Table 1. DR檢測系統的技術參數
| 指標 | 參數 |
|---|---|
| X射線源 | MXR-320HP/11射線機 |
| 射線源焦點大小/mm | 0.4 |
| 平板探測器型號 | XRD 1621AN ES |
| 像素點間距/μm | 200 |
| AD位數/bit | 16 |
| 軟件系統型號 | XRT-HD |
分享：航空發動機渦輪葉片的DR檢測工藝試驗與應用
隨著無損檢測新技術的不斷發展，射線數字成像檢測技術已應用于船舶、航空、核電等多個工業檢測領域中。相較于傳統膠片射線照相檢測技術，射線數字成像技術具有寬容度較高、感光靈敏度良好、輻射劑量小及更有利于環境保護等一系列優點[1-3]。射線數字成像技術是在被檢對象、射線源和探測器系統處于相對靜止的條件下，利用DDA探測器進行射線成像的一種無損檢測新技術[4]。射線數字成像技術原理與常規膠片射線照相技術的基本相同，二者的主要區別在于，DR檢測技術用DDA探測器代替了膠片進行射線的接收與成像，用圖像數字化技術代替暗室處理獲得檢測圖像[5]。數字射線檢測也存在一個質量評定標準，即從對比度靈敏度、圖像不清晰度以及歸一化信噪比3個方面評定圖像質量。
用DR檢測代替傳統膠片射線照相檢測是未來無損檢測技術的發展趨勢。在服役過程中，航空發動機渦輪葉片在高轉速、高溫、高負荷狀態下運轉工作，工作環境較為惡劣，故需通過射線檢測保障其內部質量。現階段高溫合金渦輪葉片的內部檢測主要采用傳統膠片射線檢測方法，DR檢測技術還未得到應用。但航空發動機渦輪葉片的需求量較大，較高的產量給生產現場檢測帶來了很大壓力，若能夠將DR檢測技術用于渦輪葉片的內部質量檢測，則可以有效提高檢測效率。國外已經頒布了DR檢測相關標準，比如標準ISO 17636-2:2022 Non-destructive testing of welds—Radiographic testing—Part 2: X-and gamma-ray techniques with digital detectors。國內的DR檢測技術也正在快速發展，關于DR檢測技術的相關標準體系逐漸完善，近年來頒布了多個標準，比如GB/T 35388—2017《無損檢測X射線數字成像檢測 檢測方法》等，航空發動機集團內也頒布了相關的集團標準，如AETM 37A 《X射線數字成像檢測》，推動了數字射線檢測技術的廣泛應用。
文章以航空發動機渦輪葉片為試驗對象，開展了針對某型葉片的DR檢測工藝試驗，并與傳統膠片射線照相技術進行了對比試驗，分析其DR檢測技術應用可行性，以推動DR檢測技術在航空發動機渦輪葉片生產制造過程中的應用。
1. 試驗設備
DR檢測系統主要由射線源和平板探測器兩部分組成。文章采用的DR檢測系統的主要技術參數如表1所示。
對DR檢測設備進行空間分辨率試驗，將雙絲像質計直接置于平板探測器上，雙絲像質計分別與DDA陣列行與列的兩個方向呈 2°~5°，試驗結果如表2所示，可知試驗用DR檢測設備的基本空間分辨率為0.20 mm。
Table 2. DR檢測設備的空間分辨率試驗結果
| 方向 | 基本空間分辨率 | 雙絲型像質計絲號/最大不清晰度 |
|---|---|---|
| 方向1 （豎放） | 0.16 | D8/0.32 |
| 方向2 （橫放） | 0.20 | D7/0.40 |
2. 渦輪葉片DR檢測試驗
2.1 渦輪葉片DR檢測工藝
針對某型航空發動機渦輪葉片開展DR檢測試驗，檢測過程中對圖像灰度G（無量綱）有一定的要求，探測器的輸入射線強度與計算機輸出圖像灰度值存在線性關系[6]。在被檢工件厚度一定的情況下，信噪比隨著圖像灰度值的增加而增加，達到一定范圍后趨于平緩。被檢工件內部若存在不連續性，會引起線衰減系數變化，從而引起G變化，即灰度G的變化可以反映工件內部的不連續性，因此需在灰度值線性變化區進行圖像采集。為確定探測器的灰度值線性范圍，控制其他變量不變，只改變電流值，記錄不同電流值下平板探測器的平均灰度值。然后對記錄結果進行線性擬合，結果如圖1所示。由圖1可知，線性響應區間灰度值為5 000~55 000，為保證原始圖像質量，文章試驗控制檢測部位的灰度值為13 200~52 000。
圖 1 灰度值隨電流變化曲線
電壓及曝光量是射線檢測系統中的重要參數。通過增大電壓可以增大圖像灰度值，但是又不能一味增大電壓，在相同曝光量條件下，較高的射線管電壓會損失圖像的對比度。曝光量是電流與曝光時間的乘積，可認為是到達平板探測器的X射線光子的數量或劑量。曝光量不直接影響檢測圖像的對比度和空間分辨率，而對信噪比的影響較大，較大的曝光量可以得到質量較優的檢測數字圖像。因此需要選擇較大的電流，較長的單幀積分時間進行檢測。
對于靜態工件，采集的多幀連續圖像可以通過對多幅圖像求平均值來達到降噪目的。在積分時間分別為66，99，249，499 ms時，分別采集幀數為5，10，20，50，80，100的檢測圖像，并分析同一位置的歸一化信噪比，試驗數據如表3所示（表中歸一化信噪比無量綱，下同）。檢測圖像歸一化信噪比與采集幀數的關系曲線如圖2所示，可知隨著采集幀數的增加，平均處理過的圖像歸一化信噪比呈上升趨勢，在35幀之前，歸一化信噪比呈明顯上升趨勢，35幀之后上升較為平緩。綜合考慮時間及圖像質量，采集幀數宜選用50幀。通過觀察圖2及表3可以發現，在積分時間為249 ms時，歸一化信噪比較高，圖像質量更優，因此積分時間選擇249 ms。
