謝廣平* 武穎娜 楊 銳，2

（1.上海科技大學(xué)，上海201210；2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽110016）

0 引言

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，長期處于高溫、高轉(zhuǎn)速、高應(yīng)力、高溫燃?xì)鉀_擊腐蝕等惡劣的工作環(huán)境中。渦輪葉片的制造工藝和服役過程中性能的穩(wěn)定性、可靠性對發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性、服役壽命等具有重要影響。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)通過不斷提升渦輪前工作溫度來提高推重比，使得渦輪葉片的工作溫度越來越高，環(huán)境越來越惡劣，導(dǎo)致變形高溫合金、鑄造高溫合金等都難以滿足越來越高的工作溫度以及性能要求。為了滿足不斷升高的工作溫度需求，從20世紀(jì)70年代開始國外開始研制具有優(yōu)異耐高溫性能的新型高溫合金渦輪葉片材料，其中包括定向凝固高溫合金、單晶高溫合金等。80年代又開始研制葉片用陶瓷基復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)防腐、隔熱等目的[1-2]。盡管高溫合金用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片已經(jīng)有50多年的歷史了，這些材料有著優(yōu)異的高溫力學(xué)、抗氧化性能，科研人員仍在持續(xù)改進(jìn)其材料成分、性能、制備工藝，使設(shè)計(jì)工程師能夠研制出在更高溫度下工作的、效率更高、壽命更久的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

數(shù)字化模擬仿真（digital simulation）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer-aided design，以下簡稱CAD）、增材制造（additive manufacturing）、光學(xué)檢測（optical inspection）等技術(shù)的快速發(fā)展，為渦輪葉片設(shè)計(jì)的快速迭代、葉片新工藝開發(fā)、葉片檢測、壽命預(yù)測的研究提供了更先進(jìn)的手段。譬如在設(shè)計(jì)精密鑄造葉片的過程中，引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、快速原型（rapid prototyping，以下簡稱RP）、增材制造等技術(shù)，可以快速完成葉片的三維建模、型芯設(shè)計(jì)模型、型芯的3D打印等關(guān)鍵步驟，從而大大縮短研發(fā)周期[3-5]。另外，出于減重和縮短制造周期的考慮，研發(fā)人員也在探討直接打印渦輪葉片的可能性。普惠、霍尼韋爾、GE航空、羅爾斯羅伊斯這全球四大航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠商陸續(xù)宣布將在不同領(lǐng)域使用3D打印技術(shù)。GE航空首次運(yùn)用增材制造技術(shù)直接打印鈦鋁葉片，并將這一技術(shù)投入到 GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪葉片[6]，該發(fā)動(dòng)機(jī)目前將被用于波音777系的衍生機(jī)型。

除了葉片的設(shè)計(jì)和制造以外，葉片的檢測和使用壽命預(yù)測是目前學(xué)術(shù)界研究的另一大方向。近年來隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的葉片檢測和壽命預(yù)測融入了更多數(shù)字化、智能化、可視化、實(shí)時(shí)性的元素。本文將從葉片失效機(jī)理分析、壽命預(yù)測、葉片的制造過程和服役后檢測技術(shù)，幾個(gè)方面來闡述目前葉片檢測與壽命預(yù)測的主要研究方向與發(fā)展趨勢。

1 葉片的失效機(jī)理

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片的使用壽命主要取決于高溫蠕變以及低周疲勞[7-8]。蠕變損傷是材料應(yīng)力、溫度以及持續(xù)時(shí)間的函數(shù)，對溫度的變化非常敏感，而且隨著材料溫度升高，蠕變損傷呈指數(shù)趨勢上升[9]。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行條件的變化，又會(huì)進(jìn)一步加劇渦輪葉片工作載荷的變化，導(dǎo)致蠕變損傷的惡化，進(jìn)而影響渦輪葉片的實(shí)際使用壽命。

基于蠕變和熱循環(huán)的綜合考慮，葉片的失效形式主要有疲勞[10]、蠕變、磨蝕[11]、氧化[12]、涂層惡化、過熱引起的表面退化[13]、腐蝕[14]等。這些失效形式集中于葉片的葉尖、葉根、進(jìn)氣邊和出氣邊處，譬如冷卻孔周圍的裂紋、葉尖處的裂紋和缺損、出氣邊的表面過熱和變形、進(jìn)氣邊的腐蝕氧化等，其中以進(jìn)氣邊的損壞最為嚴(yán)重。渦輪葉片在實(shí)際服役過程中的惡化程度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行模式、服役時(shí)間、葉片的制造差異而不同[15]，是多個(gè)因素共同影響的結(jié)果。

為了在葉片使用之前更清楚準(zhǔn)確地了解葉片的不同部位在高溫、壓力下的微觀演變和退化，Beghini等人設(shè)計(jì)了模擬葉片服役條件的熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)，并通過有限元模型來制定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以再現(xiàn)服役過程中出氣邊、進(jìn)氣邊、葉根平臺之間的應(yīng)力、應(yīng)變循環(huán)[16]。以γ′強(qiáng)化的定向鎳基合金葉片為例，通過熱機(jī)械疲勞實(shí)驗(yàn)和顯微結(jié)構(gòu)分析，學(xué)者們清晰地描述了葉片在服役過程中，顯微結(jié)構(gòu)逐步惡化的機(jī)理：γ′相的持續(xù)粗化、聚結(jié)和筏化，尤其是在葉片的出氣邊和進(jìn)氣邊處；MC碳化物隨著服役時(shí)間的增加分解為沿晶界生長的M23C6；脆性的拓?fù)涿芏严啵═CP）的析出等[17]。其中，粗大和筏化的γ′相是微觀結(jié)構(gòu)惡化和力學(xué)性能降低的主要原因，尤其是當(dāng)服役溫度高于900℃時(shí)，γ′相的粗化會(huì)迅速加快，在葉片的60%截面處的進(jìn)氣邊和出氣邊觀察到的γ′相的粗化最為嚴(yán)重；而當(dāng)服役溫度低于900℃時(shí)，即便增加外應(yīng)力，粗大的γ′相也不多見，如圖1所示。

