中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室 朱學(xué)耕 董世運 徐濱士

葉片是航空發(fā)動機、汽輪機、風力發(fā)電機等的重要組成部件，在服役中通過高速旋轉(zhuǎn)將風能、熱能轉(zhuǎn)化為電能、機械能，或者將電能轉(zhuǎn)化為風能。由于葉片服役環(huán)境復(fù)雜，工作中主要承載巨大的離心力、熱應(yīng)力等交變載荷，加之葉片在高速旋轉(zhuǎn)中與空氣中的水、微粒等發(fā)生相互作用，使葉片易產(chǎn)生疲勞裂紋[1-2]與沖蝕磨損，甚至導(dǎo)致葉片斷裂。由于葉片造價昂貴，更換成本太高，為使葉片處于良好的工作狀態(tài)，需要用無損檢測的手段對葉片進行定期檢查，并對失效葉片進行再制造[3]修復(fù)，使其恢復(fù)或超越之前的性能要求。

葉片的損傷形式分析

（1）疲勞裂紋。汽輪機轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量多、形狀不一，每一個葉片都處于高溫、高壓、高速運轉(zhuǎn)的環(huán)境中，其葉根連接在葉輪上，承受著數(shù)十噸甚至上百噸的離心力、彎曲應(yīng)力、振動應(yīng)力和熱沖擊等載荷，在材料承受交變應(yīng)力持續(xù)作用下，萌生出位錯、滑移、相變等內(nèi)部缺陷，并逐漸演化成為宏觀裂紋[4]，裂紋在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕作用下擴展，最終會導(dǎo)致葉片斷裂，使汽輪機無法正常工作，帶來巨大的經(jīng)濟損失。

（2）沖蝕磨損。葉片在高速旋轉(zhuǎn)時受空氣中水與微小顆粒的沖擊，表面材料發(fā)生磨損，易出現(xiàn)腐蝕坑并在此處應(yīng)力集中，埋下隱患，影響葉片正常工作，是葉片在工作中失效的重要原因。

損傷葉片的再制造研究進展

目前，對損傷葉片的處理方式主要是更換與修復(fù)。葉片制造成本高，損傷后直接更換經(jīng)濟效益低，以渦輪葉片為例，目前國外發(fā)達國家在多數(shù)情況下都是對損壞的葉片采取修理的措施而不是更換，由于其帶來的巨大的經(jīng)濟效益已成為各國研究的熱點，如美國已成功掌握了葉片裂紋的激光修復(fù)技術(shù)[5]，我國在損傷葉片的修復(fù)方面較發(fā)達國家還有一定差距，但也進行了大量的探索。

葉片在高溫環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)會在表面發(fā)生磨損與氧化，影響葉片性能，甚至導(dǎo)致葉片停用。針對飛機發(fā)動機壓氣機葉片榫頭表面磨損，成都航利集團利用納米電刷鍍技術(shù)對某型發(fā)動機高壓壓氣機整流葉片榫頭的微動磨損進行修復(fù)[6]，與普通鍍層相比，含有納米顆粒的復(fù)合電刷鍍鍍層硬度顯著提高，滲氫量大幅度降低，使其使用壽命由再制造前的300～500h延長至再制造后至少1000h。在對葉片表面氧化物修復(fù)方面，大連理工大學(xué)的朱小鵬等[7]采用TEMP-6型強流脈沖離子束裝置開展了強流脈沖離子束表面再制造技術(shù)的研究。研究表明，利用強流脈沖離子束輻照材料強烈的熱-力學(xué)效應(yīng)，應(yīng)用于渦輪葉片表面的清洗維修，可有效去除渦輪葉片基體因高溫氧化形成的氧化物，輻照表面反復(fù)重熔使葉片表面微觀缺陷焊合，獲得光滑平整的修復(fù)表面，并且葉片表面質(zhì)量優(yōu)于原始葉片，實現(xiàn)了HIPIB輻照在渦輪葉片表面再制造方面的應(yīng)用，為重新制備熱障涂層提供了條件。

