渦輪葉片微焦點(diǎn)射線成像檢測(cè)方法研究

渦輪葉片微焦點(diǎn)射線成像檢測(cè)方法研究

發(fā)動(dòng)機(jī)輪廓是航空汽車的核心部件之一。工作量高，功能復(fù)雜，工作環(huán)境差。這是頻繁出現(xiàn)故障的零件之一。嚴(yán)格控制發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制造質(zhì)量是葉片制造商在生產(chǎn)葉片時(shí)的中心問(wèn)題。為了檢測(cè)渦輪葉片裂紋，于霞等本課題以含人工模擬線型缺陷的某型渦輪葉片、含微裂紋缺陷的某型渦輪導(dǎo)向葉片為對(duì)象，針對(duì)長(zhǎng)度為500μm、寬度為22μm范圍內(nèi)微裂紋，使用微焦點(diǎn)放大成像方法研究其檢測(cè)能力。1試驗(yàn)材料和方法1.1光電電極接收電路射線DR成像原理：射線機(jī)發(fā)射的X射線束透過(guò)被檢工件后以不均勻的射線強(qiáng)度照射在平板探測(cè)器上，平板探測(cè)器的閃爍體層將射線轉(zhuǎn)換為熒光發(fā)射，熒光被非晶硅光電二極管接收，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為電荷存儲(chǔ)在薄膜晶體管電容內(nèi)，通過(guò)讀出電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，形成數(shù)字圖像。微焦點(diǎn)射線DR放大成像是采用微米級(jí)焦點(diǎn)的射線源發(fā)射射線束，與射線DR成像原理一樣，以平板探測(cè)器接收射線獲取數(shù)字圖像，見(jiàn)圖1。與一般射線DR成像方法相比，由于射線機(jī)焦點(diǎn)尺寸更小，成像時(shí)被檢工件可以靠近射線源得到更高放大倍數(shù)的圖像，由于幾何不清晰度可忽略，也能獲得清晰成像。成像放大倍數(shù)由射線源焦點(diǎn)到平板探測(cè)器的距離(1.2葉身表面形狀檢測(cè)對(duì)象選用某型空心渦輪葉片、某型渦輪導(dǎo)向葉片。葉身是渦輪葉片的主要部分，主要包括前緣、后緣、葉盆、葉背4個(gè)部分，葉身表面通常為扭曲的變截面曲面，形狀復(fù)雜。采用冷卻技術(shù)能有效提升渦輪葉片的耐高溫性能，氣膜冷卻即在渦輪葉片葉身設(shè)計(jì)制造大量的小孔，冷卻空氣從葉片冷卻流道內(nèi)順著小孔流出到葉片外表面，形成一層氣膜，將葉片表面與高溫燃?xì)飧糸_(kāi)，從而達(dá)到冷卻渦輪葉片的目的。1.3人工模擬裂紋為研究射線檢測(cè)對(duì)葉片氣膜孔微裂紋的檢測(cè)能力，在某航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔周加工人工刻槽模擬裂紋缺陷，葉片形貌及模擬缺陷編號(hào)見(jiàn)圖2。在渦輪葉片表面加工7條人工模擬裂紋，其中葉盆側(cè)3條，葉背側(cè)4條。采用Carl-ZeissAxioscopevario正置光學(xué)顯微鏡對(duì)人工模擬裂紋缺陷寬度進(jìn)行測(cè)定，其寬度(1～7號(hào))實(shí)際測(cè)量結(jié)果分別為0.200、0.178、0.180、0.286、0.233、0.188、0.177mm。顯微照相定標(biāo)見(jiàn)圖3。圖像分辨率為2048×2040,圖中線條表征實(shí)際距離為5mm。測(cè)量5次取平均值，根據(jù)軟件計(jì)算得到標(biāo)尺為3.16μm/pix。圖3c為4號(hào)人工模擬缺陷單次測(cè)量結(jié)果。1.4微焦點(diǎn)射線源檢測(cè)設(shè)備對(duì)加工后的渦輪葉片以及含微裂紋缺陷的渦輪導(dǎo)向葉片進(jìn)行微焦點(diǎn)射線成像檢測(cè)。試驗(yàn)中采用射線檢測(cè)設(shè)備如下：射線源為FineTec公司225kV微焦點(diǎn)射線源，最小焦點(diǎn)尺寸為5μm;平板探測(cè)器為XRPad24336型平板探測(cè)器，閃爍體為碘化銫晶體，單個(gè)探測(cè)器單元尺寸為100μm×100μm,成像矩陣為3524×4288。