值得指出的是，上述對微觀組織的細(xì)致表征并不僅僅為了分析葉片的失效機(jī)理，更重要的是用來指導(dǎo)葉片的壽命預(yù)測。

2 葉片的壽命預(yù)測研究現(xiàn)狀

民航發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件故障是造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化以及非計(jì)劃換發(fā)的一個(gè)重要因素，對發(fā)動(dòng)機(jī)的在役壽命、安全性及經(jīng)濟(jì)性具有重要影響，準(zhǔn)確地預(yù)測渦輪葉片的剩余壽命，對降低發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本、提高利用率具有重要意義。目前，關(guān)于葉片壽命預(yù)測的研究主要集中在以下兩個(gè)方向。

2.1 基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的壽命預(yù)測

其中一個(gè)方向是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究服役葉片的顯微結(jié)構(gòu)變化與服役溫度、應(yīng)力、時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系，運(yùn)用合適的失效模型來估算和預(yù)測服役葉片的剩余壽命。Kou和Castillo[18]通過研究顯微結(jié)構(gòu)的退化和不同的蠕變實(shí)驗(yàn)參數(shù)之間的關(guān)系，指出晶界處連續(xù)分布的M23C6降低葉片的持久強(qiáng)度，而晶界處沒有M23C6對葉片的蠕變塑性帶來不利影響，只有離散分布于晶界的M23C6才是獲得最佳蠕變性能的關(guān)鍵因素。Karlsson[19]等人指出可以基于γ′相筏化和晶界處孔洞來預(yù)測葉片剩余壽命，譬如通過統(tǒng)計(jì)晶界處孔洞的數(shù)量來預(yù)測壽命。Seifert和合作者[20-21]則指出，可以基于熱機(jī)械疲勞和熱循環(huán)條件下的裂紋擴(kuò)展來建立壽命預(yù)測模型。另外，Cuffaro等人[22]則通過一系列的低周疲勞實(shí)驗(yàn)，在Manson-Coffin、Sehitoglu、Chaboche等低周疲勞模型中，驗(yàn)證和選擇適合于燃?xì)廨啓C(jī)部件的模型，其研究結(jié)果表明Manson-Coffin模型更適合于燃?xì)廨啓C(jī)的部件低周疲勞壽命預(yù)測。Reyhani等人[23]則運(yùn)用用于耦合換熱和壽命預(yù)測的數(shù)值方法論，重點(diǎn)研究和驗(yàn)證了葉片壽命對于熱障涂層厚度、冷卻氣體進(jìn)口溫度和壓力、負(fù)載變化的敏感性，其結(jié)果表明將熱障涂層的厚度增加到現(xiàn)在的3倍，葉片的壽命將增加9倍，而對葉片的壽命影響最大的因素是溫度，疲勞性能最薄弱的地方出現(xiàn)在葉片的葉根輪緣和榫接結(jié)構(gòu)處。

基于葉片高溫蠕變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行非線性分析預(yù)測葉片壽命也是當(dāng)前的研究方向之一。美國渦輪渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范ML-5007D、中國軍標(biāo)GJB/Z8-91和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中都推薦了Larson-Miller參數(shù)法、Manson-Haferd參數(shù)法、Manson-Succop[24]參數(shù)法等三種持久方程。Larson-Miller是熱強(qiáng)綜合參數(shù)法，通用性強(qiáng)，但其外推精度一直存疑。相比較而言，Manson-Haferd法的蠕變持久性能數(shù)據(jù)與葉片壽命的關(guān)聯(lián)性更好、壽命預(yù)測精度更高，但由于兩個(gè)常數(shù)的確定有一定的難度，使其應(yīng)用受到限制[25]。Manson-Succop系數(shù)法可以對短期數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，以預(yù)測長期持久壽命。θ法[26]是 EVANS和WILSHIRE提出的低合金耐熱鋼蠕變數(shù)據(jù)處理方法，該方法能夠充分利用蠕變曲線的所有信息，可以應(yīng)用于預(yù)測恒應(yīng)力下的蠕變曲線，許多學(xué)者又對其進(jìn)行了簡化，使其更符合實(shí)際應(yīng)用。孟春玲等人[27]在葉片材料的機(jī)械性能和物理性能基礎(chǔ)上，通過對葉片材料在葉片工作溫度范圍內(nèi)和工作應(yīng)力范圍內(nèi)進(jìn)行完整的蠕變試驗(yàn)，得到初始蠕變、等速蠕變和加速蠕變?nèi)齻€(gè)階段與蠕變律有關(guān)的常數(shù)，然后采用Larson-Miller方程法、θ法與改進(jìn)θ法對DD3單晶材料葉片葉背部位的蠕變壽命進(jìn)行了預(yù)測，其所得結(jié)果對工程應(yīng)用具有參考價(jià)值。李駿等人[28]對渦輪葉片的葉身、榫頭以及葉盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體建模，分析了各部位的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變的分布，并利用Larson-Miller方程計(jì)算出渦輪葉片的蠕變持久壽命，利用Manson Coffin方程計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的低周疲勞壽命，結(jié)果表明榫頭與榫槽部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，是低周疲勞最薄弱的位置。趙鵬[29]則基于MATLAB開發(fā)出了蠕變壽命預(yù)測與可靠性分析平臺，涵蓋了L-M，M-H，M-S，θ和G-D等5種可選擇參數(shù)法，為研究和提高壽命預(yù)測方法的精度打下良好的基礎(chǔ)。

