吳慶輝，許劍偉，方 向，駱宇時(shí)

(北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100095)

單晶空心渦輪葉片壁厚測(cè)量方法比較

吳慶輝，許劍偉，方 向，駱宇時(shí)

(北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100095)

通過(guò)對(duì)空心渦輪葉片超聲測(cè)厚法和工業(yè)CT測(cè)厚法工作原理和測(cè)厚過(guò)程的對(duì)比分析，分別采用超聲檢測(cè)和工業(yè)CT兩種方法對(duì)DD6合金單晶空心葉片典型位置的壁厚進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果與葉片剖切后卡尺直接測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：對(duì)于DD6合金的單晶葉片，工業(yè)CT檢測(cè)法測(cè)得的壁厚數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度略高于超聲檢測(cè)法，但差別不明顯;工業(yè)CT檢測(cè)法更便于檢測(cè)結(jié)果的追溯，超聲檢測(cè)法檢測(cè)效率更高。

單晶空心葉片; 壁厚; 超聲; 工業(yè)CT

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最核心的零件之一，其需要在高于1 000 ℃的溫度下工作。為了提高渦輪葉片的承溫能力，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片大都采用了薄壁空心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并將內(nèi)腔作為氣冷通道以實(shí)現(xiàn)葉片的復(fù)合氣冷。壁厚是空心渦輪葉片重要的幾何尺寸指標(biāo)，直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的安全和壽命，因此壁厚檢測(cè)一直是渦輪葉片尺寸檢測(cè)方法研究的熱點(diǎn)。以往有關(guān)壁厚測(cè)量的文獻(xiàn)報(bào)道中，多數(shù)研究對(duì)象是各向同性的等軸晶組織或定向組織的渦輪葉片，對(duì)于各向異性的單晶合金渦輪葉片壁厚測(cè)量方法尚缺乏系統(tǒng)的研究。另外對(duì)于常用的不同壁厚測(cè)量方法，其測(cè)量準(zhǔn)確性如何，也需要開(kāi)展相關(guān)的對(duì)比研究。

筆者通過(guò)對(duì)空心渦輪葉片壁厚超聲測(cè)量法和工業(yè)CT測(cè)量法工作原理和測(cè)量過(guò)程的對(duì)比分析，分別采用超聲檢測(cè)和工業(yè)CT兩種方法對(duì)DD6合金單晶空心葉片典型位置的壁厚進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果與葉片剖切后卡尺直接測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 測(cè)量原理和特點(diǎn)對(duì)比

1.1 超聲測(cè)厚法 超聲測(cè)厚法全稱為超聲脈沖回波測(cè)厚法[1]，通常脈沖回波超聲檢測(cè)的過(guò)程是：由超聲檢測(cè)儀(亦稱超聲波探傷儀)產(chǎn)生脈沖電信號(hào)，輸入到換能器(或探頭)上，激勵(lì)換能器的壓電晶片發(fā)射脈沖超聲波；超聲波透射(或折射)進(jìn)入被檢材料或工件中，經(jīng)過(guò)反射或衍射等傳播變化，最終又被換能器的壓電晶片所接收，再轉(zhuǎn)成電信號(hào)，輸送回超聲波探傷儀并顯示出來(lái)[2]。

采用超聲脈沖回波法測(cè)量厚度時(shí)，厚度是聲速與超聲在材料中傳播往返時(shí)間一半的乘積。

(1)

式中：T為厚度；v為聲速；t為材料中超聲傳播往返時(shí)間。

被檢材料的聲速是材料物理特性的函數(shù)，通常假定材料聲速是一常數(shù)，其近似值能從標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7522-2004《無(wú)損檢測(cè)材料超聲速度測(cè)量方法》表B1中查到，也可以根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定。t為采用超聲脈沖回波儀器測(cè)量出的超聲波脈沖通過(guò)被檢件的傳播時(shí)間。

