莊志強(qiáng)，陳 琛，李玉龍，王 森，姜 煒，錢月林

（1.上海材料研究所，上海 200437；2.中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200240）

國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)大型機(jī)匣鑄件的X 射線檢測(cè)，具備完善的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、成熟的檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)［1－4］。

我國(guó)研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后機(jī)匣（圖1）由鎳基合金澆注而成。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，機(jī)匣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有外形尺寸大、最小壁厚小、變壁厚、多轉(zhuǎn)折、空心等特點(diǎn)；在澆注凝固過(guò)程中，鑄件內(nèi)部容易產(chǎn)生氣孔、夾雜、縮孔、疏松、裂紋等缺陷；表面容易產(chǎn)生澆注不足、冷隔、留痕等缺陷。

圖1 渦輪后機(jī)匣示意

為了保證機(jī)匣鑄件的內(nèi)部和表面質(zhì)量，筆者用X 射線檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了專用的檢測(cè)工裝，實(shí)現(xiàn)多角度照射，排除檢測(cè)盲區(qū)；分析了包括透照區(qū)域劃分、透照方式、透照布置、透照參數(shù)及膠片選擇等在內(nèi)的各項(xiàng)射線檢測(cè)工藝。提出的針對(duì)機(jī)匣的專用X 射線檢測(cè)方法，可提供評(píng)估機(jī)匣鑄件的冶金質(zhì)量、缺陷尺寸、缺陷位置等原始數(shù)據(jù)；并對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)定，保證機(jī)匣的長(zhǎng)壽命及高可靠性意義重大。

1 機(jī)匣的質(zhì)量要求

（1）100%檢測(cè)，不允許存在檢測(cè)盲區(qū)。

（2）在任何情況下，最厚和最薄截面處的射線照相靈敏度水平至少要達(dá)到2%。

（3）像質(zhì)計(jì)的材料成分與被檢機(jī)匣相同或與機(jī)匣具有相同的吸收特性。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)使用的射線檢測(cè)像質(zhì)計(jì)不可用或材料厚度低于像質(zhì)計(jì)的厚度范圍時(shí)，也可采用不同類型的像質(zhì)計(jì)，這時(shí)應(yīng)使用等效因子（可在相關(guān)資料上查得）進(jìn)行換算。換算方法如下：用鎳基合金相對(duì)于其他金屬或合金的等效因子乘以X 射線檢測(cè)部位厚度得到鎳基合金相當(dāng)于其他合金的等效厚度，再用看到的最細(xì)像質(zhì)計(jì)絲徑除以等效厚度再乘以百分之一百就得到射線檢測(cè)靈敏度。

2 機(jī)匣射線檢測(cè)的難點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜。機(jī)匣由整體精密鑄造而成，具有截面多變，轉(zhuǎn)角多的特點(diǎn)。

（2）厚度多變。機(jī)匣壁厚最薄處為2.5mm，最厚處為30mm。

（3）輪廓外形尺寸大。

根據(jù)以上機(jī)匣外形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，射線檢測(cè)存在的難點(diǎn)主要是：透照區(qū)域的劃分、透照方式、透照布置（貼片、透照角度、散射線屏蔽）、透照參數(shù)（電壓、焦距）的選擇等。

3 機(jī)匣透照區(qū)域的劃分

機(jī)匣外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，正確劃分透照區(qū)域非常關(guān)鍵。因?yàn)檎_劃分透照區(qū)域不僅可以保證射線底片質(zhì)量及100%檢測(cè)，還可以通過(guò)減少透照次數(shù)來(lái)提高檢測(cè)效率。

此機(jī)匣由空心支板（14個(gè)）、內(nèi)環(huán)、外環(huán)分流環(huán)、法蘭、吊耳、安裝吊耳、出氣孔等組成，將這些部位按照結(jié)構(gòu)和厚度進(jìn)行分區(qū)，共分為11個(gè)區(qū)（A～H 區(qū)、J～L區(qū)），再將每個(gè)分區(qū)劃分為若干個(gè)小區(qū)（一次透照的有效范圍），然后根據(jù)各區(qū)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定透照參數(shù)及布片，該鑄件共需透照約498次。

4 膠片的選擇

此機(jī)匣部分部位截面多變，厚度多變。由于不可能分別針對(duì)不同厚度進(jìn)行多次透照，試驗(yàn)使用雙膠片技術(shù)，選用感光度不同的膠片（AgfaD4、D7）同時(shí)進(jìn)行透照；為了保證影像質(zhì)量，試驗(yàn)選用細(xì)顆粒膠片（AgfaD4）。這樣既得到了較高的影像對(duì)比度，又具有適當(dāng)?shù)膶捜荻龋岣吡藱z測(cè)效率。