實(shí)際應(yīng)用中，由于材料本身性能的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性對壽命預(yù)測的精度有很大的影響。

2.2 基于葉片外場使用數(shù)據(jù)的壽命預(yù)測

還有一些研發(fā)工作是依據(jù)外場使用數(shù)據(jù)來評估渦輪葉片壽命，大致可分為物理模型法和統(tǒng)計(jì)模型法。物理模型法主要是分析發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，獲得葉片各關(guān)鍵部位的應(yīng)力/溫度載荷譜，進(jìn)而借助壽命損耗模型來評估渦輪葉片的壽命損耗情況?；裟犴f爾公司借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了快速計(jì)算零部件關(guān)鍵部位應(yīng)力和溫度譜的方法，使得根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外場運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控關(guān)鍵件的壽命損耗成為可能[30]。Abu等人[31]運(yùn)用Neu/Sehitoglu損耗模型對渦輪葉片在典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)飛行模式下的壽命進(jìn)行了預(yù)測分析，并指出氧化造成的破環(huán)顯著影響葉片的壽命。Kulikov等人[32]提出了監(jiān)控渦輪葉片的熱應(yīng)力和壽命的整體方案，其中包括材料性能、涂層的損耗模型、剩余壽命的計(jì)算算法和葉片狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)。高勇和王延榮[33]根據(jù)典型飛行科目的三循環(huán)載荷譜對渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片，進(jìn)行了載荷等效轉(zhuǎn)換以及彈塑性應(yīng)力分析，預(yù)測出葉片在該典型飛行科目模式下的低周疲勞以及蠕變壽命，并給出了不同平均應(yīng)力修正方法下該飛行模式的總損傷。孫見忠等人則[34]提出了基于渦輪葉片外場故障數(shù)據(jù)和使用載荷譜，借助壽命損耗模型估算渦輪葉片的累積損傷量，預(yù)測渦輪葉片的剩余壽命的方法。該方法可推廣應(yīng)用于熱機(jī)疲勞與疲勞-蠕變交互作用失效模式下渦輪葉片剩余壽命的估算，為外場信息有限情況下發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的壽命評估提供了一種可行的工程方法，并可為民航發(fā)動(dòng)機(jī)在役壽命評估及送修方案的制定提供決策支持。

而統(tǒng)計(jì)模型法則采用傳統(tǒng)的可靠性分析方法，即統(tǒng)計(jì)模型來評估葉片的使用可靠性及剩余壽命。Zaretsky等人[35]將失效模式分為熱機(jī)械疲勞、氧化/侵蝕和其他三類，然后用Weibull分析確定每種故障模式下的葉片壽命；An等人[36]采用貝葉斯方法融合外場可靠性數(shù)據(jù)，假設(shè)葉片疲勞壽命服從正態(tài)分布和Weibull分布，利用蒙特卡羅仿真分析不同壽命分布假設(shè)和不同數(shù)量的壽命數(shù)據(jù)對壽命參數(shù)和壽命分布的影響，然后得到更新后的壽命分布來確定葉片壽命。統(tǒng)計(jì)模型法得到的結(jié)果反映了相同或類似使用條件下的葉片使用可靠性的平均屬性，難以體現(xiàn)個(gè)體發(fā)動(dòng)機(jī)自身的差異以及使用環(huán)境和載荷的不同。

在討論完葉片的失效機(jī)理和壽命預(yù)測后，在后面的章節(jié)將重點(diǎn)闡述葉片的檢測技術(shù)，包括如何在葉片的制造過程中檢測其葉型、進(jìn)出氣邊等關(guān)鍵尺寸，以避免葉片的制造缺陷；以及對服役葉片進(jìn)行及時(shí)檢測，以修正壽命預(yù)測的模型。

3 制造過程中葉片的檢測

如前所述，制造差異是葉片在服役過程中狀態(tài)好壞的先決條件，尤其是葉片的葉尖、進(jìn)氣邊和出氣邊、葉根是失效形式集中的地方。渦輪葉片的型面以及進(jìn)出氣邊的輪廓精度對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和燃油效率有著重要的影響，葉片制造質(zhì)量控制要求對進(jìn)出氣邊進(jìn)行100%的檢測。檢測的項(xiàng)目包括葉片輪廓、進(jìn)出氣邊輪廓、氣膜孔、表面質(zhì)量等。

3.1 葉片整體輪廓檢測

葉片的輪廓測量包括形狀輪廓、進(jìn)出氣邊的邊緣半徑、邊緣厚度、葉身最大厚度、弦長以及葉片扭曲度等[37]。葉片檢測數(shù)量大、精度高、要求測量穩(wěn)定性好、具有合適的測量重復(fù)性和再現(xiàn)性。葉片面型多為自由曲面，葉片的扭曲和較少的表面特征以及嚴(yán)格的公差要求加大了葉片整體測量難度，其面型輪廓以及相關(guān)參數(shù)的測量和評價(jià)較為復(fù)雜。對于整體葉盤而言，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，相鄰葉片之間的通道狹窄而且深度較大，測量的可達(dá)性更差，高效、高精度完成整體葉片的測量所面臨的難度更大。

