大客發動機渦輪后機匣射線檢測工藝及工裝試驗

莊志強，陳 琛，李玉龍，王 森，姜 煒，錢月林

（1.上海材料研究所，上海 200437；2.中航商用航空發動機有限責任公司，上海 200240）

國外航空發動機大型機匣鑄件的X 射線檢測，具備完善的檢測標準、成熟的檢測技術和檢測經驗［1－4］。

我國研制的航空發動機渦輪后機匣（圖1）由鎳基合金澆注而成。從結構上來看，機匣結構復雜，具有外形尺寸大、最小壁厚小、變壁厚、多轉折、空心等特點；在澆注凝固過程中，鑄件內部容易產生氣孔、夾雜、縮孔、疏松、裂紋等缺陷；表面容易產生澆注不足、冷隔、留痕等缺陷。

圖1 渦輪后機匣示意

為了保證機匣鑄件的內部和表面質量，筆者用X 射線檢測方法進行檢測試驗，設計了專用的檢測工裝，實現多角度照射，排除檢測盲區；分析了包括透照區域劃分、透照方式、透照布置、透照參數及膠片選擇等在內的各項射線檢測工藝。提出的針對機匣的專用X 射線檢測方法，可提供評估機匣鑄件的冶金質量、缺陷尺寸、缺陷位置等原始數據；并對缺陷進行評定，保證機匣的長壽命及高可靠性意義重大。

1 機匣的質量要求

（1）100%檢測，不允許存在檢測盲區。

（2）在任何情況下，最厚和最薄截面處的射線照相靈敏度水平至少要達到2%。

（3）像質計的材料成分與被檢機匣相同或與機匣具有相同的吸收特性。當現場使用的射線檢測像質計不可用或材料厚度低于像質計的厚度范圍時，也可采用不同類型的像質計，這時應使用等效因子（可在相關資料上查得）進行換算。換算方法如下：用鎳基合金相對于其他金屬或合金的等效因子乘以X 射線檢測部位厚度得到鎳基合金相當于其他合金的等效厚度，再用看到的最細像質計絲徑除以等效厚度再乘以百分之一百就得到射線檢測靈敏度。

2 機匣射線檢測的難點

（1）結構復雜。機匣由整體精密鑄造而成，具有截面多變，轉角多的特點。

（2）厚度多變。機匣壁厚最薄處為2.5mm，最厚處為30mm。

（3）輪廓外形尺寸大。

根據以上機匣外形結構的特點，射線檢測存在的難點主要是：透照區域的劃分、透照方式、透照布置（貼片、透照角度、散射線屏蔽）、透照參數（電壓、焦距）的選擇等。

3 機匣透照區域的劃分

機匣外形結構復雜，正確劃分透照區域非常關鍵。因為正確劃分透照區域不僅可以保證射線底片質量及100%檢測，還可以通過減少透照次數來提高檢測效率。

此機匣由空心支板（14個）、內環、外環分流環、法蘭、吊耳、安裝吊耳、出氣孔等組成，將這些部位按照結構和厚度進行分區，共分為11個區（A～H 區、J～L區），再將每個分區劃分為若干個小區（一次透照的有效范圍），然后根據各區自身結構特點，確定透照參數及布片，該鑄件共需透照約498次。

4 膠片的選擇

此機匣部分部位截面多變，厚度多變。由于不可能分別針對不同厚度進行多次透照，試驗使用雙膠片技術，選用感光度不同的膠片（AgfaD4、D7）同時進行透照；為了保證影像質量，試驗選用細顆粒膠片（AgfaD4）。這樣既得到了較高的影像對比度，又具有適當的寬容度，提高了檢測效率。

5 透照方式

5.1 單壁透照

①外環（A 區）。②法蘭（外環大端B區）。③內環轉接區外（C 區）。④內環（D 區）。⑤內環轉接區內（D 區）。⑥法蘭（內環斜面E 區）。⑦D 面凸臺（F區）。⑧法蘭（外環小端G 區）。⑨吊耳（H區）。⑩出氣孔臺階（J區）。○1 安裝吊耳法蘭（K區）。○12 法蘭（內環法蘭L區）。

5.2 雙壁透照

支板（C區）：由于機匣支板的結構特點，在透照時需進行雙壁透照，相對來說雙壁透照的底片質量較差，但最主要的問題在于缺陷定位困難，此次試驗通過改變射線源、被檢部位和底片的相對位置，來確定缺陷所在的位置，以便返修和工藝改進。即，主要通過檢測工裝改變機匣的空間位置，從而改變射線源的透照角度，使缺陷投影發生變化，再結合前面拍攝的底片對比，判斷出缺陷位于雙壁的上壁還是下壁。

6 散射線的防護

在射線檢測中，散射線的屏蔽是重要的，特別是結構復雜、厚度變化大的工件，如不屏蔽或屏蔽不好，到達膠片的散射線過多，會造成底片的有效評定區減小、對比度降低，使靈敏度嚴重下降。

散射線主要來自于透照工件本身及靠近工件背面與周圍的物體，分為前散射、背散射、邊蝕散射。由于機匣屬于復雜構件、厚度變化大，射線透照時產生的這些散射線很強，因此在每次透照過程中，都必須注意散射線的防護問題，解決措施為：①機匣非透照區域，用鉛板進行屏蔽。特別是透照部位有厚度差的邊緣或有內孔，要用多層薄鉛板、鉛泥塞緊或包緊，以防止邊蝕現象造成有效檢測范圍的縮小和靈敏度的降低。②膠片暗袋背面加鉛板屏蔽，以防止透照部位背面及周圍部位產生的散射線造成對比度和靈敏度的降低。③每個分區進行第一次透照時，背散射利用“B”鉛字標記進行驗證。

