浅谈超声红外热成像技术在航空发动机修理涡轮叶片裂纹检测应用--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

浅谈超声红外热成像技术在航空发动机修理涡轮叶片裂纹检测应用

发表时间：2021/8/9 来源：《中国科技信息》2021年9月中作者：翟峰

[导读] 发动机是航空装备的“心脏”。航空发动机的设计与制造是多学科交叉、多部门参与、综合性极强的复杂系统工程，是当今尖端的、难度大的高科技技术的综合体现，是使用要求与条件最为严格和苛刻的动力装置。

中国航发西安航空发动机集团有限公司翟峰陕西省西安市 710021

摘要：发动机是航空装备的“心脏”。航空发动机的设计与制造是多学科交叉、多部门参与、综合性极强的复杂系统工程，是当今尖端的、难度大的高科技技术的综合体现，是使用要求与条件最为严格和苛刻的动力装置。但发动机叶片经过长时间运行之后很容易出现裂缝甚至断裂，严重威胁着机体的安全稳定飞行。鉴于此，本文旨在验证超声红外热成像技术是否适用于航空发动机叶片裂纹的检测，通过采集受到超声激励后的材料表面的温度变化，进而对材料表面进行初步的定损。结果证明，该技术可以准确地采集到材料表面的热成像图并对裂纹等损伤进行有效判定。
关键词：航空；发动机；叶片裂纹；检测技术；应用
        引言
        航空发动机涡轮叶片长期工作在高温、高压、高转速的恶劣环境下，在气动、机械和热的共同作用下，其结构强度和振动等问题比较突出。随着发动机性能的提高和空气流量的加大，工作叶片变得薄而长，很容易出现振动问题，并导致叶片出现裂纹甚至断裂。
        1 研究工作的背景和意义
        航空发动机是航空飞行器中的重要组成部件，它的机械结构非常复杂，可以产生强大的动力支持飞行器的运行。航空发动机的正常运行将直接决定飞行器的安稳运转，因此它直接影响了飞行器的性能，决定了此飞行器是否具有可靠性和安全性。对于航空发动机而言，发动机叶片是其重要的组成部件之一，它直接决定了此发动机叶片能否继续使用、航空发动机能否继续安全地运行，也间接决定了此航空发动机的运行时长和寿命，因此针对涡轮叶片裂纹的检测研究具有十分重要的现实意义和安全意义，它可以及时预警发动机制造商对发动机叶片进行检修和维护，这有助于保障航空发动机安全地运行，延长其使用寿命[1]。
        发动机叶片转速飞快，服役时间长，工作于高温高压的环境，这样的环境容易导致叶片产生疲劳裂纹，这些发动机叶片上的裂纹会对航空发动机的正常运行构成了潜在的威胁。资料显示，由于叶片的断裂而造成发动机失效的比例大约占故障率的75%左右，且其产生的碎片会对发动机转子系统造成严重的损伤。发动机叶片裂纹对航空飞行器的安全飞行具有重大隐患，只要有裂纹存在，不论其大小，都会危及人员的安全并对机器构成严重的安全隐患，重则机毁人亡。
        传统上对航空发动机叶片裂纹检测方法有破坏性检测和非破坏性检测。破坏性测试是指发动机的叶片常常需要被带入实验室进行测试，叶片样品在微晶分析之前被破坏；非破坏性检测也即无损检测，它是指在不损坏发动机叶片的条件下，不损坏其表面结构的条件下对叶片进行分析测试，例如根据发动机叶片对声音、光线、热量、电、磁场等物理属性的变化反应，利用一些常见的物理或化学方法对叶片进行检测，同时需要借助荧光检测、X光检测等手段来检测叶片表面及内部缺陷[2]。
        研究航空发动机叶片裂纹的准确识别具有非常重要的现实意义。目前的航空发动机往往采用先进的动力结构体系和先进的材料等，借助这些先进的结构设计和材料可以在最大程度上发挥航空发动机的运行潜力。然而无论是先进的动力结构体系，还是不断优化的工艺结构设计、新型的耐高温高压的材料等都必须建立在航空发动机的全部组件结构的完整性与可靠性的基础之上。叶片是这些航空发动机组件中比较容易产生裂纹、失效的部分，其一旦产生裂痕后会进一步恶化，进而导致整个发动机的瘫痪失效，因此需要定期的检测和维护来保障其安全地运行。
        2 航空发动机叶片裂纹检测技术
        大部分应用于原位在役航空发动机叶片检测的方法主要是涡流孔探的方法，对于使用后及修理的叶片使用常规的检测方法如磁粉、渗透、涡流射线等方法。其中孔探法是发动机外场检测应用最多的一种技术，这种技术检测时间长，对人力的要求很高，并且操作过程较为复杂且必须十分谨慎。常规的检测方法对复杂曲面结构缺陷的检测存在这一定的局限性[3]。近年来已出现一些高效的无损检测方法如电磁超声非线性检测、相控阵检测等，已经在发动机叶片缺陷的检测中开始逐步研究与应用。红外热成像技术亦是较为先进的无损检测技术之一，它主要是通过对被测结构件表面的温度变化进行捕捉，利用红外热成像仪采集表面因温度变化而产生的红外信号检测的。
        红外热成像技术是用超声波对工件表面积局部进行激励进而进行加热，通过热成像仪捕捉裂纹区域的局部红外图像。由于在固体器件中超声波传播速度快，所以从发出激励信号到采集到反馈信号是极短时间的过程，又因为深度、裂纹大小不同，红外信号传播到试件表面并得到反馈是随着时间、裂纹规模变化的，最后经过图像处理可以对试件的裂纹进行识别与定位。
        3 超声红外热成像检测原理概述
        超声红外热成像检测技术的原理是先将低频高能的超声波注入被测零件，被测零件会产生小幅的机械振动，如果存在裂纹，那么由于裂纹两侧因震动频率不同（即出现相位差）而出现部分热效应（即摩擦生热），导致局部的温度升高表面产生的热辐射也不同[4]。之后利用热成像仪对被测件表面温度进行捕捉生成零件表面的温度分布图，最后通过对温度分布图中的异常信号进行分析从而得到裂纹的位置及尺寸。相比于其他成像技术，超声红外热成像技术可以只对表面或者裂纹区域进行加热，对正常的结构区域不加热，这种方法可以增加裂纹检测的可靠性，更有利于分析与判定，其检测原理如图1所示。