坐標(biāo)測量機(jī)是傳統(tǒng)的葉片測量手段。接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)采點(diǎn)速度慢，測量效率低。對于整體葉盤等空間曲面復(fù)雜，測量數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)巨大的零件，傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量機(jī)單點(diǎn)觸發(fā)測量方式的測量效率很難大幅提升。接觸式測量由于球頭尺寸的限制，對于尺寸很小的零件特征，如R小于0.2mm的葉片進(jìn)出氣邊輪廓的測量誤差會(huì)很大，甚至根本無法測量[38]。隨著高精度多自由度測量機(jī)、快速掃描測頭、以及專業(yè)葉片分析和評價(jià)軟件的快速發(fā)展，三坐標(biāo)在葉片以及整體葉盤測量等航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件的測量得到了廣泛應(yīng)用。其中具有代表性的是RENISHAW公司REVO測量頭，克服了傳統(tǒng)坐標(biāo)測量機(jī)測量頭不能在任意角度定位，以及三軸掃描方式因加速造成的慣性誤差而必須降低測量速度的局限，在掃描過程中使測座和機(jī)器同步移動(dòng)，能夠快速跟蹤零件幾何形狀的變化，而又不會(huì)引入自身的動(dòng)態(tài)誤差，在測量過程中能夠以恒定的移動(dòng)速度，對精度不會(huì)造成任何影響[39]，與常規(guī)三坐標(biāo)相比，對于葉片的測量速度可以提高8倍以上[40]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)面臨著巨大的產(chǎn)能壓力，如何在確保檢測精度的前提下，提高檢測的速度是精密測量儀器制造商和研究人員的主要目標(biāo)。?？怂箍低瞥龅墓鈱W(xué)掃描坐標(biāo)測量機(jī)Leitz PMM-C正是這一使命的最佳詮釋。Leitz集成了基于頻率調(diào)制干涉測量技術(shù)[41]的測量頭HP-O，實(shí)現(xiàn)非接觸高速掃描測量，經(jīng)MTU Aero Engines評估測試，對于葉片的測量速度可以實(shí)現(xiàn)75%的提高[42]。同時(shí)由于測量光斑可以達(dá)到11μm～180μm[43]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于探針式三坐標(biāo)測量頭的尺寸，因此可以實(shí)現(xiàn)對葉片進(jìn)出氣邊的精確掃描。由于基于激光干涉測量技術(shù)，對于近似于鏡面的航空葉片更加有利于信噪比的提高，避免了基于激光三角位移傳感器、線激光掃描[44]以及結(jié)構(gòu)光掃描[45]的葉片測量中對于鏡面表面必須噴涂顯影液提高散射率的問題。

以GOM的ATOSII/ATOSIII/ATOSCore 3D為代表的非接觸結(jié)構(gòu)光三維面掃描測量技術(shù)也在積極開拓航空發(fā)動(dòng)機(jī)測量領(lǐng)域[46]，為了最大限度地適應(yīng)對接近鏡面表面的測量，GOM等相繼引入藍(lán)光技術(shù)以提高測量表面對光源的散射率，然而對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出氣邊的檢測在沒有噴涂顯影液的情況下，依舊不能滿足要求，但由于基于面掃描的測量速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以點(diǎn)掃描的測量方式，因此航空工業(yè)也正在逐步接受以GOM為代表的測量儀器，如圖2所示，特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片再制造領(lǐng)域。

圖2 GOM ATOSScanBox葉片掃描[46]

3.2 葉片進(jìn)出氣邊檢測

對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片來說，進(jìn)出氣邊加工的輪廓精度和一致性對于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和燃油效率有著至關(guān)重要的影響。為了進(jìn)一步提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和燃油效率，葉片進(jìn)出氣邊的輪廓尺寸設(shè)計(jì)得越來越小，而加工精度的要求越來越高。這就對葉片進(jìn)出氣邊的加工和檢測提出了挑戰(zhàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的檢測中，葉片進(jìn)出氣邊的檢測仍然是瓶頸環(huán)節(jié)。

海克斯康Leitz PMM-C因其微小的測量光點(diǎn)，非接觸以及對光滑表面的魯棒性，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)出氣邊檢測方面具有明顯的優(yōu)勢，然而對于航空工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，Leitz的價(jià)格是企業(yè)不得不考慮的一個(gè)因素。Nextec推出的基于環(huán)形激光三角法的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測設(shè)備WIZBLADE，如圖3所示，通過對360°采集點(diǎn)的環(huán)形擬合，克服了傳統(tǒng)激光三角位移傳感器測量精度對于零件表面加工紋理敏感的問題，測量光束可以小到7μm，在±2mm的測量范圍內(nèi)測量不確定誤差MPE可以達(dá)到4μm[47]，因此可較好地應(yīng)用于葉片輪廓和進(jìn)出氣邊的檢測。

Linear Measurement Instruments公司研發(fā)的手持式葉片進(jìn)出氣邊檢測儀采用多激光交叉掃描和多角度接受的方法實(shí)現(xiàn)對葉片進(jìn)出氣邊前后兩個(gè)輪廓面的同時(shí)掃描和拼合[48]，測量精度25μm，還無法達(dá)到航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片5μm的檢測精度的要求，但可以用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片再制造領(lǐng)域的粗檢，如圖4所示。