5 透照方式

5.1 單壁透照

①外環(huán)（A 區(qū)）。②法蘭（外環(huán)大端B區(qū)）。③內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)接區(qū)外（C 區(qū)）。④內(nèi)環(huán)（D 區(qū)）。⑤內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)接區(qū)內(nèi)（D 區(qū)）。⑥法蘭（內(nèi)環(huán)斜面E 區(qū)）。⑦D 面凸臺(tái)（F區(qū)）。⑧法蘭（外環(huán)小端G 區(qū)）。⑨吊耳（H區(qū)）。⑩出氣孔臺(tái)階（J區(qū)）。○1 安裝吊耳法蘭（K區(qū)）。○12 法蘭（內(nèi)環(huán)法蘭L區(qū)）。

5.2 雙壁透照

支板（C區(qū)）：由于機(jī)匣支板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在透照時(shí)需進(jìn)行雙壁透照，相對(duì)來(lái)說(shuō)雙壁透照的底片質(zhì)量較差，但最主要的問(wèn)題在于缺陷定位困難，此次試驗(yàn)通過(guò)改變射線源、被檢部位和底片的相對(duì)位置，來(lái)確定缺陷所在的位置，以便返修和工藝改進(jìn)。即，主要通過(guò)檢測(cè)工裝改變機(jī)匣的空間位置，從而改變射線源的透照角度，使缺陷投影發(fā)生變化，再結(jié)合前面拍攝的底片對(duì)比，判斷出缺陷位于雙壁的上壁還是下壁。

6 散射線的防護(hù)

在射線檢測(cè)中，散射線的屏蔽是重要的，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度變化大的工件，如不屏蔽或屏蔽不好，到達(dá)膠片的散射線過(guò)多，會(huì)造成底片的有效評(píng)定區(qū)減小、對(duì)比度降低，使靈敏度嚴(yán)重下降。

散射線主要來(lái)自于透照工件本身及靠近工件背面與周圍的物體，分為前散射、背散射、邊蝕散射。由于機(jī)匣屬于復(fù)雜構(gòu)件、厚度變化大，射線透照時(shí)產(chǎn)生的這些散射線很強(qiáng)，因此在每次透照過(guò)程中，都必須注意散射線的防護(hù)問(wèn)題，解決措施為：①機(jī)匣非透照區(qū)域，用鉛板進(jìn)行屏蔽。特別是透照部位有厚度差的邊緣或有內(nèi)孔，要用多層薄鉛板、鉛泥塞緊或包緊，以防止邊蝕現(xiàn)象造成有效檢測(cè)范圍的縮小和靈敏度的降低。②膠片暗袋背面加鉛板屏蔽，以防止透照部位背面及周圍部位產(chǎn)生的散射線造成對(duì)比度和靈敏度的降低。③每個(gè)分區(qū)進(jìn)行第一次透照時(shí)，背散射利用“B”鉛字標(biāo)記進(jìn)行驗(yàn)證。

由于散射線主要來(lái)自于透照工件本身及靠近膠片的工件結(jié)構(gòu)，采取①和②措施，可以使機(jī)匣本身非透照部位不與一次射線作用，從而不產(chǎn)生低能量的散射線；機(jī)匣中的較薄部位的射線也不會(huì)向較厚部位散射，因此可以極大地降低射線散射比及邊蝕現(xiàn)象，保證膠片的靈敏度，并采?、鄞胧?yàn)證①和②措施的實(shí)際效果，若底片上出現(xiàn)鉛字“B”的較亮影像，此底片作廢；若此鉛字“B”影像較暗或不可見(jiàn)，表明背散射線屏蔽良好，則底片合格。

7 機(jī)匣的檢測(cè)工裝

鑒于機(jī)匣外廓大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人工對(duì)透照焦距和透照角度，不能保證參數(shù)的一致性，對(duì)X 射線透照靈敏度和缺陷的有效檢測(cè)有較大影響。為了保證能重復(fù)實(shí)現(xiàn)機(jī)匣、膠片、X 射線管之間的相對(duì)位置和透照角度，需要采用一定的機(jī)械手段去控制。此次試驗(yàn)為機(jī)匣特制了專門的檢測(cè)工裝，如圖2所示，使用特制工裝使試驗(yàn)操作更為便捷、省力、高效，在對(duì)不同部位檢測(cè)時(shí)，可準(zhǔn)確控制所檢部位的位置，大大提高了試驗(yàn)的重復(fù)性和一致性，檢測(cè)工裝使用結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 特制檢測(cè)工裝