由于散射線主要來自于透照工件本身及靠近膠片的工件結構，采取①和②措施，可以使機匣本身非透照部位不與一次射線作用，從而不產生低能量的散射線；機匣中的較薄部位的射線也不會向較厚部位散射，因此可以極大地降低射線散射比及邊蝕現象，保證膠片的靈敏度，并采取③措施驗證①和②措施的實際效果，若底片上出現鉛字“B”的較亮影像，此底片作廢；若此鉛字“B”影像較暗或不可見，表明背散射線屏蔽良好，則底片合格。

7 機匣的檢測工裝

鑒于機匣外廓大且結構復雜，人工對透照焦距和透照角度，不能保證參數的一致性，對X 射線透照靈敏度和缺陷的有效檢測有較大影響。為了保證能重復實現機匣、膠片、X 射線管之間的相對位置和透照角度，需要采用一定的機械手段去控制。此次試驗為機匣特制了專門的檢測工裝，如圖2所示，使用特制工裝使試驗操作更為便捷、省力、高效，在對不同部位檢測時，可準確控制所檢部位的位置，大大提高了試驗的重復性和一致性，檢測工裝使用結構如圖3所示。

圖2 特制檢測工裝

機械轉臺上的三爪卡盤為被檢機匣的夾持部位，三爪卡盤通過兩組蝸輪蝸桿結構而設置在機械轉臺上，通過旋轉傾斜手輪帶動蝸輪蝸桿，使固定在蝸輪上的轉軸旋轉，從而使三爪卡盤繞轉軸旋轉，實現三爪卡盤繞轉軸在水平和垂直方向之間轉動，即實現三爪卡盤的傾斜；通過旋轉手輪帶動另一組蝸輪蝸桿，使固定在該蝸輪上的轉軸旋轉，從而使三爪卡盤繞該轉軸360°旋轉，實現三抓卡盤的360°旋轉，通過三爪卡盤傾斜及360°旋轉來調整被檢機匣的最佳檢測工位；升降機構可以調節上平臺的高度，進而調節被檢機匣的曝光距離和透照角度，找到射線檢測的最佳透照工藝。通過轉向輪來移動裝置，調整光源與被檢機匣之間的距離，確保透照部位與光源之間的距離為標準焦距，完美匹配射線透照工藝。

圖3 檢測工裝使用垂直、傾斜、水平放置圖

8 機匣最佳透照參數試驗

下面僅以A 區（壁厚3.5mm）為例，說明優選射線檢測工藝參數的試驗。

由于A 區面大、壁厚均勻，但較薄，考慮幾何不清晰度、透照厚度比K≤1.1（一次透照有效范圍）和黑度在1.5～4.0范圍（最佳黑度2.0），焦距選擇700mm，幾何不清晰度遠小于規定要求，則：

式中：F為焦點尺寸；f為焦距；d為壁厚。

同時，機匣A 區外徑1 400mm、壁厚3.5mm，在焦距700mm 時，也可以使一次透照有效范圍較大，提高照相效率）；根據射線檢測儀GE160曝光曲線圖，曝光量選擇25 mA·min（電流10 mA、時間2.5min），電壓選擇85、95、105kV，膠片選擇Agfa D2、D4、D7，對以下不同射線檢測透照工藝進行比較。透照后，經相同的暗室條件下處理，分別測量得到各底片的黑度和靈敏度如表1所示。

表1 A區不同射線檢測透照工藝和結果

由測得結果知：

（1）電壓取85kV 時，D2、D4、D7 膠片雖然靈敏度都達到要求（≤2%），但黑度都低于1.5，不滿足最低黑度要求，可以增加曝光量，但會降低效率。

（2）電壓取95kV 時，D2、D4、D7 膠片靈敏度都達到要求（≤2%），黑度都高于1.5，D2 黑度最低，低于最佳黑度（2.0），D7黑度最高，高于最佳黑度，D5黑度居中，在最佳黑度附近。

（3）電壓取105kV 時，D2、D4、D7膠片雖然靈敏度都達到要求（≤2%），但黑度都偏大（2.5 以上），遠大于最佳黑度。

比較以上結果，依據在保證穿透情況下，電壓越低越好（有利于提高底片的對比度）的原則，再綜合考慮照相效率、靈敏度、成本，要求曝光時間較短，成本低，黑度適中，靈敏度滿足要求，最終選擇了最佳射線檢測透照工藝，工藝參數為：壁厚3.5 mm，焦距700mm，電壓95kV，電流10mA，時間2.5min，膠片D4，顯影5min，定影15min，黑度不小于2.0，像質數（鋁）14＃，靈敏度0.32%。

9 結語

通過試驗，最終確定了渦輪后機匣X 射線檢測的最佳檢測工藝。在工藝確定后按照工藝對整個渦輪后機匣進行了100%檢測，檢測的498張底片都達到了機匣的質量要求，能夠準確識別機匣鑄件的內部缺陷，保證機匣使用的可靠性，為機匣后續檢測的研究提供基礎。

［1］ASTM E747 用于射線照相的絲型透度計的設計、制造和材料、組類標準［S］.

［2］ASTM E2104先進航空和渦輪材料及部件射線照相檢驗規程［S］.

［3］ASTM E999 工業射線照相膠片處理質量指南［S］.

［4］ASTM E1254 射線底片和射線膠片的保存指南［S］.