熊樂超，姜禹桐，孫鵬宇，張統(tǒng)偉，于潤橋

（無損檢測技術教育部重點實驗室（南昌航空大學），南昌 330063）

0 引言

渦輪葉片的制造質量對飛機發(fā)動機的性能影響很大，其長時間處于高轉速、高溫、高應力工作環(huán)境中，極易產(chǎn)生疲勞裂紋[1]。而葉片裂紋是危害飛行安全的重要影響因素。資料顯示，近年來航空發(fā)動機發(fā)生的重大事故中，絕大部分原因都是葉片的高周疲勞失效[2-3]；因此，采用無損檢測技術對渦輪葉片疲勞裂紋進行診斷有著重要意義。

渦輪葉片屬于復雜曲面結構[4]，針對葉片表面缺陷檢測，目前常用的檢測技術有磁粉、滲透、超聲、射線、渦流等方法[5]。磁粉檢測[6-7]可發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜、折疊、疏松等多種缺陷，但不能較好適用于復雜曲面葉片的批量現(xiàn)場檢測。滲透檢測[8-9]有著較高的靈敏度，但該技術只能檢出表面開口的缺陷。董瑞琴等[10]利用超聲檢測技術對發(fā)動機葉片深根部位裂紋進行檢測，但只能檢出深度2 mm以上的人工缺陷?？追睬俚萚11]通過分析數(shù)字射線成像（DR）的紋理特點，對渦輪葉片缺陷尺寸及形狀進行了測定，但DR 技術成本高，操作難度大。G.Zenzinger 等[12]利用渦流熱成像技術開展對渦輪葉片裂紋檢測的研究，檢測過程中容易受表面加熱不均的影響，若缺陷遠離線圈檢出率偏低。

綜上，現(xiàn)階段大部分無損檢測手段都能對渦輪葉片缺陷檢測有一定效果，但都有各自的局限性?；诖?，本研究以航空發(fā)動機渦輪葉片裂紋標準試塊為研究對象，驗證弱磁檢測技術對于渦輪葉片裂紋缺陷檢測的可行性，并利用優(yōu)化算法后的弱磁檢測方法提高檢測準確性。

1 弱磁檢測原理

任何物質都具有磁性。地磁場環(huán)境中，材料不同會導致其磁導率不同，磁場通過不同材料的磁感線方向變化可歸納為以下公式：

其中，界面兩側的磁感應線與界面法線的夾角分別記作θ1、θ2。葉片置于某處地磁場中時，葉片會受地磁場磁化作用產(chǎn)生極其微弱的磁場。該磁場與地磁場會產(chǎn)生疊加場，由式（1）可知：磁導率變化導致磁感線變化類似光的“折射”，H1、B1對應此試件疊加場磁場強度及磁感應強度，H2、B2對應裂紋處疊加場磁場強度及磁感應強度，由于二者磁導率不同，當葉片中存在磁導率較小的缺陷時，磁阻很大，為了減少磁阻，疊加場中磁感應線會選擇增大路徑面積的方式通過缺陷，磁感線路徑發(fā)生改變，造成檢測到的磁感應強度發(fā)生變化。一定深度范圍內，在不考慮裂紋被其他物質堵塞的情況下，當材料表面存在裂紋缺陷時，若檢測試件為順磁性材料或鐵磁性材料，裂紋內空氣磁導率μ′會低于材料本身相對磁導率μ，缺陷處磁感應強度會變小。反之，若檢測試件為抗磁性材料，μ′高于μ，缺陷處磁感應強度會變大。若材料表面裂紋寬度相同而深度不同時，表面裂紋深度越深，磁感應強度變化越劇烈。檢測原理如圖1 所示。

圖1 檢測原理Fig.1 Detection mechanism

2 材料及工裝設計

2.1 檢測材料

檢測試樣為鎳基合金渦輪葉片，屬于順磁性材料，在室溫下不呈現(xiàn)鐵磁性。試件示意圖及缺陷設置如圖2 所示。試件設計3 個裂紋缺陷：A 裂紋距榫頭位置47 mm，裂紋深度為0.4 mm，距葉片邊緣0.5 mm；B 裂紋距榫頭位置67 mm，裂紋深度為0.3 mm，距葉片邊緣2.5 mm；C 裂紋距榫頭位置87 mm，裂紋深度為0.2 mm，距葉片邊緣4.5 mm。

