn)行比較，以判斷缺陷的大小^[6]。（2）對比試塊應(yīng)能有效模擬實(shí)際被檢零件，對比試塊上預(yù)置的人工缺陷區(qū)域應(yīng)能較好地模擬被檢花鍵向凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑周邊的結(jié)構(gòu)。（3）預(yù)置的人工缺陷應(yīng)能準(zhǔn)確模擬被檢花鍵向凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑處的裂紋，如圖2中的7所示。

[7]"[8]"為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，綜合考慮盤花鍵超聲檢測過程中的結(jié)構(gòu)特征與尺寸參數(shù)，以及裂紋可能出現(xiàn)的區(qū)域，盤花鍵超聲對比試塊的設(shè)計(jì)主要基于3個核心方面：超聲檢測方案、對比試塊的外形尺寸，以及人工孔的形狀、尺寸、布局和所在區(qū)域。

本文開發(fā)了一種適用于高壓壓氣機(jī)盤花鍵凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑部位的超聲檢測對比試塊及其檢測方法。該方法結(jié)合了高壓Ⅰ～Ⅺ級盤花鍵的結(jié)構(gòu)和尺寸特點(diǎn)，并對人工缺陷的尺寸和位置進(jìn)行了精確限定，確保對比試塊能夠有效模擬高壓Ⅰ～Ⅺ級盤花鍵凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑部位可能出現(xiàn)的裂紋。這一方式有效解決了超聲對比試塊在模擬實(shí)際零件及其檢測區(qū)域方面的問題。

2.1.1 對比試塊上人工孔的形式和尺寸設(shè)計(jì)

鑒于花鍵可能產(chǎn)生裂紋缺陷，本文提出主要采用平底孔來模擬盤花鍵凹槽過度轉(zhuǎn)接半徑處的裂紋。在對比試塊上預(yù)先設(shè)置孔徑為Φ1±0.05 mm、深度為2±0.05 mm的平底孔作為參考孔，同時增加刻槽型缺陷，以進(jìn)行檢測靈敏度和檢測能力的驗(yàn)證。

2.2.2 對比試塊的外形、人工孔位置與材料確定

為確保能夠更好地模擬待檢測結(jié)構(gòu)及其相關(guān)區(qū)域，針對對比試塊的外形尺寸提出了兩項(xiàng)設(shè)計(jì)方案。第一種方案涉及使用真實(shí)的待檢盤件，在盤花鍵凹槽的過渡轉(zhuǎn)接半徑處加工出平底孔和槽，共加工3個平底孔和1個槽，具體如圖3所示。第二種方案包括對盤件的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料與潛在裂紋位置進(jìn)行深入分析，并據(jù)此設(shè)計(jì)制作了由TC6和1Cr11Ni2W2MoV材料制成的對比試塊。這些試塊預(yù)置了人工缺陷，即平底孔。鑒于盤花鍵所在直徑為Φ151.2 mm，對比試塊上同樣設(shè)置了一個Φ151.2 mm的弧度，并在該圓弧附近配置了一個孔徑為Φ1±0.05 mm、深度為2±0.05 mm的平底孔，具體如圖4所示。[9]"[10]

2.2超聲檢測探頭設(shè)計(jì)

爬波亦稱作“縱向頭波”或“表面下縱波”，是在工件表面下一定深度內(nèi)介于橫波與表面縱波之間傳播的峰值波。其產(chǎn)生原理可參見圖5所示。爬波主瓣的角度大約為80°，幾乎垂直于工件的厚度方向，與工件中垂直方向的裂紋呈近似90°，因此對垂直性裂紋具有極高的檢測靈敏度。

針對盤花鍵可能出現(xiàn)的缺陷位置、盤花鍵的寬度（約8 mm）與爬波產(chǎn)生的原理，本文設(shè)計(jì)并制作了超聲波探頭。經(jīng)過多次設(shè)計(jì)與制作，最終比較了各個探頭的性能，選定圖6所示的爬波雙晶聚焦探頭作為盤花鍵超聲檢測的專用探頭。

