航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用分析

何嘉輝

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、葉片級(jí)數(shù)多而難以對(duì)裂紋等缺陷進(jìn)行檢測(cè)，最常用的傳統(tǒng)檢測(cè)方法如孔探法無(wú)法高效的對(duì)葉片表面進(jìn)行診斷，因此我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的無(wú)損檢測(cè)一直是行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。本文旨在驗(yàn)證超聲紅外熱成像技術(shù)是否適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋的檢測(cè)，通過(guò)采集受到超聲激勵(lì)后的材料表面的溫度變化，進(jìn)而對(duì)材料表面進(jìn)行初步的定損。結(jié)果證明，該技術(shù)可以準(zhǔn)確的采集到材料表面的熱成像圖并對(duì)裂紋等損傷進(jìn)行有效判定。

關(guān)鍵詞：無(wú)損檢測(cè);航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片;超聲紅外熱成像;損傷檢測(cè)

0 ?引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)動(dòng)力的核心，是體現(xiàn)飛機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)之一[1]。大多采用復(fù)雜型面葉片，在運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)闀?huì)受到應(yīng)力、離心力已于彎矩應(yīng)力的影響，所以容易生成疲勞裂紋、層間分離等損傷[2]。這種損傷會(huì)降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，給裝備帶來(lái)安全隱患，甚至?xí)l(fā)災(zāi)難。因此發(fā)展、使用高效的檢測(cè)技術(shù)是解決這類問(wèn)題的關(guān)鍵。

大部分應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)的方法主要有孔探法以及常規(guī)的檢測(cè)方法如磁粉、射線、渦流電磁法，其中孔探法是發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用最多的一種技術(shù)，這種技術(shù)檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)人力的要求很高，并且操作過(guò)程較為復(fù)雜且必須十分謹(jǐn)慎。常規(guī)的檢測(cè)方法對(duì)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)存在這一定的局限性[3]。近年來(lái)已出現(xiàn)一些高效的無(wú)損檢測(cè)方法如聲波/超聲波檢測(cè)、電磁超聲非線性檢測(cè)、相控陣檢測(cè)等已經(jīng)逐步應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的探傷。紅外熱成像技術(shù)亦是較為先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一，它主要是通過(guò)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)件表面的溫度變化進(jìn)行捕捉，利用紅外熱成像儀采集表面因溫度變化而產(chǎn)生的紅外信號(hào)檢測(cè)的。

紅外熱成像技術(shù)是用超聲波對(duì)工件表面積局部進(jìn)行激勵(lì)進(jìn)而進(jìn)行加熱，通過(guò)熱成像儀捕捉裂紋區(qū)域的局部紅外圖像。由于在固體器件中超聲波傳播速度快，所以從發(fā)出激勵(lì)信號(hào)到采集到反饋信號(hào)是極短時(shí)間的過(guò)程，又因?yàn)樯疃取⒘鸭y大小不同，紅外信號(hào)傳播到試件表面并得到反饋是隨著時(shí)間、裂紋規(guī)模變化的，最后經(jīng)過(guò)圖像處理可以對(duì)試件的裂紋進(jìn)行識(shí)別與定位。

1 ?檢測(cè)原理及方法概述

1.1 檢測(cè)原理概述

超聲紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)的原理是先將低頻高能的超聲波注入被測(cè)零件，被測(cè)零件會(huì)產(chǎn)生小幅的機(jī)械振動(dòng)，如果存在裂紋，那么由于裂紋兩側(cè)因震動(dòng)頻率不同（即出現(xiàn)相位差）而出現(xiàn)部分熱效應(yīng)（即摩擦生熱），導(dǎo)致局部的溫度升高表面產(chǎn)生的熱輻射也不同。之后利用熱成像儀對(duì)被測(cè)件表面溫度進(jìn)行捕捉生成零件表面的溫度分布圖，最后通過(guò)對(duì)溫度分布圖中的異常信號(hào)進(jìn)行分析從而得到裂紋的位置及尺寸。相比于其他成像技術(shù)，超聲紅外熱成像技術(shù)可以只對(duì)表面或者裂紋區(qū)域進(jìn)行加熱，對(duì)正常的結(jié)構(gòu)區(qū)域不加熱，這種方法可以增加裂紋檢測(cè)的可靠性，更有利于分析與判定，其檢測(cè)原理如圖1所示。

紅外熱成像檢測(cè)的原理采集就是因不同材料表面熱傳導(dǎo)不同而出現(xiàn)溫度差異的圖像并對(duì)其進(jìn)行甄別，因此我們可以通過(guò)熱傳導(dǎo)方程對(duì)其做出解釋，熱傳導(dǎo)方程如下：