圖4 LMI葉片進(jìn)出氣邊手持式輪廓儀[48]

筆者近期研制了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)出氣邊車間級桌面型檢測裝置，如圖5所示，可以直接應(yīng)用于制造現(xiàn)場，設(shè)備體積350mm（長）×410mm（深）×680mm（高），暫居空間很小。通過高精度線激光與高精度精密轉(zhuǎn)臺、位移臺相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對葉片進(jìn)出氣邊雙側(cè)輪廓的同時(shí)掃描，對車間的振動(dòng)環(huán)境不敏感。對于粗糙度小于0.2μm的葉片可以實(shí)現(xiàn)30s 10個(gè)截面的檢測，測量精度達(dá)到5μm，可以應(yīng)用于葉片進(jìn)出氣邊R大于0.2mm的GO/NGO的質(zhì)量評判。

圖5 桌面型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)出邊輪廓檢測儀

3.3 葉片粗糙度檢測

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片通常需要通過表面拋光處理降低表面粗糙度和提高型面精度，從而改善氣流通道、降低渦輪葉片的表面摩擦力、提升燃油效率。測量葉片粗糙度的實(shí)驗(yàn)室級別的方法與儀器已經(jīng)相當(dāng)普及，比較常用的如基恩士的VK-X系列激光共聚焦顯微鏡、Alicona Focus Variation、Bruker表面激光干涉儀等。而在加工現(xiàn)場，掃描探針法得到廣泛應(yīng)用，但對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，這種基于表面接觸掃描的探針法卻又不可避免地對探測表面產(chǎn)生影響，對于扭曲比較嚴(yán)重的葉片，探針的可達(dá)性也受到限制。

LaserCheck公司推出的手持式非接觸式表面粗糙度測量儀，如圖6所示[49]，基于激光散射原理，測量范圍可以覆蓋0.032 5μm到1.0μm，傳感器尺寸為25.1mm×19.1mm×52.2mm.該傳感器可以對尺寸較大、扭曲度較小的葉片進(jìn)行在機(jī)檢測，但對于尺寸較小、扭曲度較大的葉片可達(dá)性很不理想。

圖6 Laser Check粗糙度儀[49]

GE開發(fā)了基于光纖傳感的手持式葉片粗糙度測量傳感器如圖7、圖8所示[50]，激光分別以正入射和傾斜一個(gè)角度的方式入射到零件的表面，利用正入射和傾斜入射下散射光強(qiáng)度與粗糙度呈相反表現(xiàn)的現(xiàn)象，通過歸一化算法提高測量范圍和相關(guān)性。測量探頭的直徑4.5mm，粗糙度Ra測量范圍0.04μm～0.35μm，可以手持實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、整體葉片以及葉輪內(nèi)部可達(dá)性困難區(qū)域粗糙度的測量。

圖7 基于光纖的粗糙度測量儀[50]

圖8 基于光纖的手持粗糙度儀測量場景[50]

3.4 氣膜冷卻孔檢測

為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和熱效率，提高渦輪前工作溫度是關(guān)鍵性技術(shù)之一，目前已經(jīng)達(dá)到1 800℃，比高壓渦輪葉片金屬材料的熔點(diǎn)還要高出120℃[51]。提高渦前溫度的指標(biāo)取決于高溫材料、熱障涂層和氣膜冷卻技術(shù)的全面進(jìn)步，其中氣膜冷卻技術(shù)通過葉片冷卻孔將冷卻介質(zhì)噴出，在葉片表面具有隔熱左右的薄層冷卻膜，從而起到對葉片的隔熱與冷卻。氣膜孔的孔徑?jīng)Q定了冷卻介質(zhì)的流通量，約為 0.25mm～0.5mm，孔深可達(dá) 3mm以上[52]，孔的空間角度決定了介質(zhì)的噴射角度，以及孔的間距決定了冷卻氣膜覆蓋葉片的范圍，這些參數(shù)對冷卻效果具有很大的影響。對于冷卻孔徑和位置度的測量，黎明發(fā)動(dòng)機(jī)公司提出了一種基于五軸光學(xué)復(fù)合坐標(biāo)測量的方法，通過調(diào)整影像鏡頭的光軸軸線使其與氣膜孔中心線重合時(shí)，氣膜孔呈現(xiàn)沒有陰影的圖像，從而獲得冷卻孔的直徑、位置度、孔間距、排間距等如圖9所示[53]。

圖9 基于五軸復(fù)合坐標(biāo)測量機(jī)的葉片冷卻孔測量[53]