裂紋修復(fù)是航空發(fā)動機渦輪葉片修理工作中的難題，目前國內(nèi)對渦輪葉片裂紋的修復(fù)工藝研究甚少，一般利用普通熔焊技術(shù)對葉片裂紋進行修復(fù)，由于普通熔焊的電弧在工件上分布寬，熱輸入量大，會在界面上造成晶界液化，在焊接拉應(yīng)力作用下，會形成液化裂紋，同時在熱影響區(qū)極易出現(xiàn)熱裂紋，影響葉片修復(fù)質(zhì)量。為了避免液化裂紋產(chǎn)生，成都航利集團開發(fā)出微弧等離子低應(yīng)力焊接技術(shù)[8]，焊接能量集中，弧長變化對焊接質(zhì)量影響小，有效降低了焊接應(yīng)力，成功控制了焊接缺陷的產(chǎn)生。為避免修復(fù)過程中出現(xiàn)熱裂紋，空軍第一航空學(xué)院在激光熔覆具有超快速加熱和超快速冷卻的過程、對基材的熱輸入量少、熱影響區(qū)小等優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，基于激光熔覆技術(shù)在葉片裂紋修復(fù)中的新工藝，設(shè)計出了渦輪葉片裂紋的激光修復(fù)系統(tǒng)[9]，得出了修復(fù)工藝過程和主要工藝參數(shù)。

葉片在產(chǎn)生疲勞裂紋后，由于繼續(xù)承受交變應(yīng)力，最終會發(fā)生斷裂或出現(xiàn)缺肉，目前針對此失效形式主要采用堆焊技術(shù)成型，同時探索了激光熔覆技術(shù)[10]，為提高修復(fù)工藝，哈爾濱工業(yè)大學(xué)孟慶武等[11]利用相同的原材料分別采用激光熔覆及氬弧堆焊技術(shù)，在鑄造鎳基合金試樣表面上制備涂層，研究表明：該堆焊成型技術(shù)存在成型精度低、熱影響區(qū)深、堆焊層耐磨性差、界面處有裂紋等缺點，而激光熔覆技術(shù)具有高能量集中的優(yōu)勢，制備的涂層組織細小致密，硬度高于堆焊涂層的硬度，較堆焊技術(shù)有很大優(yōu)勢，為渦輪葉片葉尖端部型腔成型探索了新的工藝。

葉片質(zhì)量的無損檢測評價

1 葉片損傷的無損檢測

以汽輪機和航空發(fā)動機葉片為例，葉片在服役過程中根據(jù)失效部位不同可概括為表面失效與內(nèi)部失效，為了更好地對葉片進行再制造修復(fù)，恢復(fù)其之前的性能，需要對葉片的失效部位進行正確判斷，對于葉片的表面磨損、缺肉等失效形式直接用肉眼就能觀察清楚，但對于一些裂紋缺陷有時無法直接觀察、識別，因此難以確定其失效位置，在不損壞工件的前提下，可以用無損檢測的方法[12]對其進行確定。

國內(nèi)外對葉片檢測的常用方法有：滲透檢測、磁粉檢測、渦流檢測、射線檢測、超聲檢測，主要應(yīng)用于對葉片表面/近表面、表面以下的缺陷檢測。以上檢測方法有著各自的優(yōu)點和局限性，檢測缺陷的類型和性能指標都有所差異，下面根據(jù)缺陷位置的不同對每種方法進行說明。

1.1 葉片表面/近表面缺陷檢測

火力發(fā)電廠中的汽輪機葉片和航空發(fā)動機中高壓渦輪葉片及葉根等部位的表面由于受到?jīng)_刷、磨損或腐蝕，經(jīng)常出現(xiàn)損傷，形成腐蝕坑或沖刷槽，引起葉片表面的應(yīng)力集中而導(dǎo)致葉片在高速工作狀態(tài)下產(chǎn)生微細裂紋，嚴重時甚至?xí)谷~片斷裂。目前，對工件表面質(zhì)量檢驗常用的方法是表面超聲波探傷，但此方法受工件表面形狀、表面光潔度影響很大，汽輪機葉片形狀復(fù)雜，在工作中受汽蝕作用，表面非常粗糙，因此利用超聲表面波探傷有困難。鑒于受葉片的材質(zhì)、幾何形狀、表面狀況、工作環(huán)境等條件的限制，決定采用滲透探傷法。滲透檢測技術(shù)[13]采用滲透劑滲入工件表面開口缺陷，在清除工件表面的滲透劑后，從缺陷回滲的滲透劑可顯示缺陷的位置、形狀和大小。按照滲透成分可以分為熒光、著色及熒光著色滲透檢測法3類[14]。