1.5基于透射布局和參數(shù)選擇渦輪葉片葉身屬于變截面工件，厚度變化較大，且渦輪葉片人工模擬缺陷取向不同，一次透照無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)所有人工模擬缺陷的檢測(cè)2微裂紋成像檢測(cè)依據(jù)上述透照參數(shù)對(duì)微焦點(diǎn)射線源與平板探測(cè)器進(jìn)行設(shè)置，將得到的原始圖像進(jìn)行處理由于10號(hào)絲的直徑為0.4mm,在圖像中測(cè)量其直徑方向所占像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，測(cè)量5次取平均值，結(jié)果約為30個(gè)像素，計(jì)算得到標(biāo)尺為13.33μm/pix。在圖像中沿人工模擬缺陷寬度方向進(jìn)行測(cè)量得到測(cè)試值，將通過(guò)光學(xué)顯微鏡測(cè)定的人工模擬缺陷寬度作為實(shí)際值，計(jì)算檢測(cè)結(jié)果同模擬缺陷實(shí)際寬度的絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，在7組數(shù)據(jù)中，最大絕對(duì)誤差為0.013mm,最大相對(duì)誤差為6.50%,最小絕對(duì)誤差為0.004mm,最小相對(duì)誤差為2.10%。渦輪葉片人工模擬缺陷尺寸偏大，為了研究微焦點(diǎn)放大成像檢測(cè)方法對(duì)微裂紋缺陷的檢測(cè)能力，針對(duì)含微裂紋的某渦輪導(dǎo)向葉片進(jìn)行微焦點(diǎn)射線照相試驗(yàn)，葉身后緣邊緣有數(shù)量較多、排列密集的微裂紋群。為了研究不同放大倍數(shù)下對(duì)微裂紋檢出影響，在相同透照工藝參數(shù)下，放大倍數(shù)分別為5、10、15和20倍。選取同一位置的微裂紋，將不同放大倍數(shù)下成像結(jié)果均放大4倍，截取200×200像素范圍的局部結(jié)果，見(jiàn)圖5。平板探測(cè)器單元尺寸為100μm×100μm,放大倍數(shù)為5時(shí)，單個(gè)探元表征實(shí)際尺寸為20μm,此時(shí)寬度小于30μm的微裂紋幾乎不可見(jiàn)，當(dāng)放大倍數(shù)為10時(shí)，單個(gè)探元表征實(shí)際尺寸為10μm,試驗(yàn)結(jié)果較為清晰。隨透照放大倍數(shù)繼續(xù)提高，圖像質(zhì)量明顯提升，微裂紋缺陷更容易被檢出。在放大倍數(shù)為20的條件下，在葉身放置Ni絲型像質(zhì)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，依據(jù)灰度分布圖像計(jì)算標(biāo)尺，圖6為試驗(yàn)結(jié)果?；诰€灰度分布圖計(jì)算標(biāo)尺，以10號(hào)絲為基準(zhǔn)計(jì)算標(biāo)尺，根據(jù)線灰度分布圖和軟件計(jì)算得到標(biāo)尺為5.71μm/pix。對(duì)微裂紋尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果保留到微米級(jí)。圖6b中1號(hào)微裂紋長(zhǎng)度為392μm、寬度為21μm,2號(hào)微裂紋長(zhǎng)度為470μm、寬度為29μm。結(jié)果表明，使用微焦點(diǎn)放大成像方法能夠有效檢出長(zhǎng)度為500μm、寬度為22μm以內(nèi)的微裂紋。3試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量值與實(shí)際尺寸絕對(duì)誤差試驗(yàn)(1)渦輪葉片人工模擬缺陷檢測(cè)結(jié)果表明，微焦點(diǎn)放大成像方法能有效檢出7條人工模擬缺陷，試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量值與實(shí)