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飞机发动机叶片的无损检测技术摘要：随着我国航空领域技术水平的不断提高，飞机更新换代的周期不断缩短，对飞机发动机性能的要求也相应越来越高作为飞机发动机最重要零件之一的叶片，其质量和性能直接关系到整个飞机的正常工作，准确检测航空涡轮叶片的结构完整性和状态，及时发现并预防危害，提高发动机工作安全性，成为目前无损检测领域研究的一个共同热点由于飞机叶片工作时要受到交变载荷、热腐蚀、高温氧化和机械磨损多种作用的影响，最容易产生疲劳裂纹损伤本文围绕叶片表面微裂纹缺陷检测，对比目前叶片表面裂纹缺陷常用的几种检测方法优缺点，并对飞机发动机叶片自动检测技术未来的发展给与展望关键字：涡轮叶片；裂纹；无损检测；引言 随着航空领域技术的不断发展，飞机更新换代的速度也越来越快不同用途的飞机上配备着不同种类的发动机发动机为飞机提供了动力，因而被称为飞机的“心脏”发动机中叶片零件的数量最多，而发动机就是依靠这众多的叶片完成对气体的压缩和膨胀以及以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进，故而叶片也就毫无疑问的成为了飞机发动机关键的也是最重要的零件之一对于发动机涡轮叶片，包括导向叶片和工作叶片，如图 1 所示，其主要作用是将燃气的热能转换为旋转的机械动能。

图1 航空发动机及涡轮叶片 叶片属于高速旋转件，所受的载荷复杂，使用环境恶劣，它们在高压腐蚀性燃气的冲击下高速旋转，不仅承受着巨大的交变拉应力和扭转应力，而且还受到热腐蚀、高温氧化和磨损的综合作用由于叶片零件非常特殊，其数量多，要求高，形状复杂，加工难度大，其复杂的制造工艺导致对叶片每个生产加工环节的控制上要求都很严格，稍有疏忽就有可能使叶片在制造过程中产生缺陷所以，在叶片制造的总工作量中叶片检测工作量占了相当大的比例在生产和使用过程中，航空发动机叶片都是检测和定期监测的重点对象叶片缺陷的种类很多，很多缺陷的危害性短时间内表现不出来根据航空发动机无损检测 ASTME192 验收标准，像气孔、夹杂等缺陷，有一定的接受标准，如气孔最大尺寸大于 0.508 mm 可判定叶片为不合格，若最大尺寸小于 0.508 mm 可判定为合格，但如果判定缺陷性质是裂纹，无论尺寸大小，都判定叶片为不合格这是由于根据断裂力学理论，处在稳定扩展区的裂纹在对数坐标上是以近似直线速度扩展，因应力过大疲劳裂纹扩展速度很快，其危害性很快就能表现出来因此，即使是微小裂纹对飞机的飞行安全都可能造成严重的后果，不仅危及人、机安全，而且会造成巨大的经济损失。

所以，对叶片裂纹现场的检测尤为重要此外，由于叶片在高温、高压、高速和多种负荷作用下工作易产生腐蚀、振动，由此导致的疲劳裂纹致使叶片断裂而易引发飞行事故，据统计这类事件约已占到 40%左右因此，研究叶片裂纹的有效检测方法，早期预报和诊断叶片裂纹缺陷的产生，是十分必要的针对叶片进行的缺陷分析，一般都需要将叶片拿到实验室中，破坏叶片样件后再进行微晶分析，这种有损检测方法不仅容易造成浪费，其效率也很低且无法实现 100%检测因而，对于叶片缺陷的检测通常还是采用无损检测的方法进行中国军用航空自1994年以来，几乎每年都有几起由于叶片断裂造成的严重事故，及时发现裂纹并对其定量评价，对于确保飞行安全具有非常重要的意义 无损检测技术广泛应用在电力工业、冶金机械、武器系统、铁道造船、石油化工、航空航天等各个领域据相关统计资料显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是，机械产品为 5%，国防、宇航、原子能产品为 12%～18%，火箭为 20%左右德国奔驰公司汽车几千个零件经过无损检测后，整车运行公里数提高了一倍在无损检测技术的众多应用领域中，由于航空领域对于安全特别严格的要求，使得无损检测在航空领域得到广泛重视和应用，各种最先进的无损检测技术，其首先都应用在航空领域。

