航空發動機渦輪葉片近表面缺陷的渦流檢測

謝建紅，袁阿琳，吳莎莎，劉思沛，唐啟亞，蔡紅梅

(中國航發南方工業有限公司，株洲 412000)

渦輪葉片是航空發動機的關鍵部件之一，其質量可靠性直接關乎飛行員的生命安全[1-3]，因此在葉片生產制造過程中會采取多種無損檢測手段來保證其產品質量。一般的，采用射線檢測方法檢測夾渣等內部體積型缺陷[4]，采用熒光滲透檢測方法檢測疏松等表面開口缺陷[5]。某型航空發動機動力渦輪葉片為精鑄件，鑄造工藝復雜，葉片的排氣邊產生了近表面冷隔缺陷(其試車后熒光滲透檢測顯示，見圖1)，生產制造階段的熒光滲透檢測和射線檢測均未能將其檢出，后續試車時在高溫、高壓以及交變載荷作用下，該缺陷開口暴露，影響了發動機的出廠交付。因此，為避免帶有該類型缺陷的葉片流入裝試環節，造成重復試車，增加生產制造成本，研究渦輪工作葉片排氣邊近表面冷隔缺陷的早期診斷方法是十分必要的。

圖1 排氣邊近表面冷隔缺陷的熒光顯示

渦流檢測作為一種重要的無損檢測方法，對導電工件中的表面及近表面線性缺陷具有很高的檢測靈敏度[6]。文章根據渦輪工作葉片排氣邊近表面冷隔缺陷的實際檢測需求，提出采用渦流檢測方法，設計了一種適用于葉片排氣邊檢測的渦流探頭，給出了葉片排氣邊缺陷的評價方法。經工程應用，驗證了該探頭具有可操作性好、穩定性強、靈敏度高等特點，可檢出葉片排氣邊近表面的冷隔缺陷。

1 葉片渦流檢測探頭的研制

對葉片排氣邊進行渦流檢測時，邊緣效應是最大的影響因素，通常采用制作限位工裝固定探頭掃查路徑的方法來消除邊緣效應對檢測結果的影響。為此，采用常規放置式渦流探頭配上限位工裝(見圖2)的方法，可一定程度地消除邊緣效應的影響，但是該方法很難保證檢測過程中的耦合一致性，重復性差，不易操作，不適于工程應用。

圖2 配限位工裝的常規渦流探頭

基于對這些問題的考慮，結合葉片排氣邊的結構特點，設計了一種7字型葉片排氣邊渦流檢測專用探頭(以下簡稱專用探頭，見圖3)。為提高檢測靈敏度，減少曲率變化帶來的干擾信號的影響，采用了非屏蔽差動式線圈，線圈由兩個半圓形線圈組成，直徑約為1.8 mm，位于探頭中部轉角邊緣處。為防止線圈損壞及線圈與排氣邊相對檢測位置發生變化，保證檢測結果的可靠性，并延長探頭的使用壽命，在線圈兩側及轉角處鑲嵌高強度陶瓷體，實際檢測時還可在探頭與葉片耦合面上粘貼特氟龍膠帶，膠帶粘貼應平整，不允許存在褶皺，發現膠帶磨損時應立即更換，并重新在對比試樣上進行靈敏度校驗。

圖3 渦流檢測專用探頭

2 信號分析與識別

考慮到目標缺陷位于葉片排氣邊的近表面，為了能夠有效檢出該缺陷，渦流的有效滲透深度應不小于葉片排氣邊的厚度。葉片材料為K403，其相對磁導率μr≈1，測得葉片的電導率σ為0.679 3 MS·m-1，排氣邊厚度約為1 mm，根據標準渦流穿透深度公式可算得激勵頻率的最大值為2.5 MHz。文章選取激勵頻率為1.6 MHz，調節參數將提離信號調至水平方向，對比試樣上人工刻槽缺陷的渦流檢測信號如圖4所示。

圖4 人工刻槽缺陷的渦流檢測信號

為節省制造成本，渦流檢測工序應安排在毛坯階段，檢測區域難免會有一些影響缺陷檢測的本底噪聲(即干擾信號)，因此需要對檢測發現的異常信號進行分析，以識別缺陷信號。經過實踐發現，有異常信號時，分別從葉盆、葉背兩面再進行檢測，對比葉盆信號和葉背信號，以及兩者與人工缺陷信號和提離信號的差異，再結合目視檢查，可有效檢出葉片排氣邊的近表面冷隔缺陷。

圖5 1#，2#樣件的渦流檢測異常信號

圖6 目視檢測發現的缺陷

1#，2#樣件的渦流檢測異常信號如圖5所示。由目視檢測發現，出現異常信號的部位存在如圖6所示缺陷引起的本底噪聲。分析認為，當樣件上有凹坑，且正好位于探頭正下方時，相當于增加了提離距離，檢測信號相位與提離信號相位基本相同；當凹坑位于探頭另一側正下方時，則相當于檢測內壁腐蝕坑，檢測信號與提離信號之間會有相位差；當樣件上有缺口時，從任意一側檢測缺口均相當于檢測表面缺陷，葉盆、葉背兩面的檢測信號與提離信號之間均會有相位差。為進一步驗證該分析的正確性，在葉片排氣邊渦流檢測區域內制作了凹坑、缺口，對其進行渦流檢測，由檢測信號判定檢測發現的異常信號是否為本底噪聲引起的非缺陷信號。

3#，4#樣件的渦流檢測異常信號如圖7所示，分析可知，異常信號相位與提離信號相位有明顯夾角，且與人工缺陷信號相位基本相同，目視檢查未發現凹坑、缺口等可能形成異常信號本底噪聲的缺陷，因此判定該異常信號為缺陷信號。

圖7 3#，4#樣件的渦流檢測異常信號

3 比對驗證

為驗證以上檢測結果的準確性，對樣件出現異常信號的位置分別進行熒光滲透檢測、射線檢測和金相剖切，其中，3#，4#樣件的金相結果如圖8所示。經熒光滲透和射線檢測后，標識位置均未發現任何缺陷。對標識位置進行取樣、制樣和腐蝕后觀察，在1#，2#樣件上未發現任何缺陷，3#，4#樣件上有如圖8所示的鑄造冷隔。因此，可判定渦流檢測的結果正確有效。

圖8 3#,4#樣件的金相結果

4 結語

設計研制的渦流檢測專用探頭可以很好地滿足渦輪葉片排氣邊近表面冷隔缺陷的工程檢測需求，現已推廣應用于多型發動機渦輪工作葉片排氣邊的渦流檢測。不過隨著航機任務的逐年遞增，產品質量要求的日益提高，自動化檢測是必然趨勢，另外該探頭僅能用于檢測渦輪葉片排氣邊上的缺陷，且受探頭尺寸限制，靠近葉片緣板兩端存在約5 mm的盲區，因此還需開展渦輪葉片自動渦流檢測技術研究，以擴大檢測范圍，減小檢測盲區。