        图1 超声红外热成像技术检测裂纹原理
        基于红外热波的无损检测技术是一种基于红外热波理论的非接触式检测，这种检测方式对被测物体进行主动加热，通过热波在缺陷地的传播的温度的不同，采集红外图像，对红外热图像进行图像分析。基于红外热波技术的无损检测关键是如何选择加热方式，通过恰当的选择加热方式，可以更好的获得检测物体的被测信息。通常采用的加热方式有周期性和脉冲式两种。由于物体材料不同，被测物体材料的内、外部物理特性不同，对于热波的传输影响也会不同。因此，被测材料不同，加热方式也不一样。
        超声红外热成像技术对于航空发动机叶片内部裂纹比较有效，特别是对于叶片微小裂纹，裂纹更容易在超声激励作用下摩擦发热，由于三维热扩散，发热区域比实际裂纹区域要大，这将有助于微小裂纹的检测，而这种内部微小裂纹用其他方法难于有效检测。
        4 实验检测及结果
        4.1 检测材料
        本文主要以与叶片相同材料的模拟叶片作为检测对象，最终通过分析结果判断超声红外热成像技术是否适用于发动机叶片裂纹的检测。
        根据热传导定律可知，当材料表面温度分布不均匀时，材料表面热辐射不均匀，因此最终采集到的热温度图可以清晰显示裂纹形状及位置。本次实验采用3mm与4mm厚CFRP（碳纤维板）板作为待测材料，为了验证是否可行，需要对CFRP板进行人为（破坏）。实验中，设置采集的频率为30Hz，采集帧数的热图为1000帧。激励时长分别为3s和4s，最后采集热图像序列。经过实验发现，裂纹热成像出现的过程为逐渐变小，即大部分缺陷最先出现且最容易出现，少部分逐渐出现并且缺陷逐渐完整化。
        4.2 实验参数选取
        为确保超声波能量在进入试件时损失最少，需在超声枪头和叶片表面间加入医用胶布作耦合剂。前期大量实验表明这种耦合剂效果较好，激励结束后发现医用胶布表面仅轻微发黄，对叶片表面涂层不会造成影响。检测前，校准热成像装置以消除环境干扰，并用夹具固定好叶片，将热像仪放置于距检测对象11~45cm之间，调节热像仪焦距，确保检测图像清晰[5]。
        实验相关参数设置为：超声激励频率设定为20kHz，输出时间设定为200ms，幅值输出设定为100%，预紧力设定为150N，红外热像仪采集频率设定为50Hz。
        4.3 检测仪器介绍
        本系统主要由数据采集处理、激励发生器组成。目前完成的检测系统包括计算机、红外热成像仪、超声波发生器组成。其中计算机主要用于采集红外热成像图并作为后期对结果处理的装置，超声波发生器主要包括超声波激励电源、激励触头等。本实验采用红外热成像仪可以高效率、精确的测量并分析被测试件表面的温度变化。由于仪器设备不同，因此最后得到的检测结果也会随着红外摄像仪的精度有所变化。数据采集与处理使用的是计算机与红外软件IRBIS3plus，可以在其控制界面改变参数改变采集的模式。
        4.4 技术方案　　
        超声热波成像检测系统其主要由超声激励装置、超声波发生器、红外热像仪、计算机等组成。其中，超声波发生器包括激励电源，超声激励装置包括激励头、换能器、变幅杆等。计算机主要用于超声激励控制和红外图像同步采集以及后期的红外图像处理。
        系统集成：超声热波成像系统不仅要能改变热红外像仪采集位置与角度，而且还要能较好地固定被测试件。因而红外热像仪安装在一个可以调节角度与位置的平台上，便于采集红外图像；超声激励系统放置在平台底座上，可更好地旋转与固定试件，底座上可对工件进行一定的夹持，防止测试时的移动；同时需要配备压力传感器，以实时测量超声激励头与试件之间的预紧力，合适的预紧力有助于提升超声激励头与试件的耦合效率[6]。计算机主要用于系统控制、红外图像采集以及后期红外图像处理。