利用原有的熒光滲透檢測方法對某型高壓渦輪工作葉片進行檢測時，滲透液會進入工件狹長、不規(guī)則的型腔以及與型腔垂直的小通孔，導(dǎo)致清洗困難，然而在保證檢測靈敏度的情況下，會造成清洗不足，缺陷無法判斷；在保證檢測背景的前提下，又會造成過清洗，缺陷無法顯示。為了解決這一矛盾，中航工業(yè)南方航空工業(yè)有限公司在原有熒光滲透檢測的基礎(chǔ)上，通過改變檢測工藝的順序以及細化檢測過程，在對某型高壓渦輪葉片進行缺陷檢測時，克服了以上不足，為盲孔、型腔類零件的熒光滲透積累了經(jīng)驗[15]。除此之外，文獻[16]利用溶劑去除型滲透探傷方法對汽輪機葉片的表面進行探傷，在利用顯像劑吸附滲透液的過程中，在葉片的表面產(chǎn)生清晰可見的缺陷圖像，消除了設(shè)備的重大隱患，確保機組的安全穩(wěn)定運行。

利用熒光滲透檢測方法對葉片進行缺陷檢測時，不需要復(fù)雜的設(shè)備，經(jīng)濟性好，能夠清晰地顯示缺陷的位置，但是葉片在使用一段時間后，表面常會被腐蝕[17]，縮短了葉片的使用壽命。滲透檢測方法不能估計裂紋的深度，且只適用于檢測表面缺口裂紋，對于葉片近表面以及葉片內(nèi)部的缺陷則無法顯示。

雖然汽輪機葉片的幾何形貌比較復(fù)雜，超聲表面波探傷有一定難度，但是葉片的材料比較均勻，磁化后磁力線能夠在葉片的內(nèi)部均勻通過，基于這一特點能夠利用磁粉檢測的技術(shù)對葉片的表面及近表面缺陷進行表征[13]。

利用磁粉檢測技術(shù)的基本原理，為了增強磁痕與工件表面的對比度，提高微小缺陷檢測靈敏度，在磁粉探傷方法中，常用的是熒光磁粉檢測方法[18]。文獻[19]在對汽輪機葉片工作狀況進行分析的基礎(chǔ)上，給出對葉片熒光磁粉探傷的檢驗措施，在葉片邊緣、葉根側(cè)面等處發(fā)現(xiàn)有磁痕聚積，并對其進行復(fù)檢和技術(shù)評定，發(fā)現(xiàn)未有超標準的磁痕顯示，通過對汽輪機葉片檢測，使工作人員準確把握質(zhì)量，并為汽輪機葉片的質(zhì)量檢驗提供借鑒；在此基礎(chǔ)之上，目前空軍各修理廠對發(fā)動機葉片裂紋檢測大多采用磁粉探傷與超聲波檢測相結(jié)合的方法，在文獻[20]中，首先利用磁粉探傷對飛機發(fā)動機壓縮機一級葉片的裂紋進行檢測，然后利用超聲表面波檢測方法對缺陷進行確定，二者取長補短，相互結(jié)合。山東省電力試驗研究所的張炳法[21]還利用濕磁法對葉片探傷工藝進行了系統(tǒng)研究，研究表明，濕磁法能夠使用較細的磁粉，其潛在檢測靈敏度比干磁法高，非常適用于葉片檢測，為葉片檢測提供一種新的思路。

磁粉檢測方法操作簡單、檢測費用低，具有較高的檢測靈敏度，但是只適用于鐵磁性材料，在利用磁粉檢測技術(shù)對葉片進行檢測時，需要對其進行拆裝，在一定程度上增加了檢測周期，大亞灣核電運營管理有限責任公司在對MARKⅡ型低壓轉(zhuǎn)子末級葉片進行檢測時，拆裝葉片周期大約有8～9天[22]，而且在拆裝的過程中容易導(dǎo)致機械損傷，影響檢測效率。

