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“皇冠上的明珠”-航空發動機高溫合金空心渦輪葉片殘芯的冷中子照相檢測

2021-07-21 05:32:46
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空心渦輪葉片作為航空發動機的關鍵部件,因具有溫度交變頻繁、受力狀態復雜、使用環境惡劣、工作可靠性要求高、穩定工作壽命要求長等特點,被譽為“皇冠上的明珠”。通常借助陶瓷型芯使空心渦輪葉片形成細小且復雜的內腔,但是脫芯工藝難以保證完全清除陶瓷型芯,內腔中殘余的型芯不僅會影響工作時葉片中的冷卻氣流的正常流動,降低冷卻效果,而且可能堵塞葉身上用于冷卻的數以百計的氣膜孔(直徑約為0.3~0.5mm),造成葉片局部高溫和過早失效,給發動機帶來巨大的安全隱患。

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對于低密度的陶瓷型芯,常規X射線難以進行有效檢測,必須采取相關技術手段提高殘芯在檢測圖像上的對比度,但是這些方法并不適用于葉片檢測的工程化。2007年后,采用熱中子照相法檢測空心渦輪葉片殘芯的技術逐漸得到應用,該技術的檢測能力主要取決于殘芯材料對熱中子的衰減程度。為了提高熱中子圖像上殘芯的對比度,國內外通常采用少量熱中子截面非常大的元素(如Gd)對殘芯進行標記。一般采用摻雜法或浸泡法進行標記。

摻雜法是將一定含量的Gd2O3粉末直接摻到型芯材料內,葉片脫芯后可直接進行中子檢測;浸泡法是將經過脫芯處理的內部可能含殘芯的葉片在Gd(NO3)3溶液中浸泡,使足夠的Gd元素被殘芯吸收,然后實施中子檢測。

在20世紀70年代,國外已成功采用摻雜法實現了殘留量僅為1mg的殘芯熱中子檢測,并將該技術推廣應用于航空發動機渦輪葉片檢測領域。韓國原子能研究院采用Gd(NO3)3溶液浸泡噴丸處理用的鋼球模擬葉片殘芯,通過熱中子照相檢出了葉片內部未清理干凈的直徑僅為0.2mm的鋼球。此外,國外已初步實現葉片殘芯檢測的工程化應用,加拿大Nray公司已經為3M公司、波音公司、克珞美瑞燃氣輪機有限公司、美國Edison焊接研究所以及IBM公司等提供航空發動機渦輪葉片殘芯的熱中子檢測服務;同時,世界主要發動機公司羅爾斯羅伊斯公司、通用電氣公司及普惠公司等均建立了發動機葉片殘芯檢測的企業標準,實現了產品檢測的標準化作業。國內無論在葉片殘芯檢測的標準化,還是工程化應用等方面均比較落后。


基于這樣的研究背景下,中國航發北京航空材料研究院和中國工程物理研究院核物理與化學研究所的科研人員在驗證中子源和單面乳化膠片組合方式的最優空間分辨力的基礎上,采用DD5鎳基高溫合金材料設計制作不同厚度殘芯的階梯狀模擬試樣和葉片對比試樣,研究了空心渦輪葉片殘芯的檢測靈敏度及其與各影響因素的關系,以期為殘芯的中子檢測提供參考依據。




1

中子衰減

中子與物質的相互作用非常復雜,表現為中子與物質的相互作用與電子無關,而與物質的原子核及其微觀結構有關。當中子透過某種物質與物質的原子核發生相互作用后,能量發生衰減。從宏觀角度上,透射中子強度與入射中子強度之間存在以下的數學關系:

=Ie-∑t          (1)

式中:I為透射中子強度;I0為入射中子強度;t為試樣的透照厚度;∑為試樣對中子的吸收系數(宏觀截面)。

其中,Gd的吸收系數為1190/cm,Ni的吸收系數為0.42/cm,這兩種材料吸收系數的差異將在中子圖像上形成明顯的對比度差異,有利于實現殘芯的高靈敏度檢測。


2

試驗方法

01

試驗設備

試驗設備為中國工程物理研究院核物理與化學研究所的反應堆冷中子照相裝置,冷中子束流由反應堆內冷包將熱中子冷卻后獲得,通過中子導管傳輸至成像裝置,在滿功率情況下,成像位置的中子注量率可達106n·cm-2·s-1,準直比為300~12000。試驗成像裝置包括單面乳化膠片、Gd轉換屏和暗盒等。所用膠片型號為Agfa D3-SC,與轉換屏緊貼一起置于不漏光的暗盒內,被中子射線直接曝光。

