作為航空航天裝備的關(guān)鍵部件，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，其性能的好壞直接影響著飛機(jī)的性能。而影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一就是葉片的質(zhì)量。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片按其在發(fā)動(dòng)機(jī)上的部位分為風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片；按功能分為導(dǎo)向葉片和工作葉片，如下圖所示：

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)向葉片與工作葉片外觀

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的主要作用是將燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械動(dòng)能，工作時(shí)要承受交變拉應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，以及機(jī)械磨損、熱腐蝕的損害，極容易產(chǎn)生裂紋缺陷。葉片裂紋是危害飛行安全的重要因素，在大應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展速度很快，即使是微小裂紋也易擴(kuò)展成大裂紋從而影響飛機(jī)的飛行安全。

準(zhǔn)確地檢測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的完整性及其狀態(tài)，及時(shí)、可靠地發(fā)現(xiàn)葉片裂紋并預(yù)防危害，提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作的安全性，已成為航空無損檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

目前，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋，常用的無損檢測(cè)技術(shù)有內(nèi)窺檢測(cè)，以及磁粉、滲透、射線、渦流檢測(cè)等方法。其中內(nèi)窺檢測(cè)是葉片表面裂紋外場(chǎng)檢測(cè)中應(yīng)用較廣的一項(xiàng)技術(shù)，但該技術(shù)依賴人工經(jīng)驗(yàn)，檢測(cè)周期長，操作過程復(fù)雜，同時(shí)葉片表面通常要進(jìn)行噴涂處理，金屬基體表面就變成了次表面，從而給內(nèi)窺檢測(cè)帶來較大的困難。有報(bào)道采用內(nèi)窺鏡渦流集成化檢測(cè)，結(jié)合內(nèi)窺鏡和渦流檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片缺陷的檢測(cè)。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片屬于曲面結(jié)構(gòu)零件，傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法對(duì)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)都有各自的局限性。

超聲熱波成像技術(shù)利用紅外熱像儀采集試件表面熱量并分析熱量的變化情況來進(jìn)行檢測(cè)，因而對(duì)試件曲面結(jié)構(gòu)沒有要求，可以檢測(cè)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的缺陷。國內(nèi)，裝甲兵工程學(xué)院、中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心、火箭軍工程大學(xué)、首都師范大學(xué)等科研院所與高校的研究人員對(duì)超聲紅外熱像技術(shù)進(jìn)行了深入研究，在理論研究、數(shù)據(jù)仿真、生熱特性、裂紋識(shí)別、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)調(diào)節(jié)等方面獲得了豐碩的研究成果。西方先進(jìn)工業(yè)國家已成功地將超聲紅外熱像技術(shù)應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域的關(guān)鍵金屬部件的檢測(cè)中，包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋的缺陷檢測(cè)。

今天我們來介紹一下中國南方航空工業(yè)有限公司和南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司的研究人員采用超聲熱波成像技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋進(jìn)行檢測(cè)的成果。

1 超聲紅外熱像技術(shù)

超聲紅外熱像技術(shù)又稱為超聲紅外熱成像技術(shù)，結(jié)合了超聲技術(shù)和熱成像技術(shù)的特點(diǎn)，屬于主動(dòng)熱激勵(lì)紅外成像技術(shù)。

與光激勵(lì)熱波成像技術(shù)相比，超聲熱波成像技術(shù)屬于機(jī)械熱激勵(lì)，其特點(diǎn)在于僅對(duì)試件淺表面或者內(nèi)部裂紋缺陷加熱，對(duì)無裂紋的正常區(qū)域不加熱，即屬于選擇性加熱。有裂紋缺陷區(qū)域和正常區(qū)域的紅外圖像對(duì)比度更高，有利于裂紋缺陷的識(shí)別和判定，缺陷的檢出可靠性增加。

2 技術(shù)方案

圖2 超聲熱波成像檢測(cè)系統(tǒng)框圖

超聲熱波成像檢測(cè)系統(tǒng)主要由超聲激勵(lì)裝置、超聲波發(fā)生器、紅外熱像儀、計(jì)算機(jī)等組成。其中，超聲波發(fā)生器包括激勵(lì)電源，超聲激勵(lì)裝置包括激勵(lì)頭、換能器、變幅桿等。計(jì)算機(jī)主要用于超聲激勵(lì)控制和紅外圖像同步采集以及后期的紅外圖像處理。