五軸復(fù)合坐標(biāo)測量機(jī)可以較好地完成對孔徑和位置度的測量，但由于可達(dá)性的問題，無法獲得冷卻孔內(nèi)部的三維輪廓，并不能準(zhǔn)確地測量出冷卻孔的軸線的方向。通過接觸式探針可以對內(nèi)孔進(jìn)行多點(diǎn)測量，由于氣膜孔的孔徑較小，因此需要使用200μm以下的微型探針[54-55]，如光纖探針，結(jié)合雙光纖耦合，可以實(shí)現(xiàn)對直徑0.2mm，深2mm左右的內(nèi)孔進(jìn)行精確的測量。但由于冷卻孔通過電火花或電液束加工后內(nèi)部并不光滑，以及孔的錐度效應(yīng)，采用探針法速度較慢，效率不高。GE公布了基于變焦三維測量原理的葉片冷卻孔的光學(xué)非接觸自動(dòng)檢測方案[56]，通過聚焦于孔內(nèi)不同截面，形成清晰的截面輪廓，然后將全部輪廓三維重構(gòu)后形成氣膜冷卻孔內(nèi)部三維圖像，得到了質(zhì)量很好的氣膜孔內(nèi)部輪廓。Liao等人[57]還研究了基于線結(jié)構(gòu)光、多線掃描、相移結(jié)構(gòu)光、錐光全息、激光共聚焦、色散共聚焦、光纖位移傳感器、數(shù)字光學(xué)比較法、以及工業(yè)CT等氣膜冷卻孔檢測方法?；诩す馊欠ā⒓す夤簿劢沟确椒ㄓ捎诮邮战嵌鹊南拗?，對微小內(nèi)孔測量能力有限；錐光全息同樣由于接收角度只有15°，只能用于1mm以上氣膜冷卻孔的測量。工業(yè)CT可以顯示出內(nèi)孔的輪廓，但不能獲得氣膜冷卻孔的表面紋理和特征；基于影像的方法，如光學(xué)變焦等可以獲得氣膜冷卻孔輪廓的同時(shí)，獲得氣膜冷卻孔關(guān)鍵的內(nèi)部特征和表面紋理。

4 服役葉片的缺陷檢測技術(shù)

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片惡劣的服役條件，除氣膜冷卻技術(shù)以外，熱障涂層（TBC）是另外一種被廣泛研究和采用的關(guān)鍵技術(shù)。在服役過程中，TBC的陶瓷層與金屬層之間會(huì)生成以氧化鋁為主的熱生長氧化物（TGO）。由于界面處鋁元素的消耗，在TGO的底部形成貧鋁帶，并伴隨著許多微裂紋的產(chǎn)生。隨著氧化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，貧鋁帶會(huì)不斷擴(kuò)大，在TGO中將生產(chǎn)富Ni、Co等尖晶類氧化物，因而導(dǎo)致TGO內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力[58]。Miller[59]針對釔穩(wěn)定氧化鋯TBC給出了壽命預(yù)測的理論推導(dǎo)，將TBC壽命表示為TGO的應(yīng)力和厚度的函數(shù)。有研究指出，TGO厚度超過極限厚度8μm～10μm，就會(huì)誘發(fā)裂紋產(chǎn)生并導(dǎo)致陶瓷層脫落[60]。如前所述，涂層脫落是葉片失效的原因之一，可見服役后TBC的檢測對壽命預(yù)測有著重要的指導(dǎo)意義。由于TBC結(jié)構(gòu)的固有特征，如陶瓷層的多孔性、陶瓷層中的孔洞和裂紋及界面形狀的不規(guī)則、涂層厚度薄等，使得傳統(tǒng)的無損檢測方法如滲透、渦流、超聲等存在檢測技術(shù)與檢測效率方法的局限，目前，對TBC涂層厚度、裂紋、界面脫落、應(yīng)力等損傷的程度與缺陷位置的檢測與壽命的精準(zhǔn)預(yù)測依然是航空工業(yè)的一個(gè)瓶頸問題。

4.1 熱障涂層缺陷檢測

紅外熱波無損檢測技術(shù)具有非接觸、觀測面積較大、檢測效率高、適合于在線檢測等優(yōu)勢，為檢測熱障涂層脫落、內(nèi)部孔洞等缺陷提供了一種新方法。紅外熱成像與不同的激勵(lì)方式相結(jié)合構(gòu)成了脈沖激勵(lì)紅外熱成像法、電渦流激勵(lì)熱成像、激光掃描熱成像法、超聲熱成像法等多種熱障涂層缺陷測量方法[61]。脈沖激勵(lì)熱成像法結(jié)構(gòu)成熟、應(yīng)用也最為廣泛。脈沖紅外熱成像系統(tǒng)通常用于檢查分層、孔隙率、涂層厚度和完整性。Bison等人[62]驗(yàn)證了脈沖紅外熱成像檢測技術(shù)不但能檢測出熱障礙涂層的缺陷、預(yù)測涂層的厚度，還能通過對圖像的特征提取，進(jìn)而對缺陷類型進(jìn)行分類。唐慶菊[63]實(shí)現(xiàn)了對直徑1mm，深2mm的盲孔缺陷的檢出。Kumar等人[64]對TBC涂層厚度進(jìn)行測量，與渦流傳感器的測量結(jié)果具有較好的吻合度。激光掃描激勵(lì)熱成像法采用匯聚點(diǎn)激光作為激勵(lì)熱源，如圖10所示，在微小區(qū)域內(nèi)形成均勻的熱激勵(lì)。石文雄等人[65]采用該方法對TBC表面裂紋缺陷進(jìn)行檢測，控制直徑為微米量級的點(diǎn)激光熱源沿著垂直裂紋、傾斜裂紋和平行裂紋等多個(gè)方向進(jìn)行移動(dòng)掃描，對多個(gè)方向掃描結(jié)果進(jìn)行綜合對比，確定裂紋的形狀和位置信息，實(shí)現(xiàn)了TBC表面約60μm裂紋缺陷、以及特征尺寸1mm的模擬脫落缺陷的檢出。由于采用點(diǎn)激光掃描激勵(lì)方式，因而可以精確地凸顯脫粘缺陷在空間和時(shí)間上的熱響應(yīng)特征，從而實(shí)現(xiàn)對脫粘缺陷的形狀和位置的無損檢測。由于采用點(diǎn)激光逐點(diǎn)掃描的方法，因此檢測效率會(huì)受到很大影響，石文雄等人采用先粗掃、再精掃的兩步法來解決效率的問題。可以將脈沖激勵(lì)熱成像法與點(diǎn)激光掃描熱成像法結(jié)合，通過脈沖熱成像法進(jìn)行粗掃，然后對疑似缺陷進(jìn)行精掃，以提高檢測效率和減少激光點(diǎn)掃描間距過大而產(chǎn)生的缺陷遺漏。