圖2 試件缺陷位置Fig.2 Defect location of test piece

2.2 掃查工裝設計

渦輪葉片屬于異形結構，實驗室弱磁檢測掃查裝置無法完全貼合葉片，磁異常信號的采集會受傳感器抖動及葉片提離高度變化影響，易造成漏檢錯檢。為能更好對渦輪葉片進行弱磁檢測，設計較為貼合葉片的人工掃查裝置，該掃查裝置采用硅膠材質以減小摩擦力。探孔部分由彈簧、弱磁探頭組成，在彈簧彈力作用下，探頭檢測面時刻緊貼葉片表面，以減少提離影響。掃查過程中緊貼葉片邊緣進行勻速掃查，減少測量誤差。探頭工裝設計如圖3 所示。

圖3 試件工裝設計Fig.3 Assembly design

3 檢測結果與分析

3.1 檢測原始信號

通過手動掃查對渦輪葉片進行裂紋檢測，為了確保檢測數(shù)據(jù)的準確性，選取不同路徑長度重復掃查。第一次掃查起點a距榫頭端部105 mm，掃查距離為80 mm；第二次掃查起點b距榫頭端部130 mm，掃查距離為100 mm。方向均為朝榫頭方向（圖2）。兩次掃查各探頭對應的原始信號如圖4 所示，異常信號以圓圈標注。

圖4 掃查原始信號圖Fig.4 Scanning signal diagram

3.2 結果分析

渦輪葉片屬于順磁性材料，磁性微弱。圖4中磁異常信號與正常信號區(qū)別很小，檢測人員經(jīng)驗不足可能會造成漏檢及誤判。本次試驗采用手動掃查，抖動會對原始數(shù)據(jù)造成極大影響，而裂紋長度一般不會超過3 組傳感器采集范圍，因此將3 組傳感器原始信號同時產(chǎn)生劇烈波動的數(shù)據(jù)點去除。為了提高檢測準確度，試驗首先使用了基于磁梯度的缺陷識別方法，將磁異常信號從原始信號中提取出來。以第一次掃查結果為例，圖5顯示了每個傳感器的磁梯度信號。磁梯度信號通過統(tǒng)計計算而來，表示的是一組數(shù)據(jù)的前后差分值，磁梯度數(shù)據(jù)能看出原始數(shù)據(jù)前后數(shù)值波動的劇烈程度。對于正態(tài)分布的隨機變量，其概率密度函數(shù)為：

圖5 各探頭磁梯度信號Fig.5 Magnetic gradient signal of each probe

圖5 中橢圓部分為超出閾值線部分的磁梯度異常數(shù)據(jù)，其中，1#探頭磁梯度異常峰值位置為36.3、58.5 mm，換算至距榫頭實際距離為68.7、46.5 mm。2#探頭磁梯度異常峰值位置為15.6、36.3 mm，換算至距榫頭實際距離為89.4、68.7 mm。3#探頭磁梯度異常峰值位置為15.5 mm，換算至距榫頭實際距離為89.5 mm。由于采用手動掃查，缺陷檢出位置會有些許誤差，檢測磁異常位置與實際缺陷位置（圖2）最大誤差不超過2.5 mm。若使用自動化設備對葉片缺陷進行檢測，預計檢測準確度會有明顯提高。從實驗結果可以看出，磁梯度信號能較明顯地抓住缺陷信號，但仍有部分正常區(qū)域數(shù)據(jù)波動較大，可能出現(xiàn)誤判（圖5 方框處）。

為了提高異常信號辨識度，提出一種基于磁梯度信號的信號處理方法。由于裂紋缺陷部位原始信號會呈現(xiàn)凹陷或凸起的信號特征，表現(xiàn)在磁梯度信號圖上則為梯度信號線會穿過0 點，提取磁梯度信號過0 點兩端極值并做差分處理，去除15 nT 以內極值差分信號以消除噪聲干擾，所得差分信號如圖6 所示。結果表明，極值差分一次處理信號與磁梯度法一次處理信號相比，磁梯度法易受噪聲干擾影響，需要檢測人員根據(jù)經(jīng)驗對缺陷檢測靈敏度進行調整方可實現(xiàn)準確檢測，靈敏度調整不當則可能導致誤判。而通過對磁梯度信號進行極值差分處理后異常信號得到放大的同時消除了噪聲的干擾。由處理結果可看出，針對葉片裂紋缺陷，磁梯度法與極值差分處理結合的信號處理方法檢測效果良好，缺陷信號顯示直觀，降低了檢測人員檢測難度，說明該方法適用于對葉片裂紋缺陷的判別。