機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)上的三爪卡盤為被檢機(jī)匣的夾持部位，三爪卡盤通過(guò)兩組蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)而設(shè)置在機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)傾斜手輪帶動(dòng)蝸輪蝸桿，使固定在蝸輪上的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而使三爪卡盤繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)三爪卡盤繞轉(zhuǎn)軸在水平和垂直方向之間轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)三爪卡盤的傾斜；通過(guò)旋轉(zhuǎn)手輪帶動(dòng)另一組蝸輪蝸桿，使固定在該蝸輪上的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而使三爪卡盤繞該轉(zhuǎn)軸360°旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)三抓卡盤的360°旋轉(zhuǎn)，通過(guò)三爪卡盤傾斜及360°旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整被檢機(jī)匣的最佳檢測(cè)工位；升降機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)上平臺(tái)的高度，進(jìn)而調(diào)節(jié)被檢機(jī)匣的曝光距離和透照角度，找到射線檢測(cè)的最佳透照工藝。通過(guò)轉(zhuǎn)向輪來(lái)移動(dòng)裝置，調(diào)整光源與被檢機(jī)匣之間的距離，確保透照部位與光源之間的距離為標(biāo)準(zhǔn)焦距，完美匹配射線透照工藝。

圖3 檢測(cè)工裝使用垂直、傾斜、水平放置圖

8 機(jī)匣最佳透照參數(shù)試驗(yàn)

下面僅以A 區(qū)（壁厚3.5mm）為例，說(shuō)明優(yōu)選射線檢測(cè)工藝參數(shù)的試驗(yàn)。

由于A 區(qū)面大、壁厚均勻，但較薄，考慮幾何不清晰度、透照厚度比K≤1.1（一次透照有效范圍）和黑度在1.5～4.0范圍（最佳黑度2.0），焦距選擇700mm，幾何不清晰度遠(yuǎn)小于規(guī)定要求，則：

式中：F為焦點(diǎn)尺寸；f為焦距；d為壁厚。

同時(shí)，機(jī)匣A 區(qū)外徑1 400mm、壁厚3.5mm，在焦距700mm 時(shí)，也可以使一次透照有效范圍較大，提高照相效率）；根據(jù)射線檢測(cè)儀GE160曝光曲線圖，曝光量選擇25 mA·min（電流10 mA、時(shí)間2.5min），電壓選擇85、95、105kV，膠片選擇Agfa D2、D4、D7，對(duì)以下不同射線檢測(cè)透照工藝進(jìn)行比較。透照后，經(jīng)相同的暗室條件下處理，分別測(cè)量得到各底片的黑度和靈敏度如表1所示。

表1 A區(qū)不同射線檢測(cè)透照工藝和結(jié)果

由測(cè)得結(jié)果知：

（1）電壓取85kV 時(shí)，D2、D4、D7 膠片雖然靈敏度都達(dá)到要求（≤2%），但黑度都低于1.5，不滿足最低黑度要求，可以增加曝光量，但會(huì)降低效率。

（2）電壓取95kV 時(shí)，D2、D4、D7 膠片靈敏度都達(dá)到要求（≤2%），黑度都高于1.5，D2 黑度最低，低于最佳黑度（2.0），D7黑度最高，高于最佳黑度，D5黑度居中，在最佳黑度附近。

（3）電壓取105kV 時(shí)，D2、D4、D7膠片雖然靈敏度都達(dá)到要求（≤2%），但黑度都偏大（2.5 以上），遠(yuǎn)大于最佳黑度。

比較以上結(jié)果，依據(jù)在保證穿透情況下，電壓越低越好（有利于提高底片的對(duì)比度）的原則，再綜合考慮照相效率、靈敏度、成本，要求曝光時(shí)間較短，成本低，黑度適中，靈敏度滿足要求，最終選擇了最佳射線檢測(cè)透照工藝，工藝參數(shù)為：壁厚3.5 mm，焦距700mm，電壓95kV，電流10mA，時(shí)間2.5min，膠片D4，顯影5min，定影15min，黑度不小于2.0，像質(zhì)數(shù)（鋁）14＃，靈敏度0.32%。

9 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)，最終確定了渦輪后機(jī)匣X 射線檢測(cè)的最佳檢測(cè)工藝。在工藝確定后按照工藝對(duì)整個(gè)渦輪后機(jī)匣進(jìn)行了100%檢測(cè)，檢測(cè)的498張底片都達(dá)到了機(jī)匣的質(zhì)量要求，能夠準(zhǔn)確識(shí)別機(jī)匣鑄件的內(nèi)部缺陷，保證機(jī)匣使用的可靠性，為機(jī)匣后續(xù)檢測(cè)的研究提供基礎(chǔ)。

［1］ASTM E747 用于射線照相的絲型透度計(jì)的設(shè)計(jì)、制造和材料、組類標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］ASTM E2104先進(jìn)航空和渦輪材料及部件射線照相檢驗(yàn)規(guī)程［S］.

［3］ASTM E999 工業(yè)射線照相膠片處理質(zhì)量指南［S］.

［4］ASTM E1254 射線底片和射線膠片的保存指南［S］.