渦流檢測技術(shù)[13]同樣適用于對工件的表面和近表面缺陷進行檢測，在檢測中要求汽輪機和航空發(fā)動機的葉片為金屬材料，并能夠完成對葉片的原位探傷，在一定程度上克服了磁粉檢測技術(shù)的局限性?；跍u流檢測的原理，中國南方航空工業(yè)有限責任公司利用渦流檢測技術(shù)對飛機發(fā)動機渦輪工作葉片榫頭裂紋進行了原位探傷[23]，成功地發(fā)現(xiàn)榫頭處的疲勞裂紋；Zenzinger等[24]基于脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)，對航空發(fā)動機渦輪葉片和榫頭上的裂紋進行檢測，發(fā)現(xiàn)此方法能夠檢測出滲透檢測法無法檢測的內(nèi)部小缺陷；南昌航空大學(xué)宋凱、劉堂先等[25]建立了航空發(fā)動機渦輪葉片三維有限元模型，設(shè)計了雙線圈陣列渦流裂紋檢測簡化模型，研究了陣列渦流線圈掃查具有一定曲率的渦輪葉片表面時感應(yīng)電動勢的變化，得到了不同長度的縱向裂紋和不同深度的橫向裂紋同陣列渦流線圈感應(yīng)電動勢變化的對應(yīng)關(guān)系，為發(fā)動機渦輪葉片的工程檢測實踐奠定了理論基礎(chǔ)；吉林化工學(xué)院邵澤波、宋樹波[26]還將渦流檢測方法應(yīng)用于汽輪機末級葉片的原位探傷，對葉片的尖邊、排氣邊、進氣邊以及葉根處的缺陷進行了檢測，缺陷信號顯示清晰、效果良好，證實了該方法在汽輪機葉片檢測中的優(yōu)越性。雖然渦流檢測方法能夠很好地應(yīng)用在葉片的缺陷檢測中，但是目前也只是對形狀規(guī)則的葉片或者葉片中形狀規(guī)則的部分進行檢測，且檢測的深度僅限于葉片的表面和近表面，對于復(fù)雜形狀葉片以及葉片內(nèi)部缺陷的檢測還有一定的局限性。

1.2 葉片內(nèi)部缺陷檢測

葉片在加工制造過程中由于加工材料本身的問題、制造工藝不良以及加工過程中的疏漏等原因，有可能存在氣孔、夾雜等缺陷，這些缺陷埋藏在葉片內(nèi)部，肉眼無法觀察，在葉片服役過程中潛伏著巨大危害，有可能導(dǎo)致葉片內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，甚至導(dǎo)致葉片斷裂，造成巨大損失；葉片在再制造過程中熔覆層與基體的結(jié)合面處是否有裂紋、再制造后的葉片是否能夠繼續(xù)服役，這些都需要評價，在不損壞工件的前提下，無損檢測的方法發(fā)揮著重要的作用，在常用的5大無損檢測手段中滲透檢測、磁粉檢測、渦流檢測僅限于對葉片的表面或者近表面進行檢測，無法檢測葉片內(nèi)部，針對這些問題國內(nèi)、外利用射線和超聲檢測的方法進行了探索。

射線探傷法包括普通透壁測量法、X射線衍射法、康普頓（Compton）效應(yīng)測量法、X射線層析法、中子照射法以及陽電子湮沒法等。射線檢測[13]指當射線穿過物體時，射線與物質(zhì)的原子將發(fā)生復(fù)雜的相互作用，導(dǎo)致透射射線強度衰減，而缺陷部位對射線的衰減不同于無缺陷的部位，用膠片記錄透射射線強度進行分析，即可檢測出物體內(nèi)部的缺陷。在國外，赫爾辛基(Helsinki)工科大學(xué)已經(jīng)采用X射線衍射法進行了一些測量。VTT公司已采用實時的射線檢測設(shè)備進行了汽輪機葉片的測量[17]。在我國，北京航空航天大學(xué)[27]、中國科學(xué)院金屬研究所[28]、南昌航空大學(xué)[29]均利用X射線檢測方法對葉片缺陷進行了檢測，其中北京航空航天大學(xué)楊民等將射線探測技術(shù)與計算機技術(shù)有機的結(jié)合在一起，推動了射線照相技術(shù)向數(shù)字化的方向發(fā)展；孔凡琴、路宏遠實現(xiàn)了基于數(shù)字射線成像的航空發(fā)動機渦輪葉片缺陷尺寸的自動測定[30]。武漢汽車工業(yè)大學(xué)趙志、彭光俊[31]將雙膠片技術(shù)應(yīng)用在鑄鋼風機葉片X射線檢測中，提高了檢測靈敏度，減少了曝光量，取得了良好的效果，并利用微機評片技術(shù)對大量的膠片進行分析，實現(xiàn)了對風機葉片更加方便、快速、準確的檢測，該技術(shù)目前也是射線無損檢測技術(shù)的一個新的發(fā)展方向。然而，目前如何以一種快速的工業(yè)射線檢測技術(shù)代替膠片技術(shù)仍是我國射線檢測領(lǐng)域首要解決的問題，北京航空航天大學(xué)的梁麗紅等[32]了解并研究非晶體面陣探測器的成像特性，率先將非晶硅面陣探測器成像技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)射線檢測中，并在某航空發(fā)動機葉片的工業(yè)檢測中取得了較好效果，由于該方法提了檢測效率，其代替膠片成像已成為今后射線檢測的發(fā)展方向。

