高祥熙，尹 偉，顧國紅，王倩妮

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán) 材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所， 綿陽 621900)

空心渦輪葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，因具有溫度交變頻繁、受力狀態(tài)復(fù)雜、使用環(huán)境惡劣、工作可靠性要求高、穩(wěn)定工作壽命要求長(zhǎng)等特點(diǎn)，被譽(yù)為“皇冠上的明珠”[1-2]。通常借助陶瓷型芯使空心渦輪葉片形成細(xì)小且復(fù)雜的內(nèi)腔，但是脫芯工藝[3]難以保證完全清除陶瓷型芯，內(nèi)腔中殘余的型芯不僅會(huì)影響工作時(shí)葉片中的冷卻氣流的正常流動(dòng)，降低冷卻效果，而且可能堵塞葉身上用于冷卻的氣膜孔(數(shù)以百計(jì)，直徑約為0.30.5 mm)，造成葉片局部高溫和過早失效，給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來巨大的安全隱患。

對(duì)于低密度的陶瓷型芯，常規(guī)X射線難以進(jìn)行有效檢測(cè)，必須采取相關(guān)技術(shù)手段提高殘芯在檢測(cè)圖像上的對(duì)比度[4-5]，但是這些方法并不適用于葉片檢測(cè)的工程化。2007年后，采用熱中子照相法檢測(cè)空心渦輪葉片殘芯的技術(shù)逐漸得到應(yīng)用，該技術(shù)的檢測(cè)能力主要取決于殘芯材料對(duì)熱中子的衰減程度[6]。為了提高熱中子圖像上殘芯的對(duì)比度，國內(nèi)外通常采用少量熱中子截面非常大的元素(如Gd)對(duì)殘芯進(jìn)行標(biāo)記。一般采用摻雜法或浸泡法進(jìn)行標(biāo)記。摻雜法是將一定含量的Gd2O3粉末直接摻到型芯材料內(nèi)，葉片脫芯后可直接進(jìn)行中子檢測(cè)；浸泡法是將經(jīng)過脫芯處理的內(nèi)部可能含殘芯的葉片在Gd(NO3)3溶液中浸泡，使足夠的Gd元素被殘芯吸收，然后實(shí)施中子檢測(cè)。在20世紀(jì)70年代，國外已成功采用摻雜法實(shí)現(xiàn)了殘留量?jī)H為1 mg的殘芯熱中子檢測(cè)，并將該技術(shù)推廣應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片檢測(cè)領(lǐng)域[7]。韓國原子能研究院采用Gd(NO3)3溶液浸泡噴丸處理用的鋼球模擬葉片殘芯，通過熱中子照相檢出了葉片內(nèi)部未清理干凈的直徑僅為 0.2 mm的鋼球[6]。此外，國外已初步實(shí)現(xiàn)葉片殘芯檢測(cè)的工程化應(yīng)用，加拿大Nray公司已經(jīng)為3M公司、波音公司、克珞美瑞燃?xì)廨啓C(jī)有限公司、美國Edison焊接研究所以及IBM公司等提供航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片殘芯的熱中子檢測(cè)服務(wù)[8]；同時(shí)，世界主要發(fā)動(dòng)機(jī)公司羅爾斯羅伊斯公司、通用電氣公司及普惠公司等均建立了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片殘芯檢測(cè)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。國內(nèi)無論在葉片殘芯檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化，還是工程化應(yīng)用等方面均比較落后。

文章首先驗(yàn)證中子源和和單面乳化膠片組合方式的最優(yōu)空間分辨力，其次采用DD5鎳基高溫合金材料設(shè)計(jì)制作不同厚度殘芯的階梯狀模擬試樣和葉片對(duì)比試樣，研究了空心渦輪葉片殘芯的檢測(cè)靈敏度及其與各影響因素的關(guān)系，為殘芯的中子檢測(cè)提供參考依據(jù)。