02

試驗試樣

空間分辨力是用來表征圖像上分辨兩個相鄰細節特征的指標。采用瑞士PSI公司的標準空間分辨力試樣,該試樣材料為表面鍍有Gd層的銅片,銅片呈放射狀排列,可定量評價25,50,100μm等空間分辨力指標。

對比試樣對模擬評價葉片殘芯的檢測靈敏度至關重要。科研人員設計制作了兩種類型的對比試樣:階梯狀模擬試樣用于確定模擬殘芯的檢測靈敏度;葉片對比試樣除了獲得殘芯的真實檢測靈敏度外,還用于分析葉片結構對檢測靈敏度的影響。

圖1 階梯狀模擬試樣的制備流程

如圖1所示,基體材料為DD5單晶高溫合金,臺階厚度分別為2,3,4,5,6,7,8mm,每個臺階上采用電火花加工了一系列不同深度的Φ2mm圓孔,如圖1(a)所示,孔深依次為0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40,0.50,0.60,0.70,0.80,0.90mm。所有圓孔經三坐標測量后,實際孔深約為0.14~0.95mm。采用摻雜法將純度為99.9%的Gd2O3粉末與陶瓷型芯漿料混合均勻,Gd2O3的質量分數為3%,將漿料填充在不同深度的圓孔內,并在1150℃燒結0.5h,固化后通過機加工去除試樣表面溢出的型芯材料,同時去除每個圓孔內一半的型芯,形成空腔,去除一半型芯后的試樣如圖1(d)所示,圓孔中白色物質為型芯材料。

圖2 含殘芯葉片對比試樣的制備流程

如圖2所示,葉片材料為DD5單晶高溫合金。采用與制作階梯狀模擬試樣相同的陶瓷型芯漿料,通過3D打印技術制成長5mm、寬5mm的薄片,厚度分別為0.2,0.3,0.4mm。將薄片破碎后,挑選尺寸較小的殘芯,通過鋁膠帶黏貼在葉片葉身處,每3個為一組;選擇高度分別為38mm和85mm的兩種規格葉片(記為小葉片和大葉片),兩種葉片葉身的透照厚度都約為3.4mm,在兩種葉片葉身的不同位置黏貼殘芯,其中小葉片共3組(都位于葉身表面),大葉片共4組(3組位于葉身表面,1組位于葉片內腔)。

03

試驗條件

將試樣分別緊貼暗盒,置于冷中子源和單面乳化膠片成像系統中曝光30min。膠片在暗室內經過顯影、定影和干燥處理后,使用Array 2905HD型激光掃描儀對其進行數字化,采用Image J軟件將圖像類型轉換為8bit,隨后提取不同部位的灰度。


3

試驗結果與分析

01

空間分辨力

(a)試樣的透照圖像

圖3 空間分辨力試樣的試驗結果

如圖3所示,圖像經過降噪和邊界銳化處理,在圖3(a)上空間分辨力指標50μm附近畫兩條直線獲取灰度分布曲線,如圖3(b)和(c)所示。由試驗結果可知,在指標50μm的外側(線1)能清晰分辨灰度分布曲線的波峰和波谷,而在指標50μm的內側(線2)并不能區分波峰和波谷,表明冷中子源和單面乳化膠片的組合方式具有較優的空間分辨力,分辨力可達到50μm。

02

葉片殘芯檢測靈敏度

圖4 階梯狀模擬試樣的冷中子透照圖像

如圖4所示,圖中每個臺階有灰色部位、較亮部位、較暗部位等,其中灰色部位為基體材料,較亮部位為殘芯,較暗部位為空腔。從圖4中可以看出:當殘芯厚度相同時,殘芯與空腔的對比度隨著透照厚度的增加而減小,在圖像上逐漸難以分辨;當透照厚度相同時,殘芯與空腔的對比度隨著殘芯厚度的減小而逐漸減小,在圖像上也難以分辨。上述結果表明,當殘芯材料相同時,殘芯的檢測靈敏度取決于透照厚度和殘芯厚度。利用Image J軟件的圖像平均灰度功能提取型芯和空腔的灰度,兩者的對比度C由下式計算:

C=(D1-D)/DD/D       (2)