射線檢測技術(shù)對葉片形狀以及材料沒有特殊要求，且檢測靈敏度比較高，缺陷成像直觀，能夠較好地對缺陷進行定量，但是，射線對人體有輻射，檢測成本又高，為避免這些問題，人們探索了超聲檢測方法。

超聲檢測方法具有操作簡單易行、方便快捷、檢測效率高等優(yōu)勢已廣泛應(yīng)用在工業(yè)檢測中。超聲波穿透能力強、方向性好、聲波能量集中，利用超聲檢測方法可以對幾米深的缺陷進行檢測。日本日立公司針對汽輪機葉片在葉根處易產(chǎn)生疲勞裂紋這一問題，利用超聲檢測的方法進行了大量研究工作[33]，研究發(fā)現(xiàn)：受葉片幾何形狀的限制，檢驗方法一般采用高頻、小尺寸、橫波斜探頭進行檢測。在我國，福建省電力試驗研究院杜德源等[34]采用微型常規(guī)橫波探頭利用一次波和二次波探傷的方法對T形葉根處的缺陷進行檢測，取得滿意效果，解決探頭放置困難的問題，為其他葉根探傷提供了良好的參考價值。常規(guī)超聲檢測方法能夠較好地檢測出缺陷，但是由于其檢測盲區(qū)較大，易導(dǎo)致漏檢，檢測區(qū)域小，需要重復(fù)多次才能完成對葉片的檢測，效率低下。為了解決這一問題，美國電力科學(xué)研究協(xié)會（EPRI）開發(fā)出一種相控陣超聲波技術(shù)，用以更快、更準確地對核電用汽輪機組件進行無損檢測，美國的Arizona公共供電公司和Alliant能源公司在停電檢修期間用該技術(shù)對汽輪機葉輪葉片焊接區(qū)進行了成功檢驗，為相控陣技術(shù)在葉片超聲檢測中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

隨著科技的發(fā)展，以及工業(yè)上對檢測要求的提高，相控陣超聲檢測技術(shù)以聚焦和偏轉(zhuǎn)的特點[35-36]逐漸取代常規(guī)超聲檢測而廣泛地應(yīng)用在對汽輪機葉片和航空發(fā)動機葉片的無損檢測中。大亞灣核電站汽輪機轉(zhuǎn)子末級葉片采用GEC-A設(shè)計制造的MARKⅡ型葉片樅樹型葉根[22]，其末級葉片易出現(xiàn)裂紋，利用新型超聲相控陣原位檢查技術(shù)對葉片的主要區(qū)域進行全面掃描，排除了安全隱患，并使原來對葉片拆裝檢測的工期大大縮減，提高了檢測效率。在叉型葉根檢測方面，河南省電力公司利用超聲相控陣檢測技術(shù)，對汽輪機葉片叉型葉根進行分區(qū)檢測[37]，對葉根重要部位實現(xiàn)了全面覆蓋，并利用超聲相控陣實時成像技術(shù)，使檢測結(jié)果呈現(xiàn)直觀，易于判斷。汽輪機菌型葉片的檢測現(xiàn)狀是在不拆卸葉片的情況下采用超聲表面波對葉型進行檢測，利用橫波或縱波對葉根進行檢測，但是常規(guī)葉片的檢測存在很多不完善的地方甚至出現(xiàn)漏檢，給機組安全工作埋下隱患，文獻[38]利用超聲相控陣檢測技術(shù)能夠較好地分辨葉片上葉型邊緣、頂部、根部及葉片葉根第一菌處的人工缺陷，數(shù)據(jù)判斷準確，解決了菌型葉片超聲檢測的難題。長春理工大學(xué)江文文等[39]利用相控陣超聲檢測技術(shù)對航空發(fā)動機渦輪葉片進行無損檢測，并與常規(guī)超聲檢測進行比較，凸顯出相控陣超聲檢測技術(shù)能夠直觀顯示缺陷位置和形狀等特點。