1 中子衰減

中子與物質(zhì)的相互作用非常復(fù)雜[9]，表現(xiàn)為中子與物質(zhì)的相互作用與電子無關(guān)，而與物質(zhì)的原子核及其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)中子透過某種物質(zhì)與物質(zhì)的原子核發(fā)生相互作用后，能量發(fā)生衰減。從宏觀角度上，透射中子強(qiáng)度與入射中子強(qiáng)度之間存在以下的數(shù)學(xué)關(guān)系。

I=I0e-∑t

(1)

式中：I為透射中子強(qiáng)度;I0為入射中子強(qiáng)度;t為試樣的透照厚度;∑為試樣對(duì)中子的吸收系數(shù)(宏觀截面)。

其中，Gd的吸收系數(shù)為1 190 cm-1，Ni的吸收系數(shù)為0.42 cm-1，這兩種材料吸收系數(shù)的差異將在中子圖像上形成明顯的對(duì)比度差異，有利于實(shí)現(xiàn)殘芯的高靈敏度檢測(cè)。

2 試驗(yàn)制備與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所的反應(yīng)堆冷中子照相裝置，冷中子束流由反應(yīng)堆內(nèi)冷包將熱中子冷卻后獲得，通過中子導(dǎo)管傳輸至成像裝置，在滿功率情況下，成像位置的中子注量率可達(dá)106n·cm-2·s-1，準(zhǔn)直比為30012 000。試驗(yàn)成像裝置包括單面乳化膠片、Gd轉(zhuǎn)換屏和暗盒等。所用膠片型號(hào)為Agfa D3-SC，與轉(zhuǎn)換屏緊貼一起置于不漏光的暗盒內(nèi)，被中子射線直接曝光。

2.2 試驗(yàn)試樣

空間分辨力是用來表征圖像上分辨兩個(gè)相鄰細(xì)節(jié)特征的指標(biāo)。采用瑞士PSI公司的標(biāo)準(zhǔn)空間分辨力試樣，該試樣材料為表面鍍有Gd層的銅片，銅片呈放射狀排列，可定量評(píng)價(jià)25,50,100 μm等空間分辨力指標(biāo)。

對(duì)比試樣對(duì)模擬評(píng)價(jià)葉片殘芯的檢測(cè)靈敏度至關(guān)重要。筆者設(shè)計(jì)制作了兩種類型的對(duì)比試樣：階梯狀模擬試樣用于確定模擬殘芯的檢測(cè)靈敏度；葉片對(duì)比試樣除了獲得殘芯的真實(shí)檢測(cè)靈敏度外，還用于分析葉片結(jié)構(gòu)對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響。

圖1為階梯狀模擬試樣的制備流程，基體材料為DD5單晶高溫合金，臺(tái)階厚度分別為2,3,4,5,6,7,8 mm，每個(gè)臺(tái)階上采用電火花加工了一系列不同深度的φ2 mm圓孔，如圖1(a)所示，孔深依次為0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40,0.50,0.60,0.70,0.80,0.90 mm。所有圓孔經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量后，實(shí)際孔深約為0.140.95 mm。采用摻雜法將純度為99.9%的Gd2O3粉末與陶瓷型芯漿料混合均勻，Gd2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，將漿料填充在不同深度的圓孔內(nèi)，并在1 150℃燒結(jié)0.5 h，固化后通過機(jī)加工去除試樣表面溢出的型芯材料，同時(shí)去除每個(gè)圓孔內(nèi)一半的型芯，形成空腔，去除一半型芯后的試樣如圖1(d)所示，圓孔中白色物質(zhì)為型芯材料。

圖1 階梯狀模擬試樣的制備流程

圖2為含殘芯葉片對(duì)比試樣的制備流程，葉片材料為DD5單晶高溫合金。采用與制作階梯狀模擬試樣相同的陶瓷型芯漿料，通過3D打印技術(shù)制成5 mm×5 mm(長(zhǎng)×寬)的薄片，厚度分別為0.2,0.3,0.4 mm。將薄片破碎后，挑選尺寸較小的殘芯，通過鋁膠帶黏貼在葉片葉身處，每3個(gè)為一組；選擇高度分別為38，85 mm的兩種規(guī)格葉片(記為小葉片和大葉片)，兩種葉片葉身的最大透照厚度都約為3.4 mm，在兩種葉片葉身的不同位置黏貼殘芯，其中小葉片共3組(都位于葉身表面)，大葉片共4組(3組位于葉身表面，1組位于葉片內(nèi)腔)。

