图 1 涡轮叶片气膜冷却孔实物
编辑：无损检测证书挂靠网 时间：2024-12-11 14:07:42
作者简介:
杨懿帆（1998—）,男,硕士研究生,研究方向为电磁无损检测技术应用,yyifan@stu.xjtu.edu.cn
气膜冷却孔在航空发动机涡轮叶片的冷却技术中十分重要。冷却空气通过气膜冷却孔在涡轮叶片表面形成一层冷却气膜,从而避免涡轮叶片与高温燃气的直接接触,达到保护涡轮叶片的目的[1-2],其实物如图1所示。受限于目前的加工技术,气膜冷却孔在加工制造环节容易出现加工损伤,产生孔周裂纹,裂纹缺陷会导致应力集中,使得涡轮叶片在恶劣的工作环境中更加容易损坏,甚至引发飞行事故。涡轮叶片的结构完整性很大程度上决定着叶片的使用寿命[3]。基于涡流方法的无损检测技术在涡轮叶片完整性评价中发挥着关键作用,在其加工制造环节,通过涡流检测方法对有加工缺陷的叶片及时地进行检测与控制,可最大限度地避免缺陷导致的叶片失效。
涡流检测（Eddy current testing,ECT）广泛用于检测金属材料表面和亚表面的裂纹,近年来,多种类型的差分涡流检测探头被用来检测涡轮叶片的表面裂纹[4-6],但是由于气膜冷却孔的干扰,ECT对于孔周裂纹的检测具有很大的难度。工业CT技术是解决精确测量单晶叶片壁厚所面临的技术问题的有效方法,但其不能在役工作[7]。红外热成像（Infrared thermography,IRT）具有单次检测面积大、快速、安全和非接触检测等优点,适合检测涡轮叶片冷却通道的堵塞情况[8-9]。同样受制于气膜冷却孔对于孔周裂纹检测的干扰,IRT不能用于检测冷却孔边缘的裂纹。旋转涡流检测方法（Rotating eddy current testing,RECT）由两个正交矩形线圈作为激励线圈,相比于传统的涡流检测线圈,其对任意方向的裂纹缺陷都具有高灵敏度,因此更加适用于气膜冷却孔孔周裂纹的检测。
HOSHIKAWA 等[10-11]提出了旋转涡流法,当两个正交的励磁线圈载有90°相位的电流时,会产生一个均匀方向的旋转磁场。YE等[12-15]提出了一种用于蒸汽发生器管道的新型旋转涡流探头,该探头对轴向和周向缺陷都很敏感,且在较宽频率范围内仍具有高灵敏度。然而,在RECT的检测过程中,涡流的旋转速度过快,与激励电流的频率相同,而激励频率解调时,一个扫描点中仅能获得一个数据。为了控制涡流的旋转速度,HAMIA等[16]提出了一种新的旋转涡流方法来产生伪旋转交流磁场。激励电流是调幅电流,该方法显著提升了对任意方向深裂纹的检测灵敏度。通过调制旋转涡流,LIU等[17]提出了一个新的特征参数来表征非铁磁性和铁磁性材料中所有具有不同分布角的裂纹。朱玉龙等[18]基于有限元-边界元 （Finite element-boundary element,FEM-BEM）混合代码开发出了调幅旋转涡流（Amplitude modulation rotating eddy current testing,AMRECT）的数值模拟方案,发现AMRECT对于检测单孔边缘不同尺寸和方向的裂纹非常有效。实际的涡轮叶片有着复杂的曲率结构且气膜冷却孔数量多达数十至上百个,因此研究适合涡轮叶片表面密集气膜冷却孔周表面及背面裂纹的柔性阵列检测探头十分必要。
文章探究了基于调幅旋转涡流检测技术的柔性阵列检测探头及阵列信号缺陷识别方法,通过分析不同工况下气膜冷却孔的阵列检测信号数值模拟结果,提出了基于阵列检测信号相位与幅值信息的微小孔周背面裂纹识别方法。通过搭建试验系统和开展验证试验,验证了旋转涡流柔性阵列检测探头及阵列信号缺陷识别方法的有效性,实现了对于微小孔周背面裂纹的有效检测。
柔性阵列检测探头的激励线圈如图2所示,激励线圈采用双层柔性电路板,上下两层激励线圈互相垂直,两层激励线圈分别通入的激励电流表达式为