相控陣超聲檢測技術(shù)是超聲無損檢測技術(shù)的重大進步，它能夠很好地完成對復(fù)雜工件的檢測，與常規(guī)超聲無損檢測相比主要有以下優(yōu)點。

（1） 掃查范圍大。葉片形狀復(fù)雜，能放置探頭的位置較少，探頭移動困難，因此常規(guī)探頭掃描范圍有限。在無法移動探頭位置情況下，相控陣探頭可以通過計算機控制聲波延時率使聲束能在一定角度范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)，擴大其掃描范圍，解決了常規(guī)超聲探頭對復(fù)雜形狀葉片無法檢測的難題，提高了檢測效率。

（2）降低漏檢率。由于檢測環(huán)境的限制，常規(guī)超聲探頭無法在葉片上較大范圍地移動，因此無法在不同的位置對檢測區(qū)域進行重復(fù)檢查，相控陣超聲探頭可以在同一位置對不同區(qū)域進行重復(fù)掃描，降低了漏檢率，檢測結(jié)果更加可靠。

雖然說相控陣超聲檢測技術(shù)相對于常規(guī)超聲檢測有很多的優(yōu)勢，但是它仍然沒有擺脫超聲檢測對被檢工件表面粗糙度的要求，對于表面粗糙度過大的工件聲波散射嚴重，造成檢測效果不好甚至無法檢測。

1.3 其他無損檢測技術(shù)

在對葉片的無損檢測方法中，除了上述的檢測方法外，還有一些其他的無損檢測手段，如：工業(yè)CT技術(shù)、紅外熱波無損檢測方法、金屬磁記憶方法等。與傳統(tǒng)的無損檢測方法相比，他們有許多的優(yōu)點，在葉片的檢測中發(fā)揮著良好的作用。研究表明：利用工業(yè)CT技術(shù)能夠?qū)︼w機發(fā)動機渦輪葉片進行掃描成像[40]，并且能夠探測到接近0.0508mm的精確尺寸和小到0.0254mm的裂紋[41]；電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院的孫國棟、吳云峰等[42]采用紅外熱波技術(shù)對航空渦輪葉片內(nèi)部冷卻風道的缺陷進行檢測，與傳統(tǒng)紅外檢測不同的是，它通過主動控制激勵熱源和分析測量樣件表面的溫度場變化獲得樣件表面及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，從而達到檢測目的，提高了檢測效率；金屬磁記憶檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)對金屬構(gòu)件的微觀缺陷、早期失效和損傷等進行診斷，是目前唯一一種對金屬部件早期損傷診斷的行之有效的方法[43]。文獻[44]分析了該方法在汽輪機轉(zhuǎn)子葉片檢測中的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)葉片中應(yīng)力集中部位，對葉片早期故障檢測中的前景進行了預(yù)測和分析。

2 殘余應(yīng)力的無損測定

葉片的全壽命周期可看作由疲勞期、過渡期和裂紋擴展期3個階段組成。由于過渡期和裂紋擴展期相對較短，為了確保葉片在工作中不會發(fā)生斷裂，需要在疲勞期就能對其進行準確的安全監(jiān)控。目前，工程上廣泛使用的葉片缺陷檢測方法，比如渦流探傷、磁粉探傷等，只能對葉片宏觀裂紋進行檢測，無法對葉片材料微觀結(jié)構(gòu)的變化提供有效監(jiān)測，不能對疲勞期的葉片質(zhì)量做出有效評價[45]。國內(nèi)外大量研究表明，殘余應(yīng)力對機械零部件疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著重要影響，殘余應(yīng)力的變化反映了其材料微觀結(jié)構(gòu)的變化[46-47]。因此，通過對葉片殘余應(yīng)力的測定，總結(jié)其變化規(guī)律可以對葉片安全性進行評估。

