分享：航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的DR檢測(cè)工藝試驗(yàn)與應(yīng)用

隨著無損檢測(cè)新技術(shù)的不斷發(fā)展，射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)已應(yīng)用于船舶、航空、核電等多個(gè)工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域中。相較于傳統(tǒng)膠片射線照相檢測(cè)技術(shù)，射線數(shù)字成像技術(shù)具有寬容度較高、感光靈敏度良好、輻射劑量小及更有利于環(huán)境保護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-3]。射線數(shù)字成像技術(shù)是在被檢對(duì)象、射線源和探測(cè)器系統(tǒng)處于相對(duì)靜止的條件下，利用DDA探測(cè)器進(jìn)行射線成像的一種無損檢測(cè)新技術(shù)[4]。射線數(shù)字成像技術(shù)原理與常規(guī)膠片射線照相技術(shù)的基本相同，二者的主要區(qū)別在于，DR檢測(cè)技術(shù)用DDA探測(cè)器代替了膠片進(jìn)行射線的接收與成像，用圖像數(shù)字化技術(shù)代替暗室處理獲得檢測(cè)圖像[5]。數(shù)字射線檢測(cè)也存在一個(gè)質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，即從對(duì)比度靈敏度、圖像不清晰度以及歸一化信噪比3個(gè)方面評(píng)定圖像質(zhì)量。 

用DR檢測(cè)代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠片射線照相檢測(cè)是未來無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。在服役過程中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片在高轉(zhuǎn)速、高溫、高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)工作，工作環(huán)境較為惡劣，故需通過射線檢測(cè)保障其內(nèi)部質(zhì)量?，F(xiàn)階段高溫合金渦輪葉片的內(nèi)部檢測(cè)主要采用傳統(tǒng)膠片射線檢測(cè)方法，DR檢測(cè)技術(shù)還未得到應(yīng)用。但航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的需求量較大，較高的產(chǎn)量給生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)帶來了很大壓力，若能夠?qū)R檢測(cè)技術(shù)用于渦輪葉片的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)，則可以有效提高檢測(cè)效率。國(guó)外已經(jīng)頒布了DR檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如標(biāo)準(zhǔn)ISO 17636-2:2022 Non-destructive testing of welds—Radiographic testing—Part 2: X-and gamma-ray techniques with digital detectors。國(guó)內(nèi)的DR檢測(cè)技術(shù)也正在快速發(fā)展，關(guān)于DR檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系逐漸完善，近年來頒布了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，比如GB/T 35388—2017《無損檢測(cè)X射線數(shù)字成像檢測(cè) 檢測(cè)方法》等，航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)內(nèi)也頒布了相關(guān)的集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)，如AETM 37A 《X射線數(shù)字成像檢測(cè)》，推動(dòng)了數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。 

文章以航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片為試驗(yàn)對(duì)象，開展了針對(duì)某型葉片的DR檢測(cè)工藝試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)膠片射線照相技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，分析其DR檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用可行性，以推動(dòng)DR檢測(cè)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片生產(chǎn)制造過程中的應(yīng)用。 

1.   試驗(yàn)設(shè)備

DR檢測(cè)系統(tǒng)主要由射線源和平板探測(cè)器兩部分組成。文章采用的DR檢測(cè)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。 

對(duì)DR檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行空間分辨率試驗(yàn)，將雙絲像質(zhì)計(jì)直接置于平板探測(cè)器上，雙絲像質(zhì)計(jì)分別與DDA陣列行與列的兩個(gè)方向呈 2°~5°，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可知試驗(yàn)用DR檢測(cè)設(shè)備的基本空間分辨率為0.20 mm。 

2.   渦輪葉片DR檢測(cè)試驗(yàn)

2.1   渦輪葉片DR檢測(cè)工藝

針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片開展DR檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)過程中對(duì)圖像灰度G（無量綱）有一定的要求，探測(cè)器的輸入射線強(qiáng)度與計(jì)算機(jī)輸出圖像灰度值存在線性關(guān)系[6]。在被檢工件厚度一定的情況下，信噪比隨著圖像灰度值的增加而增加，達(dá)到一定范圍后趨于平緩。被檢工件內(nèi)部若存在不連續(xù)性，會(huì)引起線衰減系數(shù)變化，從而引起G變化，即灰度G的變化可以反映工件內(nèi)部的不連續(xù)性，因此需在灰度值線性變化區(qū)進(jìn)行圖像采集。為確定探測(cè)器的灰度值線性范圍，控制其他變量不變，只改變電流值，記錄不同電流值下平板探測(cè)器的平均灰度值。然后對(duì)記錄結(jié)果進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，線性響應(yīng)區(qū)間灰度值為5 000~55 000，為保證原始圖像質(zhì)量，文章試驗(yàn)控制檢測(cè)部位的灰度值為13 200~52 000。 