式中：I1与I2分别为上下两层激励线圈中的激励电流；sin ω1t与cos ω1t是两个相位差为90°的低频调制函数,用以提供旋转涡流的旋转场；ω1为旋转涡流场的旋转频率；ω0为旋转涡流的激励频率；I0为旋转涡流的激励电流幅值,其中
当激励线圈中通入式（1）,（2）的调制激励信号时,感应涡流将在被检试件表面以频率ω1进行周期性旋转,因此该线圈会对任意方向的裂纹敏感,当裂纹的长度方向与感应涡流的方向垂直时所产生的涡流扰动最大。为了检测拾取孔周裂纹所产生的涡流扰动,将水平布置的饼式线圈均匀布置在激励线圈的下方且与孔同轴。
对于调幅旋转涡流检测技术来说,两个互相垂直的激励线圈同时激励一个检出线圈后同时接收,可以等效为两个激励线圈分别激励同一检出线圈接收电压信号然后叠加的问题。由于调制函数的旋转频率ω1远小于线圈的激励频率ω0,可以忽略涡流旋转频率对检波频率的影响。根据叠加原理,检出线圈的检测电压信号为
式中：
基于A–ϕ方程的有限元-边界元（FEM-BEM）混合方法高效适用于非铁磁性材料的涡流检测问题的数值模拟[19]。电压信号
建立了一个简化的涡轮叶片冷却气膜孔周背面裂纹多孔板模型,如图3所示。8个孔沿板的y方向均匀分布,孔的参数如表1所示。Inconel 718板材的尺寸（长×宽×高）为100 mm×100 mm×1.2 mm,电导率为1.0 MS/m,相对磁导率为1.0。
| 项目 | 参数 |
|---|---|
| 孔数 | 8 |
| 孔径/mm | 0.5 |
| 孔间距/mm | 3 |
| 板厚/mm | 1.2 |
为优化网格质量提升仿真计算的效率和准确性,对小孔附近局部区域的有限元网格进行细化处理,同时对小孔附近的网格节点进行了局部调整。小孔附近网格和建立的涡轮叶片气膜孔简化多孔板的数值模拟模型如图4所示。
在不同位置孔的边缘设置孔周内壁裂纹来模拟叶片冷却气膜孔的边缘内壁裂纹,所设置的不同工况的裂纹参数如表2所示。
| 项目 | 裂纹位置 | 长度/mm | 宽度/mm | 深度/% |
|---|---|---|---|---|
| 工况一 | 5号孔 | 1 | 0.2 | 50 |
| 工况二 | 3号孔 | 1 | 0.2 | 50 |
| 工况三 | 1号孔 | 1 | 0.2 | 50 |
各工况的气膜孔周内壁裂纹位置及尺寸示意如图5所示,图中灰色矩形为气膜冷却孔的侧视图,黑色矩形为孔周内壁裂纹。
新型柔性阵列旋转涡流检测探头实物及结构示意如图6所示,该探头由柔性并联激励线圈、饼式检出线圈和柔性硅胶垫板3部分组成,其中柔性硅胶垫板上的挖槽用于固定激励线圈和检出线圈的连接电路。柔性并联激励线圈由上下两层激励线圈构成,检出线圈由8个饼式线圈按照“一”字形排布。
探头的参数如表3所示。激励线圈的激励频率为200 kHz,旋转涡流的旋转频率为10 Hz,远小于激励频率,因此可以忽略涡流转速的影响。在检测过程中,孔的轴线与饼式检出线圈的轴线同轴。
| 项目 | 上层激励线圈 | 下层激励线圈 | 饼式检出线圈 |
|---|---|---|---|
| 内径/mm | — | — | 0.25 |
| 外径/mm | — | — | 2.5 |
| 长度/mm | 39.4 | 39.4 | — |
| 宽度/mm | 30 | 30 | — |
| 提离/mm | 1.2 | 1.2 | 0.1 |
| 电流I0/A | 1 | — | — |
| 激励频率/kHz | 200 | 200 | — |
进行数值计算时,首先将激励线圈中心置于8个无裂纹阵列孔对照组的对称轴上方,使用饼式检出线圈依次在每个孔的轴线进行检测,通过式（3）计算电压信号,逐一获得每个阵列孔的参考电压信号实部和虚部；然后分别对有孔周裂纹缺陷的对照组重复上述操作,得到每个阵列孔的检测电压信号实部和虚部；最后将检测电压信号实部和虚部与参考电压信号实部和虚部进行差分计算,得到各阵列孔的差分电压信号实部与虚部。为提取阵列检测信号的相位信息,将各阵列孔的差分电压信号实部与虚部编号后绘制成李萨如图,提取各孔的相位值如图7所示。