圖2 含殘芯葉片對(duì)比試樣的制備流程

圖3 空間分辨力試樣的試驗(yàn)結(jié)果

2.3 試驗(yàn)條件

將試樣分別緊貼暗盒，置于冷中子源和單面乳化膠片成像系統(tǒng)中曝光30 min。膠片在暗室內(nèi)經(jīng)過顯影、定影和干燥處理后，使用Array 2905HD型激光掃描儀對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化，采用Image J軟件將圖像類型轉(zhuǎn)換為8 bit，隨后提取不同部位的灰度。

3 結(jié)果與分析

3.1 空間分辨力

圖3為空間分辨力試樣的試驗(yàn)結(jié)果，圖像經(jīng)過降噪和邊界銳化處理，在圖3(a)上空間分辨力指標(biāo)50 μm附近畫兩條直線獲取灰度分布曲線[見圖3(b),3(c)]。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在指標(biāo)50 μm的外側(cè)(線1)能清晰分辨灰度分布曲線的波峰和波谷，而在指標(biāo)50 μm的內(nèi)側(cè)(線2)并不能區(qū)分波峰和波谷，表明冷中子源和單面乳化膠片的組合方式具有較優(yōu)的空間分辨力，分辨力可達(dá)到50 μm。

3.2 葉片殘芯檢測(cè)靈敏度

圖4為階梯狀模擬試樣的冷中子透照?qǐng)D像，圖中每個(gè)臺(tái)階有灰色部位、較亮部位、較暗部位等，其中灰色部位為基體材料，較亮部位為殘芯，較暗部位為空腔。從圖4中可以看出：當(dāng)殘芯厚度相同時(shí)，殘芯與空腔的對(duì)比度隨著透照厚度的增加而減小，在圖像上逐漸難以分辨；當(dāng)透照厚度相同時(shí)，殘芯與空腔的對(duì)比度隨著殘芯厚度的減小而逐漸減小，在圖像上也難以分辨。上述結(jié)果表明，當(dāng)殘芯材料相同時(shí)，殘芯的檢測(cè)靈敏度取決于透照厚度和殘芯厚度。利用Image J軟件的圖像平均灰度功能提取型芯和空腔的灰度，兩者的對(duì)比度C由式(2)所示。

圖4 階梯狀模擬試樣的冷中子透照?qǐng)D像

(2)

式中：D1為型芯的灰度;D為空腔的灰度;ΔD為型芯與空腔的灰度差。

圖5為對(duì)比度、透照厚度和殘芯厚度的關(guān)系。圖5中黑色球表示殘芯不可見(C<0.05);紅色球表示殘芯可見(0.05≤C<0.1);綠色球表示殘芯清晰可見(C≥0.1)。圖5進(jìn)一步表明了殘芯的檢測(cè)靈敏度與透照厚度和殘芯厚度密切相關(guān)，其中透照厚度的變化影響較大，當(dāng)透照厚度為5.8 mm時(shí)，殘芯的檢測(cè)靈敏度為0.2 mm，如圖中箭頭A所示，隨著透照厚度逐漸減小，殘芯的檢測(cè)靈敏度提高(小于0.2 mm，這與研究結(jié)果[10]較為一致；如圖中箭頭B所示,當(dāng)透照厚度為6.5 mm時(shí)，殘芯的檢測(cè)靈敏度降至0.55 mm；如圖中箭頭C所示,當(dāng)透照厚度增加至7 mm時(shí)，殘芯的檢測(cè)靈敏度降至0.95 mm)。綜上所述，通過階梯試樣獲得的定量指標(biāo)可用于指導(dǎo)葉片殘芯的冷中子照相檢測(cè)。但是，上述定量指標(biāo)與葉片殘芯的真實(shí)檢測(cè)靈敏度還是存在如下差異：① 對(duì)于圖4中在最厚臺(tái)階上的0.95 mm厚殘芯，目視觀察時(shí)能夠分辨，定量結(jié)果卻表明其不可見，該對(duì)比度的分級(jí)可能導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度偏低；② 該定量指標(biāo)未考慮葉片結(jié)構(gòu)的影響；③ 經(jīng)過數(shù)字化處理的圖像質(zhì)量低于膠片的，該評(píng)價(jià)結(jié)果要低于實(shí)際膠片成像中殘芯的檢測(cè)靈敏度;④ 上述定量指標(biāo)是基于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Gd2O3獲得的，若該衰減材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，則殘芯的檢測(cè)靈敏度將低于上述定量指標(biāo)，需要重新進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖5 對(duì)比度、透照厚度和殘芯厚度的關(guān)系