1.2 工業(yè)CT測(cè)厚法

工業(yè)CT技術(shù)是一種在不破壞被檢測(cè)物體的情況下，生成物體橫截面圖像的射線檢測(cè)方法。其基本原理是：當(dāng)一束薄的扇形射線束(X射線或γ射線)穿過(guò)被檢測(cè)物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生衰減，而衰減的射線強(qiáng)度與物體的線衰減系數(shù)μ有關(guān)；探測(cè)器從不同角度采集穿過(guò)物體的射線信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)，用數(shù)學(xué)重建方法計(jì)算出射線“切割”物體橫截面衰減系數(shù)的點(diǎn)陣，轉(zhuǎn)換成一幅橫截面圖像[3]。工業(yè)CT成像原理示意如圖1所示。

圖1 工業(yè)CT成像原理示意

圖2 壁厚測(cè)量CT值曲線示意

壁厚測(cè)量的CT值曲線大致如圖2所示的形狀。此時(shí)采取的壁厚測(cè)量方法為“半高法”，即選取波形曲線上CT值峰值的一半處的兩個(gè)點(diǎn)A1和A2，通過(guò)計(jì)算A1、A2間的像素?cái)?shù)量間距從而得到對(duì)應(yīng)的空間距離，即為測(cè)量的壁厚數(shù)據(jù)。圖2為壁厚測(cè)量CT值曲線示意[4]。

2 測(cè)量結(jié)果及誤差分析

2.1 測(cè)量過(guò)程及結(jié)果 選取一種典型結(jié)構(gòu)的DD6合金單晶空心渦輪葉片中的截面作為研究對(duì)象，葉片檢測(cè)截面輪廓如圖3所示，選取典型位置K1、K2、K3、K4作為壁厚檢測(cè)點(diǎn)。檢測(cè)樣本數(shù)為15件，分別采用超聲法和工業(yè)CT法對(duì)中截面不同曲率K1、K2、K3、K4位置的壁厚進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)。測(cè)量完成后，沿截面線將被測(cè)葉片橫切，再用卡尺對(duì)壁厚測(cè)量位置進(jìn)行直接測(cè)量后，將數(shù)據(jù)與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖3 檢測(cè)截面輪廓示意

超聲測(cè)量采用NDT Systems T300型接觸式超聲脈沖回波測(cè)量系統(tǒng)，選用水作為超聲測(cè)量的耦合劑，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

工業(yè)CT檢測(cè)采用X射線系統(tǒng)，具體測(cè)量條件是：射線源焦點(diǎn)尺寸為0.4 mm×0.4 mm；線陣列探測(cè)器三代掃描，管電壓為400 kV，管電流為1.7 mA，SOD (射線源到葉片距離)為515 mm，SDD(射線源到探測(cè)器距離)為1 159 mm。射束硬化校正：0.5 mm銅+2.0 mm鋁；重建矩陣：1 024×1 024，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

兩種無(wú)損方法檢測(cè)完成后，將葉片沿截面線高度剖切，用游標(biāo)卡尺直接測(cè)量出DD6單晶葉片對(duì)應(yīng)位置的壁厚，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

因?yàn)閿?shù)顯卡尺的測(cè)量精度為0.001 mm,明顯高于超聲波測(cè)量精度和工業(yè)CT測(cè)量精度，因此筆者將數(shù)顯卡尺的測(cè)量值作為真值，然后將超聲法測(cè)量值和工業(yè)CT法的測(cè)量值分別與真值進(jìn)行對(duì)比。分析對(duì)比過(guò)程中，運(yùn)用到六西格瑪方法中的配對(duì)Tn檢驗(yàn)及置信區(qū)間法。

表1 DD6單晶葉片壁厚超聲法測(cè)量數(shù)據(jù) mm

表2 DD6單晶葉片壁厚工業(yè)CT法測(cè)量數(shù)據(jù) mm

表3 DD6單晶葉片壁厚卡尺測(cè)量數(shù)據(jù) mm

2.2 壁厚測(cè)量值的誤差分析

將同一葉片、同一位置采用超聲法測(cè)得的數(shù)據(jù)與真值相減，得到各點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)與真值之間的差值，如表4所示。同樣方法得到的工業(yè)CT法測(cè)得結(jié)果與真值的差值如表5所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，采用下式計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差S為

(2)