我国自 50 年代以后开始了无损检测技术的研究，无损检测在我国航空领域的应用始于 60 年代初，80 年代初期逐步推广，近 10 年来，由于工业的刺激，该技术得到了较快发展，目前应用情况较为薄弱从飞机各种构件的材料选择和比较到生产制造，以及在使用过程中都需要无损检测技术来保证其整体性能符合要求，满足适航性和安全性的要求已发生的许多重大飞行事故往往都同人们在无损检测中的失误或（因技术水平不够而产生）漏检密切相关目前，美国、英国、法国、德国、加拿大、澳大利亚等国家都在大力发展无损检测技术以提供现代航空装备所需的维修与保障1无损检测技术 1.1 孔探仪原位探伤 目前，针对叶片表面裂纹常用的无损检测技术有孔探仪、磁粉、渗透、射线、涡流和超声等方法其中，孔探仪原位探伤是在叶片表面裂纹外场检测中应用最多的一项技术，如图2所示这种检测方法是利用内窥镜观察被检表面，通过人工判读发现缺陷由于内窥镜体积较小且采用柔性连接，利用这种方法能够实现复杂结构不拆卸的原位检测但这种方法依赖人工经验，检测周期长，操作过程复杂，难以实现自动化，无法适应生产过程中的批量检测为提高飞机叶片的疲劳寿命，对叶片通常要进行喷丸和涂层处理，这样金属基体表面就变成了次表面。

经大量试验和失效分析知，叶片裂纹又恰好易在处理后的次表面上萌生基体裂纹的出现有时在表面反映不明显，加之污染物的影响，视觉难以及时有效地发现缺陷，因此孔探法适于发现问题后的重点观察，同时也容易产生漏检图2 孔探仪原位探伤1.2 渗透检测 渗透检测（Penetrant Testing，PT），其原理是当零件表面被涂有如荧光染料等渗透剂后，在毛细管作用下，经一段时间渗透液就渗进表面开口缺陷中，去除多余渗透液后，再在零件表面涂以显像剂，则在毛细管的作用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液，渗透液回渗到显像剂中，在一定的光源下，缺陷处的渗透液痕迹被显示出黄绿色荧光或鲜艳红色，从而探测出缺陷的形貌及分布状态该方法灵敏度较高，操作方便直观、费用低但是，该方法只能检出表面开口的缺陷及其表面分布，难以确定缺陷实际深度和做出定量评价，检出结果受操作者的影响也较大因此，给叶片缺陷客观的判断带来一定不准确的主观因素1.3 磁粉检测磁粉检测，其原理是铁磁性材料和工件被磁化后，不连续性的存在使工件表面磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合适光照下可见的磁痕，从而显示出缺陷的位置、形状和大小，如图3 所示。

磁粉检测可发现裂纹、夹杂、折叠和疏松等多种缺陷，但是仅能显出缺陷的长度和形状，难以确定其深度检测过程需要消磁和清理被测区域，响应速度慢，不能检测奥氏体不锈钢和非磁性材料，不能发现铸件内的部分较深缺陷对于表面浅的划伤、埋藏较深的孔洞难以发现因此，对于具有复杂制造工艺的数量较多的飞机叶片，该检测方法费时低效，不适应现场批量检测 图3 磁粉检测1.4 X 射线检测X 射线检测（X-Radiographic Testing，RT），其原理是当 X 射线照射胶片时，与普通光线一样，能使胶片乳剂层中的卤化银产生潜影，由于不同密度的物质对射线的吸收系数不同，照射到胶片各处的射线能量也就会产生差异，便可根据暗室处理后的底片各处黑度差来判别缺陷该方法检测结果有直接记录，可长期保存，但是对裂纹类缺陷，如果照相角度不适当，容易产生漏检，且检测成本高、速度慢，具有辐射效应，非“绿色”检测方法因此，对于数量较多的零件不宜采用该方法涡流检测（EddyCurrentTesting，ET），其原理是基于电磁感应，将通有交流电的线圈置于待测的金属板上，这时线圈内及其附近将产生交变磁场，使试件中产生呈旋涡状的感应交变电流，即涡电流，借助探测线圈测定涡电流的变化量，从而获得构件缺陷的有关信息。