圖6 各探頭極值信號Fig.6 Extreme value signal of each probe

由于渦輪葉片受地磁場磁化使得葉片本身產(chǎn)生了微弱磁場，測磁傳感器接收來自渦輪葉片與地磁場疊加場的磁感應強度，磁場是具有方向的，疊加場的磁場方向為兩者磁場方向的矢量和，而在小范圍內地磁場波動較小，疊加場的磁場方向可以近似為渦輪葉片的磁場方向，在試件外部磁感線從N 極到S 極，磁感應強度由正到負；從S 極到N 極，磁感應強度由負到正。此次試驗可以認為從S 極方向N 極方向掃查，疊加地磁場磁感應強度后，造成磁感應強度由從負到正的上升趨勢變?yōu)榇鸥袘獜姸仁冀K為正值的上升趨勢，因此磁感應強度會隨掃查長度增加而增加。從圖4 可看出，原始曲線具有較好的重復性，產(chǎn)生磁異常的位置基本一致，說明檢測結果是較為準確的。磁感應強度數(shù)值的些許偏差是由于掃查位置及背景場不同影響導致的，檢測過程是手動掃查，會存在一定測量誤差。移去葉片，用測磁傳感器對同一位置進行空采，發(fā)現(xiàn)磁感應強度有約800 nT 差值，證明了測磁傳感器接收的是渦輪葉片與地磁場疊加場的磁感應強度。該材料為順磁性材料，而刻傷裂紋內部填充物為空氣。由弱磁檢測原理可知，缺陷磁場強度會有所下降。整體磁場信號在缺陷部位會呈現(xiàn)下凹趨勢。第一次掃查結果中，1#探頭磁異常峰值對應圖4 中36.8、59.6 mm，2#探頭磁異常峰值對應圖4 中16.1、37.5 mm，3#探頭磁異常峰值對應圖4 中15.8 mm，換算至距榫頭距離：1#探頭磁異常峰值在68.2、45.4 mm 左右；2#探頭磁異常峰值在88.9、67.5 mm 左右；3#探頭磁異常峰值在89.2 mm 左右。第二次掃查結果中，1#探頭磁異常峰值對應圖4 中63.0、82.0 mm，2#探頭磁異常峰值對應圖4 中44.0、62.0 mm，3#探頭磁異常峰值對應圖4 中44.0 mm，換算至距榫頭距離：1#探頭磁異常峰值在67、48 mm 左右；2#探頭磁異常峰值在86、68 mm 左右；3#探頭磁異常峰值在86 mm 左右。與實際缺陷距榫頭端部位置47、67、87 mm 基本吻合（圖2）。最后，計算磁異常部分磁場強度差值，判斷缺陷深度與磁感應強度的關系，結果如表1 所示。

表1 各缺陷磁感應強度差值Table 1 Difference of magnetic induction intensity of each defect

因掃查探頭直徑為1.8 mm，掃查范圍在2.2 mm左右，因此，掃查過程中裂紋A、B 磁異常信號會同時被2 個傳感器接收，造成磁異常信號偏多。由檢測結果可看出，裂紋深度在0.2～0.4 mm 時，裂紋缺陷表面深度越深，磁感應強度差值越大。

4 結論

1）使用弱磁檢測技術對邊緣裂紋進行手動掃查，數(shù)據(jù)處理得出的磁異常位置與缺陷距榫頭實際位置偏差在2.5 mm 以內。

2）通過磁梯度法與極值差分結合的信號處理方法能放大渦輪葉片磁異常特征，提高缺陷檢測準確率。

3）0.2～0.4 mm 深度的裂紋，其產(chǎn)生的磁異常信號隨深度增加而增加。

4）研究提出的弱磁檢測方法能檢測出深度在0.4 mm 以內的渦輪葉片裂紋缺陷，缺陷信號顯示直觀。