高溫合金閉式葉輪的工業(yè)CT檢測(cè)

呂 健，滿月娥，劉 濤，謝先文，王朋旭，盧艷平

(1.中國(guó)航發(fā)集團(tuán)南方航空工業(yè)集團(tuán)有限公司，株洲 412002;2.重慶真測(cè)科技股份有限公司，重慶 401332；3.重慶大學(xué) 工業(yè)CT無損檢測(cè)教育部工程研究中心，重慶 400044)

在發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金葉輪位于燃燒室和導(dǎo)向器之后，葉片工作于高溫腐蝕性的燃?xì)猸h(huán)境中，需承受極高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。為了降低葉輪的制造成本和避免榫頭裝配應(yīng)力的產(chǎn)生，小型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用軸向和徑向整體鑄造葉輪[1]。由于葉輪工作在高溫、高沖擊的環(huán)境下，容易發(fā)生蠕變斷裂，所以葉輪的鑄造質(zhì)量檢驗(yàn)就成了重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

某型整體鑄造的高溫合金閉式葉輪(含低壓離心葉輪和高壓閉式葉輪)采用的均為多層、薄壁、曲面流道的內(nèi)腔與較大直徑軸頸相連的整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)(見圖1)。

圖1 葉輪結(jié)構(gòu)示意

圖2 薄區(qū)常規(guī)X射線檢測(cè)的透照方案

1 問題分析

1.1 現(xiàn)有檢測(cè)工藝

對(duì)于葉輪的薄區(qū)，可利用常規(guī)電壓450 kV的X射線保證葉輪薄區(qū)的有效檢測(cè)覆蓋，具體可選擇的透照方案示意如圖2所示。由圖2可見，通過選擇不同透照角度，可以盡可能地避免厚大區(qū)域的遮擋，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄區(qū)的檢測(cè)。即，通過垂直、水平、傾斜45°和傾斜10°等方向透照，能夠?qū)Ρ^(qū)進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 存在的問題

在結(jié)構(gòu)上，由于葉輪采用三重、曲面的疊加結(jié)構(gòu)，不僅變截面區(qū)域較多，且葉輪心部厚大，最大厚度超過80 mm(見圖3)，因此，采用常規(guī)的無損檢測(cè)手段無法實(shí)施有效檢測(cè)，對(duì)于X射線檢測(cè)，其葉輪心部的厚大區(qū)域采用電壓450 kV及以下的X光機(jī)無法穿透，其內(nèi)部質(zhì)量無法檢測(cè)。

圖3 葉輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

1.3 解決方案

通過分析葉輪的鑄造工藝及工藝缺陷特征，結(jié)合現(xiàn)有成熟無損檢測(cè)手段的技術(shù)特點(diǎn)和葉輪的檢測(cè)厚度范圍，確認(rèn)上述葉輪厚大區(qū)域內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，宜采用高能X射線工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)檢測(cè)技術(shù)來實(shí)施。

2 高能X射線工業(yè)CT檢測(cè)

2.1 CT成像原理

當(dāng)X射線穿過某種物質(zhì)并與其相互作用后，射線強(qiáng)度將被吸收而產(chǎn)生衰減。考慮一般性，設(shè)物質(zhì)是非均勻的，作用斷面上的衰減系數(shù)分布為μ(x,y)。當(dāng)射線沿某一路徑l穿透物體時(shí)，其強(qiáng)度由I0衰減為I，射線衰減模型如圖4所示。

圖4 X射線衰減模型

那么其間的關(guān)系可由比爾定律確定，如式(1)所示。

(1)

由式(1)可得

(2)

式(2)表明，射線路徑l上衰減系數(shù)μ(x,y)的線積分等于射線入射強(qiáng)度I0與出射強(qiáng)度I之比的自然對(duì)數(shù)。I0和I可由探測(cè)器測(cè)得，則可算出路徑l上衰減系數(shù)的線積分。

丹麥數(shù)學(xué)家雷當(dāng)(RADON J)的研究工作為CT技術(shù)建立了數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，他從數(shù)學(xué)上證明：在一個(gè)無限薄的切片內(nèi)，相對(duì)線性衰減系數(shù)的分布由其所有線積分集合確定[2-3]，即

ysinθ-q,θ)dθdq

(3)

式中:ml(l,θ)為m(l,θ)關(guān)于l的偏微分；q為原點(diǎn)到投影線(射線路徑)l的距離;q為投影線l與x軸正半軸間的夾角，即旋轉(zhuǎn)角度。

可見，已知一個(gè)二維分布函數(shù)的所有線積分，則能求得該二維分布函數(shù)。

當(dāng)X射線從不同方向和位置穿過該物體斷面，對(duì)應(yīng)的所有路徑上的衰減系數(shù)積分值均可按式(3)求出，從而得到一個(gè)線積分集合。通過這個(gè)集合可精確確定該物質(zhì)面的衰減系數(shù)二維分布。因?yàn)槲镔|(zhì)的衰減系數(shù)與物質(zhì)的質(zhì)量密度呈近似線性關(guān)系，故衰減系數(shù)的二維分布也可近似體現(xiàn)為密度的二維分布，由此轉(zhuǎn)換成的斷面圖像能夠展現(xiàn)其結(jié)構(gòu)關(guān)系和物質(zhì)組成。