圖10 線激光掃描熱成像原理圖[65]

電渦流激勵(lì)紅外熱成像[66]是通過交流感應(yīng)線圈在試件表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流，對于裂紋、孔洞等缺陷，由于熱傳導(dǎo)在金屬零件中的傳播在缺陷處被遲滯，導(dǎo)致缺陷處溫度低于金屬基體的溫度。電渦流激勵(lì)紅外熱成像，本質(zhì)上需要在金屬基體中產(chǎn)生渦流，對于帶涂層金屬零件表面的裂紋檢測，渦流可以穿透涂層直接作用于金屬表面，因此更適合渦輪葉片基體的缺陷的識別，對于TBC陶瓷層裂紋、脫落等缺陷的檢測，還未能獲得較好的結(jié)果。

而超聲激勵(lì)紅外熱成像技術(shù)是以低頻、高功率的超聲波對缺陷進(jìn)行激勵(lì)，導(dǎo)致缺陷界面處產(chǎn)生摩擦和滑移，使得缺陷界面產(chǎn)生升溫現(xiàn)象而被紅外熱成像所探測。由于TBC陶瓷層的多孔性，超聲波在這些非缺陷孔隙處因傳播遲滯而溫度升高，影響紅外熱成像的信噪比，干擾缺陷識別的準(zhǔn)確度。

紅外熱成像無損檢測還必須開發(fā)高效熱激勵(lì)手段，開展熱激勵(lì)能量與材料微觀組織結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理的研究，需要進(jìn)一步提高紅外熱成像儀的圖像分辨率。

激光超聲技術(shù)是另外一種發(fā)展較快的無損檢測方法，采用高能激光照射材料表面，當(dāng)材料表層的瞬態(tài)升溫超過其蒸發(fā)溫度時(shí)，材料表面產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，形成等離子體被拋出，從而對樣品表面施加了一個(gè)通常比熱彈機(jī)制高大約4個(gè)數(shù)量級的縱波和表面波，導(dǎo)致超聲波的產(chǎn)生[67]。Silvio等人[68]采用激光超聲對等離子噴涂制備的WC-Co涂層進(jìn)行了涂層厚度、密度以及彈性模量的測量，彈性模量測量誤差在±10%以內(nèi)，涂層厚度檢測結(jié)果與光學(xué)顯微鏡的測量結(jié)果具有較好的一致性，同時(shí)研究了致密涂層的垂直裂縫和涂層剝離等缺陷的檢測，預(yù)示著激光超聲對于TBC等具有一定孔隙、裂紋、界面起伏結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量與表征的可能性。

太赫茲波對TBC陶瓷層材料具有高透射性，而葉片基底高溫合金材料在太赫茲波段具有較高的介電常數(shù)，因此太赫茲波在金屬表面幾乎全部反射，因此采用時(shí)間飛行TOF或相位解調(diào)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)用太赫茲波進(jìn)行TBC陶瓷層的厚度檢測和評估，如圖11所示?；捉饘俦砻娲植诙葘μ掌澆ǖ姆瓷溆杏绊?，因此建立熱障涂層多層反射模型需要考慮金屬粘結(jié)層的表面粗糙度的影響。Roth等人[69]采用太赫茲對YSZ熱障涂層的厚度進(jìn)行了測量，涂層范圍在 249μm～485μm，對于最薄涂層范圍在249μm～267μm的，太赫茲與接觸式測量結(jié)果的誤差在50%左右，而在447μm～485μm的涂層范圍內(nèi)，平均誤差在25%左右。在涂層較薄時(shí)誤差較大，可能的原因之一在于TOF時(shí)間測量的準(zhǔn)確性，另外基底金屬表面粗糙度的測量也會(huì)產(chǎn)生誤差，以及涂層本身厚度的均勻性的影響。由于太赫茲波可以穿透陶瓷層到達(dá)高溫合金基底表面，可以利用反射波對表面粗糙度敏感的特性，對基體表面的裂紋進(jìn)行掃描。隨著時(shí)間測量技術(shù)的進(jìn)步，基于太赫茲的無損檢測技術(shù)將會(huì)更加受到關(guān)注和應(yīng)用。

圖11 THz TOF涂層厚度檢測原理[69]