式中：n為表4和表5中被測(cè)葉片差值的點(diǎn)數(shù)；Δi為表4和表5中第i件葉片測(cè)量值與真值的差值。

表4 超聲法測(cè)量結(jié)果與真值之差 mm

表5 工業(yè)CT法測(cè)量結(jié)果與真值之差 mm

表6 兩種方法的檢測(cè)結(jié)果

圖4 不同方法測(cè)量結(jié)果與真值之差的正態(tài)分布圖

從表3和圖4可以看出，兩種測(cè)量方法測(cè)得的壁厚值與真值的偏差均小于1%，說(shuō)明兩種方法測(cè)得的結(jié)果與真值吻合度均很高，滿足單晶葉片壁厚測(cè)量的要求。從統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果來(lái)看，工業(yè)CT測(cè)得的壁厚數(shù)值與真值偏離比、超聲測(cè)量結(jié)果的偏離更小，數(shù)據(jù)分布更集中，工業(yè)CT法測(cè)量DD6合金單晶空心葉片壁厚更可靠。

從第2.1節(jié)和2.2節(jié)中對(duì)兩種測(cè)量方法的原理分析可以看出，采用超聲法測(cè)量時(shí)，由于檢測(cè)設(shè)備的探頭需要與葉片上壁厚檢測(cè)點(diǎn)位置保持完全的接觸，因此對(duì)檢驗(yàn)人員的操作技能有較高的要求;對(duì)于截面曲率較大的葉片和檢測(cè)位置，由于探頭存在一定的直徑，很難保證檢測(cè)點(diǎn)與探頭的完全接觸，加之單晶葉片合金材料為各項(xiàng)異性，會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng)。

采用工業(yè)CT方法檢測(cè)時(shí)，由于測(cè)量是基于CT掃描后得到的圖像進(jìn)行的，因此尺寸標(biāo)定時(shí)可以更加直觀和準(zhǔn)確地判斷出葉片內(nèi)外表面的邊界和測(cè)量方向與被測(cè)點(diǎn)法向偏差，因此測(cè)得的結(jié)果與真值更為接近，且誤差范圍更窄[5]。并且工業(yè)CT檢測(cè)后，葉片被測(cè)截面圖可以以圖片形式存檔，便于后續(xù)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的追溯。

在對(duì)葉片壁厚數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)的同時(shí)，也考察了兩種方法的檢測(cè)效率。采用超聲法檢測(cè)的同時(shí)進(jìn)行讀數(shù)，檢測(cè)60個(gè)壁厚點(diǎn)共用時(shí)21 min；工業(yè)CT法掃描葉片檢測(cè)截面用時(shí)13 min，掃描后根據(jù)截面圖讀數(shù)用時(shí)15 min，累計(jì)用時(shí)28 min，因此超聲法的檢測(cè)效率比工業(yè)CT法高。在工業(yè)化應(yīng)用中，若檢測(cè)點(diǎn)更多，超聲法檢測(cè)的效率優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 超聲法和工業(yè)CT法測(cè)量精度均滿足DD6合金單晶空心葉片的壁厚檢測(cè)要求。

(2) 對(duì)于DD6合金的單晶葉片，工業(yè)CT方法測(cè)得的壁厚數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度略高于超聲法，但差別不明顯。

(3) 工業(yè)CT法更便于測(cè)量結(jié)果的追溯，超聲法的效率更高。

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The Comparison of Measurement Method of Wall Thickness of Single Crystal Hollow Turbine Blade

WU Qinghui, XU Jianwei, FANG Xiang, LUO Yushi

(Science and Technology on Advanced High Temperature Structural Materials Laboratory,Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

The principle of ultrasonic method and industrial CT used in the measurement of hollow turbine blade wall thickness was compared and analyzed, and the wall thickness at typical sections of DD6 alloy single crystal hollow blade was measured in these two ways respectively, and the test results were compared with the direct measurement of by caliper after cutting the blade. The results show that the accuracy of wall thickness data measured by the industrial CT method is slightly higher than that as measured by ultrasonic testing, but the difference is not obvious. The results by industrial CT method are more convenient for retrospection, while ultrasonic testing method is more efficient.

single crystal hollow blade; wall thickness; ultrasonic; industrial CT

2016-10-09

吳慶輝(1982-)，男，工程師，博士,主要從事單晶高溫合金材料及工藝研究工作

吳慶輝， wuqinghui82@sina.com.cn

10.11973/wsjc201707012

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0054-04