CT能在不破壞被測(cè)物體的情況下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準(zhǔn)確、直觀地展示被檢測(cè)物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成、材料及缺損狀況等[4]。與數(shù)字射線、X射線照相等射線檢測(cè)方式不同，工業(yè)CT獲取到的是二維斷層或三維立體的圖像，而不是重疊的圖像。高精度的CT圖像，能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)出被檢對(duì)象內(nèi)部的空間位置、形貌、尺寸、密度等信息[5]。

2.2 檢測(cè)設(shè)備

檢測(cè)采用的設(shè)備為9 MeV高能X射線工業(yè)CT系統(tǒng)，由電子直線加速器X射線源、探測(cè)與采集傳輸、機(jī)械、控制、圖像重建處理、安全防護(hù)與報(bào)警等子系統(tǒng)組成。

電子直線加速器X射線源子系統(tǒng)用于產(chǎn)生高能X射線；探測(cè)與采集傳輸子系統(tǒng)將X射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)行濾波、放大等處理，再通過A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后輸送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理；機(jī)械子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為加速器機(jī)頭、探測(cè)與采集子系統(tǒng)、工件提供載體，并提供掃描所需的各種高精度運(yùn)動(dòng)；控制子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的指揮中心，完成成像所需的各種運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢自診斷、狀態(tài)監(jiān)控、安全保護(hù)、數(shù)據(jù)采集同步等功能；功能圖像重建處理子系統(tǒng)對(duì)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、校正、處理、顯示出掃描的圖像，并提供各種定性和定量分析工具，幫助操作人員對(duì)掃描工件的特征和品質(zhì)進(jìn)行分析和判斷；安全防護(hù)與報(bào)警子系統(tǒng)采用安全聯(lián)鎖、聲光報(bào)警、攝像監(jiān)控等措施，以保證現(xiàn)場(chǎng)人員的安全。

2.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)校驗(yàn)

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29069-2012 《無損檢測(cè) 工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)系統(tǒng)性能測(cè)試方法》和GB/T 29067-2012 《無損檢測(cè) 工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)圖像測(cè)量方法》對(duì)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)進(jìn)行校驗(yàn)。

實(shí)際校驗(yàn)后，系統(tǒng)空間分辨達(dá)到2.5 lp·mm-1(調(diào)制度10.71%)，密度分辨率達(dá)到0.3%，尺寸測(cè)量精度達(dá)到0.05 mm，密度測(cè)量精度達(dá)到1.0%，均達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)稱技術(shù)指標(biāo)。

2.4 檢測(cè)工藝參數(shù)選擇

(1) 掃描方式。閉式葉輪的最大回轉(zhuǎn)直徑不超過400 mm，因此采用三代CT掃描方式。

(2) 射線源參數(shù)。對(duì)于電子直線加速器，在能量一定時(shí)，增加其出束頻率可提高射線強(qiáng)度，增強(qiáng)信噪比。加速器出束頻率設(shè)為200 Hz。

(3) 切片厚度。切片厚度越小，越有利于提高縱向分辨率，增強(qiáng)未貫通切片異物的缺陷檢出靈敏度，但會(huì)降低信噪比和密度分辨能力；切片厚度越大，越有利于提高信噪比、改善密度分辨能力，但會(huì)降低縱向分辨率。切片厚度并非越大或越小最好，而需根據(jù)具體情況綜合確定，此處切片厚度選定為1.0 mm。

(4) 圖像矩陣

要在CT圖像上分辨φ0.25 mm的氣孔，則缺陷至少應(yīng)約占1～4個(gè)像素，故圖像矩陣設(shè)定為2 048像素×2 048像素。

2.5 檢出能力驗(yàn)證

為了模擬工件實(shí)際檢測(cè)條件下的缺陷分辨能力，特選用實(shí)際工件，在其上厚區(qū)和薄區(qū)部位分別制作直徑為0.5，1.0 mm的人工孔缺陷。圖5為試件厚大區(qū)域的人工孔檢出情況，圖6為葉片區(qū)域的人工孔檢出情況。

圖5 試件厚大區(qū)域人工孔CT檢測(cè)圖像

圖6 葉片區(qū)域人工孔CT檢測(cè)圖像

2.6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對(duì)檢測(cè)工件掃描結(jié)果的分析，9 MeV高能X射線工業(yè)CT系統(tǒng)能清晰分辨出工件中φ0.5,φ1.0 mm的人工孔缺陷。

3 實(shí)際工件檢測(cè)

在上述試驗(yàn)條件下，采用該設(shè)備對(duì)實(shí)際工件進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了其中的氣孔、縮孔等缺陷，如圖7所示。通過CT切片圖像及圖像軟件測(cè)量功能，可以準(zhǔn)確定位缺陷在壁上所處的深度位置。

圖7 葉輪實(shí)際缺陷CT圖像

4 結(jié)論

針對(duì)高溫合金閉式葉輪厚大區(qū)域的檢測(cè)，高能X射線工業(yè)CT系統(tǒng)具有穿透力強(qiáng)、檢測(cè)精度高、缺陷定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，能有效分辨出直徑0.5 mm及以上的氣孔、縮孔等缺陷，并且能準(zhǔn)確給出其位置信息，對(duì)于保障發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵核心部件的質(zhì)量具有重要作用。