高温合金闭式叶轮的工业CT检测

在发动机中，高温合金叶轮位于燃烧室和导向器之后，叶片工作于高温腐蚀性的燃气环境中，需承受极高的热应力和机械应力。为了降低叶轮的制造成本和避免榫头装配应力的产生，小型涡轴发动机广泛采用轴向和径向整体铸造叶轮。由于叶轮工作在高温、高冲击的环境下，容易发生蠕变断裂，所以叶轮的铸造质量检验就成了重要的生产环节。某型整体铸造的高温合金闭式叶轮(含低压离心叶轮和高压闭式叶轮)采用的均为多层、薄壁、曲面流道的内腔与较大直径轴颈相连的整体复杂结构。图1叶轮结构示意01

现有检测工艺对于叶轮的薄区，可利用常规电压450kV的X射线保证叶轮薄区的有效检测覆盖，具体可选择的透照方案示意如下图所示。

图2薄区常规X射线检测的透照方案由图2可见，通过选择不同透照角度，可以尽可能地避免厚大区域的遮挡，从而实现对薄区的检测。即通过垂直、水平、倾斜45°和倾斜10°等方向透照，能够对薄区进行检测。02

存在的问题在结构上，由于叶轮采用三重、曲面的叠加结构，不仅变截面区域较多，且叶轮心部厚大，最大厚度超过80mm(见下图)，因此采用常规的无损检测手段无法实施有效检测，对于X射线检测，其叶轮心部的厚大区域采用电压450kV及以下的X光机无法穿透，其内部质量无法检测。

图3叶轮内部结构示意03

解决方案

通过分析叶轮的铸造工艺及工艺缺陷特征，结合现有成熟无损检测手段的技术特点和叶轮的检测厚度范围，确认上述叶轮厚大区域内部缺陷的检测，宜采用高能X射线工业计算机断层扫描(CT)检测技术来实施。CT能在不破坏被测物体的情况下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材料及缺损状况等。与数字射线、X射线照相等射线检测方式不同，工业CT获取到的是二维断层或三维立体的图像，而不是重叠的图像。高精度的CT图像，能够准确地反映出被检对象内部的空间位置、形貌、尺寸、密度等信息。04

检测设备

检测采用的设备为9MeV高能X射线工业CT系统，由电子直线加速器X射线源、探测与采集传输、机械、控制、图像重建处理、安全防护与报警等子系统组成。电子直线加速器X射线源子系统用于产生高能X射线；探测与采集传输子系统将X射线转换成电信号并进行滤波、放大等处理，再通过A/D(模/数)转换为数字信号，最后输送到计算机中进行处理；机械子系统是整个系统的基础，为加速器机头、探测与采集子系统、工件提供载体，并提供扫描所需的各种高精度运动；控制子系统是整个系统的指挥中心，完成成像所需的各种运动，实现系统自检自诊断、状态监控、安全保护、数据采集同步等功能；功能图像重建处理子系统对送来的数据进行整理、校正、处理、显示出扫描的图像，并提供各种定性和定量分析工具，帮助操作人员对扫描工件的特征和品质进行分析和判断；安全防护与报警子系统采用安全联锁、声光报警、摄像监控等措施，以保证现场人员的安全。05

系统性能指标校验依据国家标准GB/T29069-2012《无损检测工业计算机层析成像(CT)系统性能测试方法》和GB/T29067-2012《无损检测工业计算机层析成像(CT)图像测量方法》对系统主要性能指标进行校验。实际校验后，系统空间分辨达到2.5lp/mm(调制度10.71%)，密度分辨率达到0.3%，尺寸测量精度达到0.05mm，密度测量精度达到1.0%，均达到系统标称技术指标。06

检测工艺参数选择1扫描方式闭式叶轮的最大回转直径不超过400mm，因此采用三代CT扫描方式。2射线源参数对于电子直线加速器，在能量一定时，增加其出束频率可提高射线强度，增强信噪比。加速器出束频率设为200Hz。3切片厚度切片厚度越小，越有利于提高纵向分辨率，增强未贯通切片异物的缺陷检出灵敏度，但会降低信噪比和密度分辨能力；切片厚度越大，越有利于提高信噪比、改善密度分辨能力，但会降低纵向分辨率。切片厚度并非越大或越小最好，而需根据具体情况综合确定，此处切片厚度选定为1.0mm。4图像矩阵要在CT图像上分辨Ф0.25mm的气孔，则缺陷至少应约占1~4个像素，故图像矩阵设定为2048像素×2048像素。07

检出能力验证为了模拟工件实际检测条件下的缺陷分辨能力，特选用实际工件，在其上厚区和薄区部位分别制作直径为0.5，1.0mm的人工孔缺陷。

图5试件厚大区域人工孔CT检测图像图6叶片区域人工孔CT检测图像08

试验结果与分析通过对检测工件扫描结果的分析，9MeV高能X射线工业CT系统能清晰分辨出工件中Ф0.5，Ф1.0mm的人工孔缺陷。09

实际工件检测在上述试验条件下，采用该设备对实际工件进行检测，发现了其中的气孔、缩孔等缺陷，如下图所示。通过CT切片图像及图像软件测量功能，可以准确定位缺陷在壁上所处的深度位置。

图7叶轮实际缺陷CT图像结语针对高温合金闭式叶轮