飛機發動機葉片榫槽爬波原位檢測

謝小榮，江 濤，楊小林

（空軍第一航空學院 航空修理工程系，信陽 464000）

飛機發動機渦輪葉片和壓縮器葉片在高溫／高壓／高載荷復雜條件下工作，容易在葉邊、葉根、葉背以及葉榫處產生裂紋，是飛機日常無損檢測的重點對象。從安全和經濟上考慮，葉片不能經常拆卸，日常主要采用原位檢測方法。目前，在原位條件下對發動機葉片的葉邊、葉根、葉背可以采取渦流、超聲表面波或視頻孔探等手段檢查。但是對于葉片榫槽部位，由于其與輪盤齒嚙合，上述方法無法進行原位檢測。超聲爬波具有與其他聲波不同的傳播特性，適合飛機葉片榫槽的原位檢測。

1 檢測原理

爬波是超聲波以第一臨界角入射時，縱波發生全反射，沿表面下傳播的特殊模式超聲波。爬波傳播時大部分能量集中在表面，對表面缺陷十分敏感，卻對工件表面狀況和材料晶粒度不敏感［1－2］。近年來，隨著爬波理論研究的深入，爬波在焊接結構、粗晶材料、電力陶瓷和高溫合金材料無損檢測方面的應用取得了很大的成功［3－5］。

爬波在航空領域的應用和研究不多，文章嘗試利用爬波特性解決飛機葉片榫槽原位檢測問題。如圖1分別是葉片安裝位置和爬波原位檢測示意圖。可以看出，爬波原位檢測的探測面在葉背，爬波穿過葉榫到達榫槽，遇到缺陷和葉片端面即被反射，探傷儀熒光屏上會顯示出缺陷和端面波信號。如葉片榫槽處無裂紋，則儀器熒光屏上只有端面波而無缺陷波。筆者以前曾應用過瑞利表面波檢測葉片榫槽裂紋，但由于瑞利波會在榫齒處反射，裂紋又與榫齒太近，裂紋信號和榫齒回波很難分辨，檢測效果很不理想。爬波檢測不存在榫齒回波，因此很容易判斷是否有裂紋。

2 儀器、探頭選擇

選用DPT－1002數字超聲波探傷儀。選用該型儀器有兩個方面的考慮：一是該儀器體積小巧，僅重0.9kg，適合在狹小的飛機進氣道對葉片進行原位檢測；二是爬波衰減較快，傳播距離短，而DPT－1002探傷儀采用方波激勵技術，可以產生高強度爬波，保證檢測靈敏度。探頭的尺寸必須考慮原位檢測時葉片間隙的大小，以保證探頭能夠到達檢測區域。經過試驗篩選，結果表明，雙晶探頭較單探頭雜波少，5MHz頻率比2.5MHz檢測靈敏度高，最終選用晶片尺寸6mm×6mm的小尺寸5MHz雙晶爬波探頭，其前沿為10mm。

3 試塊

檢測最好使用帶有裂紋的飛機原始葉片作試塊，但是飛機葉片十分珍貴，因此設計制作模擬試塊來代替。模擬試塊采用20號優質碳素結構鋼，經測試，縱波、橫波、爬波在試塊與被檢葉片中聲速基本相同。模擬試塊形狀如圖2。

人工榫槽缺陷寬度為0.1mm，長度為2，5，8和10mm，深度分別為0.2，0.5，0.8和1.0mm，裂紋間隔10mm。試塊兩側分別留有20和30mm空間，方便進行無裂紋對比校正和避免出現邊角反射。