        4.5 试验结果　　
        采用AcouThermEB 250设备对航空发动机叶片试块进行裂纹检测，红外热像仪分辨率为320×256像素，超声激励时间选为1s。试验用的试件包括导向叶片１块和工作叶片2块（长度为75mm的短工作叶片1和长度为110mm的长工作叶片2）。检测过程中，采集一张激励前的背景图像和激励后的红外图像，以便于裂纹缺陷的判断；要保证超声波的有效耦合，需要有恒定的预紧力，通过多次试验，确定预紧力约为200N时，超声耦合到试件中的效率最高，试件中的超声能量达到最大值，裂纹处温升最高。
        0s时刻为超声激励前图像，是采集前背景图像，缺陷从无到有、从逐渐变亮到逐渐变暗的过程，在超声激励过程中由于缺陷区域摩擦生热导致温度升高，超声激励结束后通过热传导效应传热至试件表面，热传导过程中会向三维方向扩散，热波在传播中会逐渐衰减，物理表现出热波强度逐渐减小、热波面积逐渐增大；在红外图像中表现出亮斑区域逐渐扩大并逐渐消失的过程。
        实验结果显示，叶片中的裂纹处于表面或浅表面位置，属于细微裂纹，长度约为0.5～1.0mm，不属于长条形裂纹。超声激励后，裂纹处温度升高，在超声激励时间内裂纹位置处的温度持续升高且热量向周围扩散，从而形成亮光斑区域，实际裂纹尺寸比亮光斑区域要小得多。对超声激励前、后红外图像采用背景差分法进行分析，可以很好地识别出裂纹位置。在实际检测过程中，预紧力大小和超声激励位置对检测结果的影响比较大，需要通过多次试验来确定预紧力的大小和超声激励位置[7]；超声激励头与工件接触时，如果耦合不好则超声波不能有效传递，同时对一些表面有要求的工件直接接触可能造成损伤，所以需要在超声激励头与工件之间使用耦合材料，这些材料需要有一定的柔性，以及很强的韧性。
        从最后的检测结果可以看出，超声红外热成像检测应用于表面结构缺陷、裂纹探测是可行的，尽管具体的面积提取仍然存在一定的误差，但是对于定量检测叶片裂纹大小或者识别叶片是否有损伤依旧具有一定的参考价值[8]。
        结束语
        部分航空发动机由于具有多级叶片，在检测叶片是否受损时难度较高、精确性要求较高，因此传统的叶片检测对于航空发动机叶片裂纹与缺陷的检测存在一定的局限性。本文通过应用超声红外热成像技术检测特殊材料表面热像图验证该方法是否具备检测航空发动机复杂叶片结构的能力并最终通过分析结果确定该方法具有一定效果，在今后的工程化应用中需要不断提高精度与效率。
参考文献
[1]孙少华，屈盼让，肖鹏.航空发动机叶片力矩测量装置设计[J].航空精密制造技术，2021，57(01):32-34.
[2]郭双全，刘瑞，黄璇璇.航空发动机叶片智能再制造工厂新模式探索[J].航空维修与工程，2019(10):31-34.
[3]吕学庚.航空发动机叶片流曲面重构及修复方法研究[D].哈尔滨工业大学，2019.
[4]姚美如.航空发动机叶片面型三维视觉测量技术研究[D].哈尔滨工业大学，2019.
[5]张治衡.基于声发射技术的航空发动机叶片损伤监测预示方法研究[D].北京化工大学，2019.
[6]吴捍疆，张丰收，燕根鹏.航空发动机叶片精锻成形可靠性技术[J].锻压技术，2019，44(05):1-5.
[7]李浩.基于图像识别的航空发动机叶片裂纹检测研究[D].电子科技大学，2019.
[8]卜嘉利，高志坤，佟文伟，李青，孙佳斯.某型风扇转子叶片裂纹失效分析[J].航空发动机，2019，45(01):12-16.
作者简介：翟峰，1985.11.22，男，汉族，河北保定市人，大学本科。主要研究方向：质量管理及检测技术。