由此可知，試件受到激勵(lì)之后會(huì)表面會(huì)發(fā)生溫度變化，在時(shí)間相同的情況下，試件表面的溫度T與待測(cè)件厚度（或者是裂紋的深度）成反比，即厚度（深度）越大，表面的溫度越低。為了達(dá)到可以完全顯現(xiàn)裂紋的目的，激勵(lì)的時(shí)間應(yīng)該越長(zhǎng)，因此為了使裂紋處溫差會(huì)達(dá)到最大便于觀察，應(yīng)該給予一定時(shí)間的激勵(lì)。從原理上分析可以通過(guò)激勵(lì)被測(cè)試件并采集試件表面溫度的變化來(lái)識(shí)別裂紋及缺陷。

1.2 檢測(cè)儀器介紹

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集處理、激勵(lì)發(fā)生器組成。目前完成的檢測(cè)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、紅外熱成像儀、超聲波發(fā)生器組成。其中計(jì)算機(jī)主要用于采集紅外熱成像圖并作為后期對(duì)結(jié)果處理的裝置，超聲波發(fā)生器主要包括超聲波激勵(lì)電源、激勵(lì)觸頭等。本實(shí)驗(yàn)采用紅外熱成像儀為德國(guó)InfraTecVarioCHD head 高清便攜式紅外熱成像儀，此設(shè)備可以高效率、精確的測(cè)量并分析被測(cè)試件表面的溫度變化。由于儀器設(shè)備不同，因此最后得到的檢測(cè)結(jié)果也會(huì)隨著紅外攝像儀的精度有所變化。數(shù)據(jù)采集與處理使用的是計(jì)算機(jī)與紅外軟件IRBIS3plus，可以在其控制界面改變參數(shù)改變采集的模式。

2 ?實(shí)驗(yàn)檢測(cè)及結(jié)果

由于不具備發(fā)動(dòng)機(jī)葉片作為檢測(cè)對(duì)象，因此選用其他替代試件作為待測(cè)件，最終通過(guò)分析結(jié)果判斷超聲紅外熱成像技術(shù)是否適用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋的檢測(cè)。

根據(jù)熱傳導(dǎo)定律可知，當(dāng)材料表面溫度分布不均勻時(shí)，材料表面熱輻射不均勻，因此最終采集到的熱溫度圖可以清晰顯示裂紋形狀及位置。本次實(shí)驗(yàn)采用3mm與4mm厚CFRP（碳纖維板）板作為待測(cè)材料，為了驗(yàn)證是否可行，需要對(duì)CFRP板進(jìn)行人為（破壞）。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置采集的頻率為30Hz，采集幀數(shù)的熱圖為1000幀。激勵(lì)時(shí)長(zhǎng)分別為3s和4s，最后采集熱圖像序列。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裂紋熱成像出現(xiàn)的過(guò)程為逐漸變小，即大部分缺陷最先出現(xiàn)且最容易出現(xiàn)，少部分逐漸出現(xiàn)并且缺陷逐漸完整化。缺陷熱成像圖見圖2和圖3。

圖2、圖3中顯示的是首次能夠清晰觀察到全部的裂紋缺陷之后的幀數(shù)圖，出現(xiàn)的時(shí)間分別為：第124幀時(shí)3mm厚試件可以全部顯示;第197幀時(shí)4mm厚試件可以全部顯示。從圖2、圖3中可以清晰發(fā)現(xiàn)裂紋、缺陷所在位置，并且在4mm厚裂紋熱像圖中，可以觀察到裂紋缺陷因深度不同而出現(xiàn)的深色區(qū)域顏色不同的現(xiàn)象。之后經(jīng)過(guò)Blob提取統(tǒng)計(jì)二值圖中的像素值并計(jì)算面積，可以得到缺陷區(qū)域的大小及其產(chǎn)生的熱效應(yīng)。具體見表1。

從最后的檢測(cè)結(jié)果可以看出，超聲紅外熱成像檢測(cè)應(yīng)用于表面結(jié)構(gòu)缺陷、裂紋探測(cè)是可行的，盡管具體的面積提取仍然存在一定的誤差，但是對(duì)于定量檢測(cè)葉片裂紋大小或者識(shí)別葉片是否有損傷依舊具有一定的參考價(jià)值。

3 ?結(jié)語(yǔ)

部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)由于具有多級(jí)葉片，在檢測(cè)葉片是否受損時(shí)難度較高、精確性要求較高，因此傳統(tǒng)的葉片檢測(cè)對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋與缺陷的檢測(cè)存在一定的局限性。本文通過(guò)應(yīng)用超聲紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)特殊材料表面熱像圖驗(yàn)證該方法是否具備檢測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜葉片結(jié)構(gòu)的能力并最終通過(guò)分析結(jié)果確定該方法可以應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

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