圖  1  灰度值隨電流變化曲線

電壓及曝光量是射線檢測(cè)系統(tǒng)中的重要參數(shù)。通過增大電壓可以增大圖像灰度值，但是又不能一味增大電壓，在相同曝光量條件下，較高的射線管電壓會(huì)損失圖像的對(duì)比度。曝光量是電流與曝光時(shí)間的乘積，可認(rèn)為是到達(dá)平板探測(cè)器的X射線光子的數(shù)量或劑量。曝光量不直接影響檢測(cè)圖像的對(duì)比度和空間分辨率，而對(duì)信噪比的影響較大，較大的曝光量可以得到質(zhì)量較優(yōu)的檢測(cè)數(shù)字圖像。因此需要選擇較大的電流，較長(zhǎng)的單幀積分時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)。 

對(duì)于靜態(tài)工件，采集的多幀連續(xù)圖像可以通過對(duì)多幅圖像求平均值來達(dá)到降噪目的。在積分時(shí)間分別為66，99，249，499 ms時(shí)，分別采集幀數(shù)為5，10，20，50，80，100的檢測(cè)圖像，并分析同一位置的歸一化信噪比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示（表中歸一化信噪比無量綱，下同）。檢測(cè)圖像歸一化信噪比與采集幀數(shù)的關(guān)系曲線如圖2所示，可知隨著采集幀數(shù)的增加，平均處理過的圖像歸一化信噪比呈上升趨勢(shì)，在35幀之前，歸一化信噪比呈明顯上升趨勢(shì)，35幀之后上升較為平緩。綜合考慮時(shí)間及圖像質(zhì)量，采集幀數(shù)宜選用50幀。通過觀察圖2及表3可以發(fā)現(xiàn)，在積分時(shí)間為249 ms時(shí)，歸一化信噪比較高，圖像質(zhì)量更優(yōu)，因此積分時(shí)間選擇249 ms。 

圖  2  檢測(cè)圖像歸一化信噪比與采集幀數(shù)的關(guān)系曲線

在DR檢測(cè)中，當(dāng)焦點(diǎn)尺寸較小時(shí)，可通過放大的透照方式提高細(xì)節(jié)尺寸的檢出能力，放大倍數(shù)M的定義為 

式中：SDD為射線源至探測(cè)器的距離；SOD為射線源到被測(cè)物體的距離。 

對(duì)于給定的射線檢測(cè)系統(tǒng)，放大倍數(shù)不能一味增加，而存在一個(gè)最佳放大倍數(shù)的概念，最佳放大倍數(shù)M0定義為 

式中：SRb為探測(cè)器基本空間分辨率；?為焦點(diǎn)尺寸。 

通過計(jì)算，文章試驗(yàn)系統(tǒng)的最佳放大倍數(shù)為2，不同放大倍數(shù)下的圖像空間分辨率測(cè)量結(jié)果如表4所示，曲線如圖3所示。由表4及圖3可知，采用的DR檢測(cè)系統(tǒng)在放大倍數(shù)為2及1.67時(shí)均可以得到最高的圖像空間分辨率。 

圖  3  不同放大倍數(shù)下的雙絲像質(zhì)計(jì)測(cè)量曲線

2.2   渦輪葉片DR檢測(cè)過程

通過以上分析，最終確定的DR檢測(cè)透照工藝參數(shù)如表5所示。按照該透照參數(shù)對(duì)材料與渦輪葉片材料一致的高溫合金階梯試塊進(jìn)行透照檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。該透照參數(shù)下的一次透照厚度寬容度為2~6 mm，滿足渦輪葉片葉身變截面厚度變化范圍的透照要求。用膠片X射線照相檢測(cè)方法對(duì)階梯試塊進(jìn)行透照時(shí)，為滿足渦輪葉片葉身厚度范圍的透照要求，需進(jìn)行3次透照，其檢測(cè)結(jié)果如表7所示。由表7可知，DR探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍較大，單次透照的厚度寬容度也較大，即僅需一次透照就可得到葉身部位合適的灰度值圖像，如圖4所示。對(duì)渦輪葉片進(jìn)行透照時(shí)，測(cè)得渦輪葉片較厚處A點(diǎn)的灰度值為13 882，渦輪葉片排氣邊處B點(diǎn)的灰度值為32 154，均滿足檢測(cè)要求。 

Table  6.  階梯試塊DR檢測(cè)結(jié)果

項(xiàng)目	厚度/mm
	14	12	10	8	6	4	2
圖像
灰度值	5 595	6 866	8 640	10 914	13 371	21 273	35 556

Table  7.  階梯試塊X射線照相檢測(cè)圖像

項(xiàng)目	厚度/mm
	14	12	10	8	6	4	2
圖像（一次透照）
黑度	—	—	—	—	—	0.64	2.12
圖像（二次透照）
黑度	—	—	—	—	1.38	2.54	>4.00
圖像（三次透照）
黑度	—	—	—	1.70	2.55	3.89	>4.00