从图7中各工况的李萨如图可以看出,裂纹所在孔及其相邻孔的差分信号实部与虚部的最大值远大于其他远离裂纹的孔位的,这是由于裂纹会对涡流场产生扰动,饼式检出线圈越靠近裂纹其检测信号受到的涡流扰动也就越大,所获得的差分检测信号实部与虚部的值就越大。从图7中各工况的差分信号相位图可以看出,所提取的李萨如图中各个孔的差分检测信号相位值会在裂纹所在孔附近发生突变,差分检测信号相位值在裂纹指向孔处发生相位的骤减,裂纹所在孔处的差分检测信号相位值相较于裂纹指向孔处的相位值有所增加,然后差分检测信号相位值在裂纹背离孔处再次减小,即差分检测信号相位值在裂纹所在孔处表现为局部极值。
检测信号的相位信息反映被检试件的深度信息,由于被检裂纹缺陷为孔周背部内壁裂纹,涡流场的扰动是被检试件深度尺度上内部的裂纹缺陷导致的,这就使得有裂纹缺陷的检测信号相位与无裂纹缺陷的对照组相位有较大差异。
对比工况一、二的差分信号李萨如图和相位图可知,裂纹分别位于5,3号孔时,各个孔的差分信号相位值分别在4,5,6号孔和2,3,4号孔处发生突变。在突变的孔位中,差分信号相位值先增大后减小；在裂纹所在孔处,差分信号相位值为局部极大值。图5（c）中裂纹位于边缘1号孔,使得差分信号相位值仅在1和2号孔处发生突变,其中1号裂纹所在孔处的差分信号相位值大于2号孔处的。
在同一工况下,计算每个气膜孔在一个旋转周期内各时刻的幅值,绘制一个旋转周期内的差分检测信号幅值极坐标图,结果如图8所示。由图8可以看出,在3种工况下裂纹所在孔的差分检测信号幅值最大值的连线与实际的裂纹长度方向一致,均与水平方向的夹角为0°。这是由于在一个旋转周期内,当涡流场方向与裂纹长度方向垂直时,裂纹对涡流场所造成的扰动最大,此时饼式检出线圈所检测到的差分检测信号幅值最大。在一个旋转周期内,涡流场方向与裂纹长度方向两次垂直,故出现两次差分检测信号幅值的最大值。
通过比较讨论3种工况下的孔周背面裂纹旋转涡流阵列检测数值模拟结果,文章提出了一种气膜孔周背面内壁裂纹检测的缺陷识别方法：首先,检测得到阵列气膜孔的差分电压检测信号李萨如图和极坐标图；然后,提取差分电压信号李萨如图中各个气膜孔的相位值,若此组阵列气膜孔中无裂纹则各个气膜孔的相位值基本保持不变,若此组阵列气膜孔中存在孔周背面裂纹则会在孔周裂纹的指向孔、所在孔和背离孔3个孔的位置发生相位的突变,其中裂纹所在孔处的相位为局部极值；最后,观察差分检测信号极坐标图,裂纹所在孔的检测信号极大值连线方向即为孔周背面裂纹的延展方向。
柔性阵列旋转涡流检测探头的柔性硅胶垫板中设置有焊点隐藏槽,用以消除焊点凸凹产生的提离噪声。相比于传统串联电路的激励线圈需要占用大面积的回路区域,FPC柔性并联电路激励线圈既可以形成均匀的涡流场又不需要有绕回电路,极大程度地减小了激励线圈的面积,从而实现探头的小型化。采用FPC柔性印制电路板来制作并联激励线圈实现探头的柔性化,使得探头可以贴合复杂型面的涡轮叶片的同时又可以降低提离噪声,提高检测精度。阵列排布饼式检出线圈置于每个孔的正上方且与孔同轴,可以代替传统的扫查式线圈,从而提高检测效率。柔性阵列旋转涡流检测探头实物如图9所示,探头参数如表4所示。
| 线圈类型 | 项目 | 参数 |
|---|---|---|
| 并联电路激励线圈 | 激励频率/kHz | 200 |
| 电抗/mΩ | 413.37 | |
| 阻抗/mΩ | 609.55 | |
| θ/（°） | 42.70 | |
| 饼式检出线圈 | 内径/mm | 0.5 |
| 外径/mm | 2.5 | |
| 提离/mm | 1.2 | |
| 线径/mm | 0.05 | |
| 电阻/Ω | 17 | |
| 匝数 | 416 |