式中:D1為型芯的灰度;D為空腔的灰度;ΔD為型芯與空腔的灰度差。

圖5 對比度、透照厚度和殘芯厚度的關系

圖5中黑色球表示殘芯不可見(C<0.05);紅色球表示殘芯可見(0.05≤C<0.1);綠色球表示殘芯清晰可見(C≥0.1)。圖5進一步表明了殘芯的檢測靈敏度與透照厚度和殘芯厚度密切相關,其中透照厚度的變化影響較大,當透照厚度為5.8mm時,殘芯的檢測靈敏度為0.2mm,如圖中箭頭A所示,隨著透照厚度逐漸減小,殘芯的檢測靈敏度提高(小于0.2mm;如圖中箭頭B所示,當透照厚度為6.5mm時,殘芯的檢測靈敏度降至0.55mm;如圖中箭頭C所示,當透照厚度增加至7mm時,殘芯的檢測靈敏度降至0.95mm)。

綜上所述,通過階梯試樣獲得的定量指標可用于指導葉片殘芯的冷中子照相檢測。但是,上述定量指標與葉片殘芯的真實檢測靈敏度還是存在如下差異:

① 對于圖4中在最厚臺階上的0.95mm厚殘芯,目視觀察時能夠分辨,定量結果卻表明其不可見,該對比度的分級可能導致檢測靈敏度偏低;

② 該定量指標未考慮葉片結構的影響;

③ 經過數字化處理的圖像質量低于膠片,該評價結果要低于實際膠片成像中殘芯的檢測靈敏度;

④ 上述定量指標是基于質量分數為3%的Gd2O3獲得的,若該衰減材料的質量分數降低,則殘芯的檢測靈敏度將低于上述定量指標,需要重新進行評價。

03

葉片結構對檢測靈敏度的影響

圖6 葉片對比試樣的透照圖

圖6中黑色虛線表示葉身表面的殘芯,黑色實線表示葉片內腔中的殘芯。從圖6可以看出,在兩種規格葉片葉身上預置的不同厚度殘芯(0.2~0.4mm)均能清晰分辨,表明殘芯的檢測靈敏度達到了0.2mm。兩種葉片的透照厚度(約3.4mm)及其變化范圍幾乎相同,如圖7所示,因此也可以通過上文中的定量指標推斷出兩種規格葉片殘芯的檢測靈敏度要優于0.2mm。另外,由于透照厚度的變化,圖像上較薄部位的殘芯對比度略高于較厚部位。

圖7 葉片對比試樣截面

葉片葉身的橫截面為變厚度曲面,且不同葉片之間的結構差異較大,文中大葉片結構的復雜性及曲率均大于小葉片的,這會對殘芯的檢測靈敏度產生一定的影響。

圖8 葉片對比試樣中殘芯厚度和對比度的關系曲線

如圖8所示,從定量方面分析,當殘芯厚度為0.2~0.4mm時,圖像對比度均大于0.1,兩種規格葉片中的殘芯可清晰分辨,殘芯的檢測靈敏度優于0.2mm。另外,對于同一規格葉片,不同的透照厚度導致同厚度殘芯的對比度變化范圍較一致,例如,小葉片中殘芯的對比度變化約為0.8,大葉片中殘芯的對比度變化約為0.3,其中大葉片中0.3mm厚殘芯對比度較低,且對比度低于0.3,這是該組殘芯位于葉片加強筋位置所導致的,如圖6(b)中箭頭所示。從圖8可以看出,大葉片的對比度整體低于小葉片,考慮到透照厚度變化的一致性,對比度降低的原因主要是葉片的復雜結構和較大曲率引起圖像質量變差。


結論

(1)

冷中子源結合單面乳化膠片的成像方式具有較優的空間分辨力,可達到50μm。


(2)

冷中子照相檢測適用于葉片殘芯的檢測,可實現厚度大于0.2mm殘芯的檢測。


(3)

葉片殘芯的檢測靈敏度取決于殘芯中衰減材料、透照厚度及殘芯厚度等因素,其中透照厚度的影響更大。對于質量分數為3%的Gd2O3陶瓷殘芯,當透照厚度為5.8mm時,殘芯的檢測靈敏度為0.2mm;當透照厚度大于5.8mm時,殘芯的檢測靈敏度迅速降低。


(4)

在實際檢測中,葉片殘芯的檢測靈敏度會受到葉片結構的影響,復雜曲面結構會降低檢測靈敏度。


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