2.3盤花鍵凹槽過度轉(zhuǎn)接半徑處超聲檢測方案

運(yùn)用爬波雙晶聚焦盤花鍵專用探頭，在超聲對比試塊2上調(diào)整檢測靈敏度，直至平底孔的最高反射波幅達(dá)到80%的滿刻度高度；同時在超聲對比試塊1上進(jìn)行驗(yàn)證，確保超聲對比試塊1上的平底孔和槽均能被有效探測，以此作為檢測靈敏度的基準(zhǔn)。

在檢測靈敏度調(diào)整完成后，對盤花鍵進(jìn)行檢測。首先，將爬波雙晶聚焦探頭定位在圖2所示的花鍵槽內(nèi)的位置3，即花鍵槽一側(cè)的端頭，隨后移動探頭至花鍵槽的另一端，以完成對位置3一側(cè)盤花鍵凹槽過度轉(zhuǎn)接半徑處的超聲檢測。其次，調(diào)整探頭方向，將爬波雙晶聚焦探頭重新定位在圖2所示的花鍵槽內(nèi)的位置5，即花鍵槽另一側(cè)的端尾，再次移動探頭至花鍵槽的另一端，以實(shí)現(xiàn)對位置5一側(cè)盤花鍵凹槽過度轉(zhuǎn)接半徑處的超聲檢測。依此類推，完成每個花鍵凹槽過度轉(zhuǎn)接半徑處的超聲檢測[11]"[12]"。

2.4實(shí)施效果

2.4.1 實(shí)際盤花鍵超聲檢測效果

結(jié)合使用CTS-2020型號的超聲波檢測儀與5MHz爬波雙晶聚焦盤花鍵專用探頭，對超聲對比試塊1的平底孔和槽進(jìn)行測試，其結(jié)果詳見表1。

2.4.2 實(shí)際盤花鍵超聲檢測效果

結(jié)合使用CTS-9006型號的超聲波檢測儀與爬波雙晶聚焦盤花鍵專用探頭，對實(shí)際盤花鍵執(zhí)行超聲波檢測。首先，采用超聲波對比試塊2進(jìn)行檢測靈敏度的調(diào)整，直至平底孔的反射波幅達(dá)到80%的滿刻度高度，如圖9所示。其次，利用超聲波對比試塊1[15]"[16]"進(jìn)行驗(yàn)證，以確保在該檢測靈敏度下平底孔和槽均能被有效探測。最后，對盤件進(jìn)行超聲波檢測，檢測效果如圖9所示。通過對比圖9與圖10，可以觀察到檢測靈敏度和信噪比均表現(xiàn)良好，若存在缺陷，將能夠被清晰地顯示并準(zhǔn)確識別。

4結(jié)論語

本文通過設(shè)計(jì)制作特定的超聲波對比試塊和探頭，并通過一系列的試驗(yàn)與探索，成功實(shí)現(xiàn)了對高壓盤花鍵向凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑的超聲波檢測。在此過程中，得出了以下結(jié)論。

（1）針對高壓壓氣機(jī)盤花鍵凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑處的超聲波檢測，本文設(shè)計(jì)的對比試塊綜合考慮了高壓Ⅰ～Ⅺ級盤花鍵的結(jié)構(gòu)與尺寸特點(diǎn)。通過對平底孔的尺寸和位置進(jìn)行精確限定，該對比試塊能夠有效模擬高壓Ⅰ～Ⅺ級盤花鍵凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑處可能出現(xiàn)的裂紋，進(jìn)而確立了超聲波檢測的靈敏度。

（2）采用頻率為5 MHz、尺寸約為8 mm的專用超聲波爬波探頭，可以有效地對花鍵凹槽過渡轉(zhuǎn)接半徑進(jìn)行超聲波檢測。

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