圖2 模擬葉片試塊形狀及參數

4 儀器調節和靈敏度確定

設置儀器各項參數，聲程范圍設為30mm；校準材料聲速、探頭延時、探頭K值。在有5mm長人工裂紋的模擬葉片試塊上進行調試，探頭前沿距葉根20mm。探頭對準無裂紋區時，儀器顯示始波和端面回波；探頭對準0.2mm深人工裂紋時，端面波前出現裂紋波，同時端面波減小。調節增益，使裂紋波高至40%，在裂紋波和端面波處設置進波報警閘門，閘門高度40%，確定檢測靈敏度。橫向移動探頭，分別掃查過0.5，0.8，1.0mm深的人工裂紋，顯示屏上裂紋波逐步增高，端面波逐步降低，甚至消失，儀器報警。測試所有試塊各條裂紋，制作不同長度下深度－振幅曲線，如圖3，方便以后工作中對發現的裂紋進行定量。

以目前儀器狀態離位檢測帶有原始榫槽裂紋的葉片進行驗證。試驗證明，該方法工藝能夠有效檢出裂紋，且靈敏度余量較大，如圖4（a）所示。存儲工藝，在進行飛機發動機葉片原位檢測時直接讀取該工藝即可，如圖4（b）所示。

圖4 現場檢測試驗

5 原位檢測

某型飛機發動機Ⅰ級壓縮器葉片榫槽曾出現幾起裂紋，裂紋都在榫槽中間部位，用上述方法對其進行原位檢測。攜帶手持式DPT－1002超聲儀鉆入發動機進氣道，用擦布將所有待查葉片擦干凈，特別是葉片背面。按前面所述放置好探頭，并用耦合劑耦合好，采用單面橫向掃查法，探頭前沿距葉根20mm。首先找到始波和葉片榫頭端部的反射回波（底波），并同時注意觀察閘門框位置。探頭沿榫頭橫向均勻移動，并作大約20°擺動，直到葉片掃查完畢。如儀器發生聲光報警，閘門框內有達到滿刻度40%以上的回波信號，表明此處有裂紋存在，如圖5所示，此時應重復掃查驗證。檢查完葉片后，移去探頭，將葉背上的耦合劑擦干凈，再用同樣的方法步驟繼續檢查另一葉片。每檢查完一臺發動機5個葉片后，再用模擬試塊校驗一次儀器靈敏度，若靈敏度仍然合格，該探傷有效，如果靈敏度降低到不合格要求，前5個葉片探傷無效，需要重新進行檢測。發現裂紋后，采用半波高度法先測量裂紋長度，再利用不同長度下深度－振幅曲線對裂紋深度進行定量。對最終懷疑有裂紋的，應脫下發動機分解該葉片，進行磁粉、滲透探傷復查，以復查結果為準。

6 結論與展望

通過對檢測結果的分析，可以得出以下結論：

（1）采用小尺寸高頻雙晶爬波探頭可以有效地對發動機葉片榫槽裂紋進行檢測。

（2）葉片榫槽有裂紋時，不僅會出現裂紋回波，而且端面回波高度還會減低，裂紋較大時端面回波甚至會消失。

（3）制作不同長度下深度－振幅曲線，有助于對裂紋進行定量。

由于爬波衰減大，傳播距離短等特性局限，目前在工業中應用不是很多，國內只是較多用于電力絕緣子檢測。其實爬波對于檢測某些焊縫以及一些難以檢測的零件部位有其獨到之處，隨著超聲檢測儀器技術不斷進步，相信爬波檢測技術將會有更廣闊的應用前景。

圖5 檢測波形對比

［1］樊利國，荊洪陽.爬波檢測及其應用［J］.無損檢測，2005，27（4）：212－216.

［2］江山，霍立興.表面及近表面裂紋的爬波無損檢測［J］.無損探傷，2005，29（3）：7－11.

［3］莫寧.超聲爬波試驗在運行瓷件探傷中的應用［J］.山西電力技術，2000，92（3）：21－22.

［4］徐連勇，荊洪陽.在役含缺陷棒形懸式瓷絕緣子的非破壞性可靠性評定［J］.天津大學學報，2006，39（10）：1258－1263.

［5］魏東斌，劉鳴娟.鎳基合金螺栓的超聲波檢測［J］.熱處理技術與裝備，2006，27（4）：56－58.