電化學(xué)復(fù)阻抗譜是一種常規(guī)的電化學(xué)測試技術(shù)，通過測量材料的阻抗變化，來檢測材料物理或化學(xué)參數(shù)，分析材料的微觀結(jié)構(gòu)。TGO的形成與增厚，以及界面處的微觀變化，實(shí)際上是TBC在實(shí)際服役過程中發(fā)生的一系列物理與化學(xué)變化的結(jié)果，TBC的每一層都可以定義為一個(gè)獨(dú)立的阻抗Z=f（C&R），如圖12所示。TBC陶瓷層的裂紋、孔洞、界面分離等缺陷，以及TGO氧化層生長厚度的變化等都將導(dǎo)致各層阻抗的變化，文獻(xiàn)[70]采用電化學(xué)復(fù)阻抗譜法（EIS）對等離子噴涂制備的TBC在熱循環(huán)和靜態(tài)氧化過程中TGO的成分與厚度的變化進(jìn)行了定量分析，證明了復(fù)阻抗譜對TGO的厚度變化是靈敏的。Byeon等人采用EIS對成功實(shí)現(xiàn)對等離子噴涂和EBPVD法制備的TBC中的TGO厚度和成分進(jìn)行了檢測[71]，研究結(jié)果為對渦輪葉片TGO進(jìn)行原位測量奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖12 TBC層等效阻抗原理圖

對TBC損傷位置、破壞程度以及使用壽命的檢測與評估仍有大量需要研究和解決的問題。

4.2 葉片蠕變量的檢測技術(shù)

如前所述，蠕變會(huì)導(dǎo)致葉片的塑性變形過大而產(chǎn)生蠕變斷裂，是渦輪葉片的主要失效形式之一。在前面提到的渦輪葉片疲勞壽命評估方法中，渦輪葉片蠕變伸長量是決定葉片是否還具有使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)之一。在非在機(jī)檢測的情況下，蠕變伸長量的測量方法很多，如CMM、三維掃描等方法，其核心在于必須具有葉片的CAD模型或設(shè)計(jì)參數(shù)，從而計(jì)算出應(yīng)變量，評估葉片的殘余壽命。

對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等重要零件和重要部位，經(jīng)常需要使用多種檢測方法相互驗(yàn)證、取長補(bǔ)短、提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。渦輪葉片蠕變除表現(xiàn)為葉片長度的變化以外，還會(huì)以晶格錯(cuò)位、空隙、裂紋以及應(yīng)力、密度、彈性模量、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、熱導(dǎo)率的變化等形式表現(xiàn)出來。在對葉片的伸長量檢測的基礎(chǔ)上，融合X射線衍射[72]、非線性超聲[73]等反應(yīng)葉片微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能變化的數(shù)據(jù)，對蠕變行為的葉片壽命預(yù)測模型加以改進(jìn)，是一個(gè)發(fā)展方向。

雖然可以在相對標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境中采用多種方法來測量葉片的工作狀態(tài)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪部件還是會(huì)遇到更熱和/或更具腐蝕性的工作條件，而不適合這樣的測量工具正常工作。因此對航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行在線監(jiān)測具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。

Swansea大學(xué)采用Optomec霧化納米銀導(dǎo)電氣溶膠3D打印技術(shù)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片表面，直接打印出光學(xué)應(yīng)變和蠕變傳感器，如圖13所示，采用激光檢測讀出系統(tǒng)可以檢測到10nm以內(nèi)的蠕變[74]。目前這些3D打印的傳感器可以用于低壓渦輪葉片上，材料可以穩(wěn)定地工作到250℃，但不能用在高壓渦輪葉片。Optomec正在開發(fā)可以工作到1 200℃的的納米鉑墨水高溫氣溶膠3D打印材料。

圖13 壓氣機(jī)葉片3D打印應(yīng)變傳感器[74]

GE研發(fā)了耐高溫、耐腐蝕的陶瓷應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測高溫渦輪葉片的蠕變[75]，該技術(shù)于2017年獲得了美國專利批準(zhǔn)。應(yīng)變傳感器的陶瓷粉體通過3D打印或等離子噴涂制造工藝沉積到葉片表面上，陶瓷材料包括熱障涂層如氧化釔及穩(wěn)定的氧化鋯。該技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用將為確保渦輪葉片的可靠運(yùn)行開辟一條嶄新的技術(shù)路線。

Liao[76]給出了基于摩爾條紋解調(diào)的陶瓷應(yīng)變傳感器的讀出系統(tǒng)的原理和裝置。使用該應(yīng)變讀出系統(tǒng)可以在役檢測高溫渦輪葉片的蠕變信息，這些信息將可用于決定該渦輪葉片是否可以繼續(xù)使用。

5 結(jié)論

本文圍繞渦輪葉片的失效和壽命預(yù)測，綜述了運(yùn)用不同的檢測技術(shù)，來監(jiān)測葉片制造過程中關(guān)鍵部位的差異（葉型、進(jìn)出氣邊、表面粗超度、氣膜冷卻孔等），以指導(dǎo)葉片制造工藝的修正；并對服役葉片的狀態(tài)（涂層缺陷、蠕變等）進(jìn)行離線和在線檢測，為葉片壽命預(yù)測模型提供測試數(shù)據(jù)和修正依據(jù)。不難看出，檢測技術(shù)是監(jiān)測葉片制造工藝穩(wěn)定性、準(zhǔn)確預(yù)測葉片使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)。尤其是實(shí)時(shí)在線檢測技術(shù)，對于監(jiān)測葉片的制造過程和實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)更有意義。然而，由于葉片復(fù)雜的制造工藝和惡劣的使用環(huán)境，目前的檢測技術(shù)主要還是集中在離線檢測上，如文中所述，近年來使用3D打印技術(shù)在葉片上打印光學(xué)應(yīng)變和蠕變傳感器、陶瓷應(yīng)變傳感器的探索，是對葉片服役過程中在線檢測的大膽的嘗試，相信隨著3D打印技術(shù)的成熟，將給在線檢測提供更多的可能性。