3.3 葉片結(jié)構(gòu)對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

圖6為葉片對(duì)比試樣的冷中子透照?qǐng)D，其中黑色虛線表示葉身表面的殘芯，黑色實(shí)線表示葉片內(nèi)腔中的殘芯。從圖6可以看出，在兩種規(guī)格葉片葉身上預(yù)置的不同厚度殘芯(0.20.4 mm)均能清晰分辨，表明殘芯的檢測(cè)靈敏度達(dá)到了0.2 mm。兩種葉片的最大透照厚度(約3.4 mm)及其變化范圍幾乎相同(見圖7)，因此也可以通過3.2節(jié)中的定量指標(biāo)推斷出兩種規(guī)格葉片殘芯的檢測(cè)靈敏度要優(yōu)于0.2 mm。另外，由于透照厚度的變化，圖像上較薄部位的殘芯對(duì)比度略高于較厚部位的。

圖6 葉片對(duì)比試樣的透照?qǐng)D

圖7 葉片對(duì)比試樣截面

葉片葉身的橫截面為變厚度曲面，且不同葉片之間的結(jié)構(gòu)差異較大，文中大葉片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及曲率均大于小葉片的，這會(huì)對(duì)殘芯的檢測(cè)靈敏度產(chǎn)生一定的影響。圖8為葉片對(duì)比試樣中殘芯厚度和對(duì)比度的關(guān)系曲線。從定量方面分析，當(dāng)殘芯厚度為0.20.4 mm時(shí)，圖像對(duì)比度均大于0.1，兩種規(guī)格葉片中的殘芯可清晰分辨，殘芯的檢測(cè)靈敏度優(yōu)于0.2 mm。另外，對(duì)于同一規(guī)格葉片，不同的透照厚度導(dǎo)致同厚度殘芯的對(duì)比度變化范圍較一致，例如，小葉片中殘芯的對(duì)比度變化約為0.8，大葉片中殘芯的對(duì)比度變化約為0.3，其中大葉片中0.3 mm厚殘芯對(duì)比度較低，且對(duì)比度低于0.3，這是該組殘芯位于葉片加強(qiáng)筋位置所導(dǎo)致的[如圖6(b)中箭頭所示]。從圖8可以看出，大葉片的對(duì)比度整體低于小葉片的，考慮到透照厚度變化的一致性，對(duì)比度降低的原因主要是葉片的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和較大曲率引起圖像質(zhì)量變差。

圖8 葉片對(duì)比試樣中殘芯厚度和對(duì)比度的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

(1) 冷中子源結(jié)合單面乳化膠片的成像方式具有較優(yōu)的空間分辨力，可達(dá)到50 μm。

(2) 冷中子照相檢測(cè)適用于葉片殘芯的檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)厚度大于0.2 mm殘芯的檢測(cè)。

(3) 葉片殘芯的檢測(cè)靈敏度取決于殘芯中衰減材料、透照厚度及殘芯厚度等因素，其中透照厚度的影響更大。對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Gd2O3陶瓷殘芯，當(dāng)透照厚度為5.8 mm時(shí)，殘芯的檢測(cè)靈敏度為0.2 mm；當(dāng)透照厚度大于5.8 mm時(shí)，殘芯的檢測(cè)靈敏度迅速降低。

(4) 在實(shí)際檢測(cè)中，葉片殘芯的檢測(cè)靈敏度會(huì)受到葉片結(jié)構(gòu)的影響，復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)會(huì)降低檢測(cè)靈敏度。