文章搭建了调幅旋转涡流阵列检测试验系统,如图10所示。试验系统由信号发生器、移相器、锁相放大器、示波器、多路器和PC控制端组成。移相器形成两个具有90°相位差的低频调制函数信号同时与高频激励信号相乘,形成两个相位差为90°的调幅激励电流分别输入到上下两层的并联电路激励线圈中；使用锁相放大器实现饼式检出线圈的检波和滤波；使用PC控制端和多路器来实现各饼式检出线圈阵列单元的切换,完成对各气膜孔的检测；由示波器进行检测信号实部与虚部的显示和储存。
文章以工况二为例开展了验证试验,以718镍基高温合金材料制作8气膜孔试验模型（试件正面见图11）。孔与裂纹参数同表1和表2,使用新型柔性阵列旋转涡流检测探头开展试验,探头参数同表4。
试验中旋转涡流调制函数的频率为10 Hz,即涡流旋转的周期为0.1 s,设置高频激励频率为200 kHz,激励电压信号幅值为0.3 V。首先将探头依次布置在参考组的8个孔的正上方,分别在柔性并联激励线圈的上层线圈和下层线圈中通入相位差为90°的调制信号,然后通过多路器从左至右依次控制8个饼式检出线圈对8个阵列气膜孔进行检测,激发时间间隔设置为0.4 s,采集每个孔两个周期（0.2 s）的试验信号作为参考信号。然后,重复上述信号采集过程,对有孔周裂纹测试组进行相同的检测,并获得每组的检测信号。接下来,使用MATLAB软件通过正弦曲线拟合参考信号和检测信号。最后,通过对参考信号和相同孔位检测信号的拟合函数进行差分,得到每种情况下的差分电压信号,并提取一个周期的信号进行分析。根据所得到的差分电压信号试验结果绘制李萨如图,计算李萨如图中每个孔的差分电压信号在一个周期内最大幅值处的相位值绘制差分电压信号相位图,计算每个孔位在一个旋转周期内各时刻的幅值绘制一个旋转周期内的差分电压信号幅值极坐标图。所得到的工况二差分电压信号李萨如图、相位图和幅值极坐标图如图12所示。
由图12（a）,（b）可以看出,差分信号的相位值在2,3,4号孔处发生突变,在突变的3个孔位中差分电压信号相位在3号孔处为局部极大值,判断裂纹位于3号孔,与试验工况一致。由图12（c）可以看出,3号裂纹所在孔的差分电压信号幅值最大值的连线与实际的裂纹长度方向一致。
通过比较图12与图7,8发现,试验结果和模拟结果具有相似的趋势。李萨如图中各孔的差分信号相位值在裂纹指向孔、所在孔和背离孔处发生突变,在发生信号相位值突变的孔位中裂纹所在孔的差分信号相位值取得极值,在差分电压信号幅值极坐标图中,裂纹所在孔位的差分电压信号幅值最大值的连线方向与实际的裂纹长度方向一致。
与仿真结果相比,李萨如图中各个孔位的差分信号并不是直线而是具有一定的面积,分析认为其原因为：试验过程中探头中心位置相对于孔产生了与裂纹长度方向垂直的偏心误差,导致饼式检出线圈与孔不同轴,并且存在的加工误差使得气膜孔空洞非标准圆；同时,偏心误差和试件加工误差的存在,导致试验结果中差分电压信号幅值极坐标图中各孔处的差分电压信号幅值最大值的连线方向不一致和裂纹所在孔位处的差分电压信号幅值不是最大。
文章提出了基于调幅旋转涡流技术的柔性阵列涡流检测方法,以及基于阵列调幅旋转涡流检测信号相位和幅值信息的气膜孔周背面裂纹缺陷的识别方法。通过建立简化的有限元多孔模型,基于有限元-边界元（FEM-BEM）混合方法对不同孔周背面裂纹的检测进行了数值模拟,发现差分电压信号李萨如图中各个孔的差分检测信号相位值会在裂纹所在孔附近发生突变,差分检测信号的相位值在裂纹所在孔处为局部极值；差分电压信号幅值极坐标图中裂纹所在孔的幅值最大值间的连线为孔周裂纹的实际延伸方向。文章设计制作了新型柔性阵列旋转涡流检测探头,并开发了调幅旋转涡流阵列检测系统,通过多路器和开发的C++自动检测程序实现了各阵列检测线圈的自动切换检测。使用所设计的涡流检测探头和阵列检测系统开展了基于阵列调幅旋转涡流检测信号相位信息的缺陷识别方法的验证试验,试验结果验证了所提出的基于差分电压信号相位和幅值信息的气膜孔周背面裂纹缺陷识别方法的有效性。
