高溫合金閉式葉輪的工業(yè)CT檢測

在發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金葉輪位于燃燒室和導(dǎo)向器之后，葉片工作于高溫腐蝕性的燃?xì)猸h(huán)境中，需承受極高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。為了降低葉輪的制造成本和避免榫頭裝配應(yīng)力的產(chǎn)生，小型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用軸向和徑向整體鑄造葉輪。由于葉輪工作在高溫、高沖擊的環(huán)境下，容易發(fā)生蠕變斷裂，所以葉輪的鑄造質(zhì)量檢驗(yàn)就成了重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。某型整體鑄造的高溫合金閉式葉輪(含低壓離心葉輪和高壓閉式葉輪)采用的均為多層、薄壁、曲面流道的內(nèi)腔與較大直徑軸頸相連的整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)。圖1葉輪結(jié)構(gòu)示意01

現(xiàn)有檢測工藝對(duì)于葉輪的薄區(qū)，可利用常規(guī)電壓450kV的X射線保證葉輪薄區(qū)的有效檢測覆蓋，具體可選擇的透照方案示意如下圖所示。

圖2薄區(qū)常規(guī)X射線檢測的透照方案由圖2可見，通過選擇不同透照角度，可以盡可能地避免厚大區(qū)域的遮擋，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄區(qū)的檢測。即通過垂直、水平、傾斜45°和傾斜10°等方向透照，能夠?qū)Ρ^(qū)進(jìn)行檢測。02

存在的問題在結(jié)構(gòu)上，由于葉輪采用三重、曲面的疊加結(jié)構(gòu)，不僅變截面區(qū)域較多，且葉輪心部厚大，最大厚度超過80mm(見下圖)，因此采用常規(guī)的無損檢測手段無法實(shí)施有效檢測，對(duì)于X射線檢測，其葉輪心部的厚大區(qū)域采用電壓450kV及以下的X光機(jī)無法穿透，其內(nèi)部質(zhì)量無法檢測。

圖3葉輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意03

解決方案

通過分析葉輪的鑄造工藝及工藝缺陷特征，結(jié)合現(xiàn)有成熟無損檢測手段的技術(shù)特點(diǎn)和葉輪的檢測厚度范圍，確認(rèn)上述葉輪厚大區(qū)域內(nèi)部缺陷的檢測，宜采用高能X射線工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)檢測技術(shù)來實(shí)施。CT能在不破壞被測物體的情況下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準(zhǔn)確、直觀地展示被檢測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成、材料及缺損狀況等。與數(shù)字射線、X射線照相等射線檢測方式不同，工業(yè)CT獲取到的是二維斷層或三維立體的圖像，而不是重疊的圖像。高精度的CT圖像，能夠準(zhǔn)確地反映出被檢對(duì)象內(nèi)部的空間位置、形貌、尺寸、密度等信息。04

檢測設(shè)備

檢測采用的設(shè)備為9MeV高能X射線工業(yè)CT系統(tǒng)，由電子直線加速器X射線源、探測與采集傳輸、機(jī)械、控制、圖像重建處理、安全防護(hù)與報(bào)警等子系統(tǒng)組成。電子直線加速器X射線源子系統(tǒng)用于產(chǎn)生高能X射線；探測與采集傳輸子系統(tǒng)將X射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)行濾波、放大等處理，再通過A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后輸送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理；機(jī)械子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為加速器機(jī)頭、探測與采集子系統(tǒng)、工件提供載體，并提供掃描所需的各種高精度運(yùn)動(dòng)；控制子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的指揮中心，完成成像所需的各種運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢自診斷、狀態(tài)監(jiān)控、安全保護(hù)、數(shù)據(jù)采集同步等功能；功能圖像重建處理子系統(tǒng)對(duì)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、校正、處理、顯示出掃描的圖像，并提供各種定性和定量分析工具，幫助操作人員對(duì)掃描工件的特征和品質(zhì)進(jìn)行分析和判斷；安全防護(hù)與報(bào)警子系統(tǒng)采用安全聯(lián)鎖、聲光報(bào)警、攝像監(jiān)控等措施，以保證現(xiàn)場人員的安全。05

系統(tǒng)性能指標(biāo)校驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T29069-2012《無損檢測工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)系統(tǒng)性能測試方法》和GB/T29067-2012《無損檢測工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)圖像測量方法》對(duì)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)進(jìn)行校驗(yàn)。實(shí)際校驗(yàn)后，系統(tǒng)空間分辨達(dá)到2.5lp/mm(調(diào)制度10.71%)，密度分辨率達(dá)到0.3%，尺寸測量精度達(dá)到0.05mm，密度測量精度達(dá)到1.0%，均達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)稱技術(shù)指標(biāo)。06

檢測工藝參數(shù)選擇1掃描方式閉式葉輪的最大回轉(zhuǎn)直徑不超過400mm，因此采用三代CT掃描方式。2射線源參數(shù)對(duì)于電子直線加速器，在能量一定時(shí)，增加其出束頻率可提高射線強(qiáng)度，增強(qiáng)信噪比。加速器出束頻率設(shè)為200Hz。3切片厚度切片厚度越小，越有利于提高縱向分辨率，增強(qiáng)未貫通切片異物的缺陷檢出靈敏度，但會(huì)降低信噪比和密度分辨能力；切片厚度越大，越有利于提高信噪比、改善密度分辨能力，但會(huì)降低縱向分辨率。切片厚度并非越大或越小最好，而需根據(jù)具體情況綜合確定，此處切片厚度選定為1.0mm。4圖像矩陣要在CT圖像上分辨Ф0.25mm的氣孔，則缺陷至少應(yīng)約占1~4個(gè)像素，故圖像矩陣設(shè)定為2048像素×2048像素。07

檢出能力驗(yàn)證為了模擬工件實(shí)際檢測條件下的缺陷分辨能力，特選用實(shí)際工件，在其上厚區(qū)和薄區(qū)部位分別制作直徑為0.5，1.0mm的人工孔缺陷。

圖5試件厚大區(qū)域人工孔CT檢測圖像圖6葉片區(qū)域人工孔CT檢測圖像08

試驗(yàn)結(jié)果與分析通過對(duì)檢測工件掃描結(jié)果的分析，9MeV高能X射線工業(yè)CT系統(tǒng)能清晰分辨出工件中Ф0.5，Ф1.0mm的人工孔缺陷。09

實(shí)際工件檢測在上述試驗(yàn)條件下，采用該設(shè)備對(duì)實(shí)際工件進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)了其中的氣孔、縮孔等缺陷，如下圖所示。通過CT切片圖像及圖像軟件測量功能，可以準(zhǔn)確定位缺陷在壁上所處的深度位置。

圖7葉輪實(shí)際缺陷CT圖像結(jié)語針對(duì)高溫合金閉式葉輪