目前，傳統(tǒng)殘余應(yīng)力的測定方法主要分為機械釋放法[48]和物理檢測法[49]。機械法理論完善、技術(shù)成熟，但是會對工件造成一定破壞；物理檢測法主要包括X射線法、超聲法[50]和磁性法[51]，屬于無損檢測法，對工件不會造成破壞。由于葉片造價昂貴，采用機械法對其進行應(yīng)力檢測對葉片損傷太大，因此在實際中需要用物理檢測法對其殘余應(yīng)力進行評估。磁性法測定殘余應(yīng)力的準確性不高，而且只能用于鐵磁性材料，尤其是不宜用來測定存在過高殘余應(yīng)力的構(gòu)件。超聲波法尚處于實驗室階段，因很多關(guān)鍵技術(shù)沒有解決，還不能用于現(xiàn)場實測。由于X射線衍射法可以直接測量出殘余應(yīng)力的絕對值且結(jié)果較為精確，美國汽車工程師學(xué)會和日本材料學(xué)會都把X射線衍射法作為測定材料應(yīng)力的標準方法。我國上海交大等高校與黎陽航空發(fā)動機公司等生產(chǎn)單位也均采用X射線衍射法來測定葉片表面的殘余應(yīng)力?？哲姷谝缓娇諏W(xué)院劉建勛等針對航空發(fā)動機葉片的疲勞斷裂問題，采用X射線衍射分析方法，對模型發(fā)動機壓氣機葉片進行了殘余應(yīng)力測試。分析了葉片表面不同部位殘余應(yīng)力隨工作壽命和損傷情況的變化規(guī)律，探討了將殘余應(yīng)力應(yīng)用于葉片使用安全評定的可行性。結(jié)果表明，通過檢測葉片表面殘余應(yīng)力，可以評估葉片的疲勞損傷狀況，解決葉片的安全使用評定問題[52]。

隨著檢測技術(shù)的進步，出現(xiàn)了很多新型殘余應(yīng)力測定方法：多孔差方法[53]、裂紋柔度法[54-55]、磁記憶應(yīng)力檢測法[56]、掃描電子顯微鏡法[57]、激光超聲檢測法[58]。除此之外還有用核超精細結(jié)構(gòu)效應(yīng)進行應(yīng)力測定的方法，其中有木斯保爾效應(yīng)[59]、核磁共振[60]和核聲共振[61]等3種。這些方法需昂貴設(shè)備，試驗條件復(fù)雜，因此發(fā)展緩慢。

通過測定葉片的殘余應(yīng)力狀況，可以早期預(yù)測葉片有可能出現(xiàn)殘缺的部位，針對具體的葉片部位監(jiān)測其殘余應(yīng)力，找出各個危險點殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，同時綜合其他一些相關(guān)因素，可以判斷葉片的損傷程度，實現(xiàn)對葉片質(zhì)量進行安全評定，該方法在工程上可操作、實用性強，能夠有效地控制葉片斷裂故障的發(fā)生。

展 望

無損檢測技術(shù)在葉片缺陷檢測和殘余應(yīng)力測定中發(fā)揮著重要的作用。在葉片缺陷檢測過程中，每種無損檢測方法都有自己的優(yōu)點和缺點，但是總的來說有以下發(fā)展趨勢： （1）檢測設(shè)備與計算機技術(shù)相結(jié)合，使檢測結(jié)果數(shù)字化，便于對數(shù)據(jù)進行儲存與分析； （2）檢測技術(shù)將向更快捷、更效率的方向改善； （3）在處理檢測結(jié)果上將與小波分析技術(shù)相結(jié)合，更好地對缺陷信號進行識別。

此外，葉片殘余應(yīng)力的測定將在葉片安全性評估中發(fā)揮更加重要的作用，能夠在葉片失效前發(fā)現(xiàn)問題，避免重大的人員和設(shè)備損失，目前工業(yè)上對葉片殘余應(yīng)力的測定主要利用X射線檢測法，隨著技術(shù)的發(fā)展，金屬磁記憶方法及超聲表面波方法將在工程上可操作性、使用性方面得到提高，在葉片殘余應(yīng)力的測定中發(fā)揮重要作用，未來殘余應(yīng)力測定技術(shù)將朝著無損、快捷、在線測量等方向發(fā)展。隨著科技的進步，無損檢測也會向無損評價的方向發(fā)展，其理論研究和應(yīng)用也將會受到更多關(guān)注。

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