圖  4  渦輪葉片灰度值圖像

在檢測(cè)過程中，使用單絲像質(zhì)計(jì)評(píng)價(jià)圖像對(duì)比度分辨率、使用雙絲像質(zhì)計(jì)評(píng)價(jià)圖像不清晰度，在受檢區(qū)域厚度均勻處測(cè)量歸一化信噪比。由于渦輪葉片葉身部位的厚度是變化的，無法直接在葉身上放置雙絲像質(zhì)計(jì)，因此將雙絲像質(zhì)計(jì)放置于透照?qǐng)鰞?nèi)6 mm厚（約等于葉身根部厚度）的高溫合金試塊上，并在雙絲像質(zhì)計(jì)鄰近區(qū)域測(cè)量歸一化信噪比。根據(jù)透照?qǐng)龃笮。瑔未瓮刚?~4件葉片，透照布置示意如圖5所示。 

圖  5  透照布置示意

2.3   渦輪葉片DR檢測(cè)圖像質(zhì)量分析

按以上工藝參數(shù)對(duì)渦輪葉片進(jìn)行DR檢測(cè)，其圖像質(zhì)量測(cè)量結(jié)果如圖6及表8所示，可知DR檢測(cè)圖像質(zhì)量滿足ISO 17636-2及AETM 37A標(biāo)準(zhǔn)中A級(jí)的要求，且葉身根部的單絲像質(zhì)計(jì)靈敏度優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。 

圖  6  圖像質(zhì)量測(cè)量結(jié)果

3.   對(duì)比試驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證DR檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)能力，將DR檢測(cè)結(jié)果與膠片射線檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。選取55件渦輪葉片試件，試件包含了常見的夾雜、疏松、氣孔等典型鑄造缺陷。按照上文中確定的檢測(cè)參數(shù)對(duì)此55件葉片進(jìn)行DR檢測(cè)試驗(yàn)，并按照現(xiàn)行膠片射線檢測(cè)工藝進(jìn)行了膠片法透照，兩種方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如表9所示。 

對(duì)比55件渦輪葉片的數(shù)字圖像和底片圖像，二者檢出的缺陷類型、缺陷形態(tài)及缺陷位置均一致。缺陷尺寸測(cè)量值并不完全相同，存在一定偏差，平均相對(duì)誤差為0.17%，最大相對(duì)誤差為0.69%。出現(xiàn)這種情況的主要原因?yàn)椋孩?兩種檢測(cè)方法的焦距及視場(chǎng)大小不同，導(dǎo)致實(shí)際的射線透照角度并不完全相同，而射線檢測(cè)是一種投影成像技術(shù)，透照角度不同會(huì)對(duì)缺陷顯示的尺寸存在影響；② 膠片射線檢測(cè)使用標(biāo)尺放大鏡測(cè)量缺陷尺寸，DR檢測(cè)是在數(shù)字圖像上使用軟件自帶的測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量，以上兩種檢測(cè)方法，缺陷的邊界均由評(píng)判人員目視確定，不同評(píng)判人員在測(cè)量時(shí)會(huì)存在一定的測(cè)量不確定度。幾種典型的鑄造缺陷DR圖像和底片圖像對(duì)比如圖7所示。 

圖  7  部分典型鑄造缺陷DR圖像與底片圖像對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證DR檢測(cè)技術(shù)對(duì)于某型渦輪葉片的適用性，隨機(jī)抽取80批共11 303件葉片開展了膠片射線檢測(cè)和DR檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)DR檢測(cè)和膠片射線檢測(cè)試驗(yàn)由不同檢測(cè)人員分別進(jìn)行，檢測(cè)完成后再對(duì)比檢測(cè)結(jié)果，結(jié)果顯示，DR檢測(cè)及膠片射線檢測(cè)方法均檢出了223件缺陷件，且缺陷類型、位置以及形態(tài)一致。通過對(duì)缺陷試件及批量葉片檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)DR檢測(cè)和膠片射線照相檢測(cè)結(jié)果一致，認(rèn)為可以采用DR檢測(cè)方法對(duì)某型渦輪葉片進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)。 

檢測(cè)效率方面，某型渦輪葉片的現(xiàn)行膠片射線照相檢測(cè)工藝需進(jìn)行3次透照，一次透照可檢測(cè)32件，透照一次所需時(shí)間約為15 min；該葉片的DR檢測(cè)工藝僅需進(jìn)行1次透照，一次透照可檢測(cè)3件或4件，透照一次所需時(shí)間約為3 min?？梢姡诓挥?jì)算評(píng)片時(shí)間的情況下，DR檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)效率比膠片射線照相的提高了約64%釋放了檢測(cè)產(chǎn)能。 

4.   結(jié)論

（1）針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片內(nèi)部冶金質(zhì)量的檢測(cè)，提出了一種DR檢測(cè)工藝方法，通過試驗(yàn)分析確定了其DR檢測(cè)工藝參數(shù)，檢測(cè)靈敏度滿足ISO 17636-2:2022及AETM 37A標(biāo)準(zhǔn)中的A級(jí)要求。 

（2）與傳統(tǒng)膠片X射線檢測(cè)方法相比，對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的DR檢測(cè)方法在缺陷位置、缺陷類型、缺陷形態(tài)以及缺陷檢出率方面與膠片法的一致，缺陷尺寸測(cè)量值最大誤差小于0.7%。 

（3）采用該DR檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)效率高，與膠片X射線檢測(cè)方法相比提高了約64%，釋放了檢測(cè)產(chǎn)能。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)