涡流探伤适用于导电材料，包括铁磁性和非铁磁性金属材料构件的缺陷检测，但只能检测表面或近表面层的缺陷使用涡流检测方法，在检测时不要求线圈与构件紧密接触，也不用圈与构件间充满藕合剂，因此可进行高速检测,容易实现检验自动化目前该方法主要针对平面试件具有较成熟的技术，但是针对叶片类曲面零件缺陷检测尚缺少专门研究1.5 超声检测超声检测(Ultrasonic Testing，UT) ，其原理是利用机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射的这种现象，即超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来，并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等优点是穿透能力较大，探伤灵敏度较高，易于实现自动化检验其缺点是需要耦合剂，检验人员需有一定的操作经验并需要根据实际经验进行缺陷判断目前，对于叶片类小曲率曲面零件，现有超声检测方法较难把握声学传播反射规律，因此尚难以应用于现场实际检测中2 叶片的无损检测状况飞机的损伤通常发生在承力构件、易损零部件及飞机表面叶片是发动机中的重要承力件，其制造工艺主要有精密铸造和锻造。

由于该产品的质量要求很高，因此在叶片制造阶段必须进行无损检测1）对于铸造叶片，通常采用 X 射线照相方法检测叶片内部质量，采用荧光渗透方法检测其表面开口型缺陷；（2）对于锻造叶片，一般采用超声检测方法对锻造叶片使用的小直径棒材进行检测，以保证用于锻造叶片原材料的内部质量，锻造成形后的叶片表面质量，采用荧光渗透方法进行检测3）对飞行后的发动机转子叶片及涡轮叶片，实际中常采用孔探仪进行检测，通过观察采集到的叶片图像，判定叶片是否有裂纹工程实际中检测人员经常凭经验确定叶片的可靠性，检测周期长、费用高，误检率大，给飞行安全带来极大的隐患，且无法定量分析、存在信息流断点当前发动机生产厂家主要用磁粉和渗透技术检测叶片近表面缺陷，这两种方法简单适用，但人员耗费大、效率低；射线检测结果可靠，技术成熟，但检测成本较高，对小缺陷检测灵敏度不高，存在放射源，对检测人员健康会产生潜在危害，很多生产厂家较排斥这种方法有人提出利用涡流方法检测叶片近表面缺陷，用超声方法检测叶片内部缺陷的技术思路，以取代目前的检测方法，有效提高检测技术水平和自动化程度但现有超声技术对于面状缺陷较敏感，对线状缺陷略显不足，在曲面中声学传播规律复杂，信号难以接收和辨识。

涡轮叶片内部通风系统会使得从超声反射波中难以分辨出裂纹信息，对检测结果产生较大干扰；上述问题必须有效加以解决涡流检测方法成本不高，对人和环境安全，属于非接触快速检测方法，并且易于实现自动化操作，是一种较有潜力的方法，但同样需要解决提离效应大、易受噪声和干扰的问题尽管上述检测方法对发动机叶片无损检测技术的发展、对提高发动机使用安全性、延长发动机的使用寿命等方面发挥了积极的作用，但是由于这些检测方法自身的局限性问题：（1） X 光射线技术虽然可以获得直观的缺陷图像，并对缺陷的长度和宽度定量较准确，对体积型缺陷(夹渣、气孔、堵塞等)的检出率比较高，但如果照相角度不适合就会对面积型缺陷(裂纹)产生漏检，并且检测成本高，速度慢，存在辐射泄露问题，需要安全防护措施； （2） 涡流检测虽然可以用于缺陷检测还可以记录被检测物体的材料特性，如电导率和磁导率的变化情况，但这种检测技术受集肤效应的限制，只能用于表面和亚表面缺陷的检测，并且不能用于绝缘材料的检测；（3） 超声 C 扫描成像尽管可以对缺陷定性、定位、定量，结果直观，检测灵敏度高，检测对象基本不受材料尺寸、形状的限制，但对表面缺陷不很敏感、对曲面检测方法实施难度较大。

4） 红外热成像等检测技术虽然较新颖，近年来发展较迅猛，检测效率较高，但对微小缺陷检测灵敏度和分辨率不高，难以定量化评估；（5） 机上孔探检测虽然能够对航空发动机内部零部件进行原位无损检测，但是由于其存在只能发现表面的宏观缺陷，无法检测微小缺陷及微细裂纹，无法判断是划痕还是裂纹，对裂纹的深度更是无法判定等方面的不足；（6） 目。