3 系統(tǒng)集成

超聲熱波成像系統(tǒng)不僅要能改變熱紅外像儀采集位置與角度，而且還要能較好地固定被測(cè)試件。因而紅外熱像儀安裝在一個(gè)可以調(diào)節(jié)角度與位置的平臺(tái)上，便于采集紅外圖像；超聲激勵(lì)系統(tǒng)放置在平臺(tái)底座上，可更好地旋轉(zhuǎn)與固定試件，底座上可對(duì)工件進(jìn)行一定的夾持，防止測(cè)試時(shí)的移動(dòng)；同時(shí)需要配備壓力傳感器，以實(shí)時(shí)測(cè)量超聲激勵(lì)頭與試件之間的預(yù)緊力，合適的預(yù)緊力有助于提升超聲激勵(lì)頭與試件的耦合效率。計(jì)算機(jī)主要用于系統(tǒng)控制、紅外圖像采集以及后期紅外圖像處理。

超聲熱波成像設(shè)備型號(hào)為Acou Therm EB250；系統(tǒng)超聲激勵(lì)功率為1000W，激勵(lì)頻率為20kHz，單次激勵(lì)時(shí)間為0.1~10s可調(diào)；紅外熱像儀為制冷型熱像儀，探測(cè)波段為3~5μm，分辨率為320×256像素/640×512像素，等效噪聲溫差小于20mK，采集幀頻為60Hz。

圖3 超聲熱波成像設(shè)備外觀

4 試驗(yàn)結(jié)果

采用Acou Therm EB250設(shè)備對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行裂紋檢測(cè)，紅外熱像儀分辨率為320×256像素，超聲激勵(lì)時(shí)間選為1s。試驗(yàn)用的試件包括導(dǎo)向葉片1塊和工作葉片2塊（長度為75mm的短工作葉片1和長度為110mm的長工作葉片2）。

檢測(cè)過程中，采集一張激勵(lì)前的背景圖像和激勵(lì)后的紅外圖像，以便于裂紋缺陷的判斷；要保證超聲波的有效耦合，需要有恒定的預(yù)緊力，通過多次試驗(yàn)，確定預(yù)緊力約為200N時(shí)，超聲耦合到試件中的效率最高，試件中的超聲能量達(dá)到最大值，裂紋處溫升最高。

圖4 導(dǎo)向葉片的光學(xué)圖像與超聲激勵(lì)前、后的紅外圖像

圖5 工作葉片1的光學(xué)圖像與超聲激勵(lì)前、后的紅外圖像

圖6 工作葉片2的光學(xué)圖像與超聲激勵(lì)前、后的紅外圖像

葉片中的裂紋處于表面或淺表面位置，屬于細(xì)微裂紋，長度約為0.5~1.0mm，不屬于長條形裂紋。超聲激勵(lì)后，裂紋處溫度升高，在超聲激勵(lì)時(shí)間內(nèi)裂紋位置處的溫度持續(xù)升高且熱量向周圍擴(kuò)散，從而形成亮光斑區(qū)域，實(shí)際裂紋尺寸比亮光斑區(qū)域要小得多，圖中紅色虛線圈中所示位置為裂紋位置。

對(duì)超聲激勵(lì)前后紅外圖像采用背景差分法進(jìn)行分析，可以很好地識(shí)別出裂紋位置。在實(shí)際檢測(cè)過程中，預(yù)緊力大小和超聲激勵(lì)位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響比較大，需要通過多次試驗(yàn)來確定預(yù)緊力的大小和超聲激勵(lì)位置；超聲激勵(lì)頭與工件接觸時(shí)，如果耦合不好則超聲波不能有效傳遞，同時(shí)對(duì)一些表面有要求的工件直接接觸可能造成損傷，所以需要在超聲激勵(lì)頭與工件之間使用耦合材料，這些材料需要有一定的柔性，以及很強(qiáng)的韌性。

結(jié)語

采用超聲紅外熱像技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋進(jìn)行檢測(cè)，超聲激勵(lì)僅對(duì)裂紋處產(chǎn)生加熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋的檢測(cè)。采用自主研發(fā)的超聲紅外熱像系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)向葉片和工作葉片進(jìn)行了裂紋檢測(cè)，成功檢測(cè)出導(dǎo)向葉片和工作葉片試件中的細(xì)微裂紋（長度為0.5~1.0mm）。

作者：蘇清風(fēng)1，習(xí)小文1，袁雅妮1，江海軍2，陳力2，魏益兵2

（1.中國南方航空工業(yè)有限公司；2.南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司）

蘇清風(fēng)，研究員級(jí)高工，主要從事無損檢測(cè)技術(shù)研究工作。

通信作者：江海軍

來源：《無損檢測(cè)》2019年4期