Table 3. 不同積分時間下，不同幀數檢測圖像的歸一化信噪比
| 采集幀數/幀 | 積分時間/ms | |||
|---|---|---|---|---|
| 66 | 99 | 249 | 499 | |
| 5 | 124.1 | 126.8 | 126.2 | 125.9 |
| 10 | 149.7 | 150.7 | 155.0 | 149.8 |
| 20 | 166.9 | 172.4 | 176.4 | 168.8 |
| 50 | 180.2 | 186.7 | 192.8 | 183.5 |
| 80 | 184.6 | 189.6 | 198.2 | 186.7 |
| 100 | 185.3 | 190.1 | 195.6 | 187.2 |
圖 2 檢測圖像歸一化信噪比與采集幀數的關系曲線
在DR檢測中，當焦點尺寸較小時，可通過放大的透照方式提高細節尺寸的檢出能力，放大倍數M的定義為
| (1) |
式中：SDD為射線源至探測器的距離；SOD為射線源到被測物體的距離。
對于給定的射線檢測系統，放大倍數不能一味增加，而存在一個最佳放大倍數的概念，最佳放大倍數M0定義為
| (2) |
式中：SRb為探測器基本空間分辨率；?為焦點尺寸。
通過計算，文章試驗系統的最佳放大倍數為2，不同放大倍數下的圖像空間分辨率測量結果如表4所示，曲線如圖3所示。由表4及圖3可知，采用的DR檢測系統在放大倍數為2及1.67時均可以得到最高的圖像空間分辨率。
Table 4. 圖像空間分辨率測量結果
| 放大倍數 | 可識別雙絲像質計絲號 | 圖像空間分辨率/μm | 圖像不清晰度/mm |
|---|---|---|---|
| 1.0 | D8 | 160 | 0.32 |
| 1.67 | D9 | 130 | 0.26 |
| 2.0 | D9 | 130 | 0.26 |
圖 3 不同放大倍數下的雙絲像質計測量曲線
2.2 渦輪葉片DR檢測過程
通過以上分析，最終確定的DR檢測透照工藝參數如表5所示。按照該透照參數對材料與渦輪葉片材料一致的高溫合金階梯試塊進行透照檢測，檢測結果如表6所示。該透照參數下的一次透照厚度寬容度為2~6 mm，滿足渦輪葉片葉身變截面厚度變化范圍的透照要求。用膠片X射線照相檢測方法對階梯試塊進行透照時，為滿足渦輪葉片葉身厚度范圍的透照要求，需進行3次透照，其檢測結果如表7所示。由表7可知，DR探測器的動態范圍較大，單次透照的厚度寬容度也較大，即僅需一次透照就可得到葉身部位合適的灰度值圖像，如圖4所示。對渦輪葉片進行透照時，測得渦輪葉片較厚處A點的灰度值為13 882，渦輪葉片排氣邊處B點的灰度值為32 154，均滿足檢測要求。
Table 5. 確定的DR檢測透照工藝參數
| 透照電壓/kV | 管電流/mA | 積分時間/ms | 幀數/幀 | SDD/mm | SOD/mm | 放大比 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 200 | 2.81 | 249 | 50 | 1 000 | 600 | 1.67 |
Table 6. 階梯試塊DR檢測結果
| 項目 | 厚度/mm | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 14 | 12 | 10 | 8 | 6 | 4 | 2 | |
| 圖像 |
|
||||||
| 灰度值 | 5 595 | 6 866 | 8 640 | 10 914 | 13 371 | 21 273 | 35 556 |
Table 7. 階梯試塊X射線照相檢測圖像
| 項目 | 厚度/mm | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 14 | 12 | 10 | 8 | 6 | 4 | 2 | |
| 圖像（一次透照） |
|
||||||
| 黑度 | — | — | — | — | — | 0.64 | 2.12 |
| 圖像（二次透照） |
|
||||||
| 黑度 | — | — | — | — | 1.38 | 2.54 | >4.00 |
| 圖像（三次透照） |
|
||||||
| 黑度 | — | — | — | 1.70 | 2.55 | 3.89 | >4.00 |
圖 4 渦輪葉片灰度值圖像
在檢測過程中，使用單絲像質計評價圖像對比度分辨率、使用雙絲像質計評價圖像不清晰度，在受檢區域厚度均勻處測量歸一化信噪比。由于渦輪葉片葉身部位的厚度是變化的，無法直接在葉身上放置雙絲像質計，因此將雙絲像質計放置于透照場內6 mm厚（約等于葉身根部厚度）的高溫合金試塊上，并在雙絲像質計鄰近區域測量歸一化信噪比。根據透照場大小，單次透照3~4件葉片，透照布置示意如圖5所示。
圖 5 透照布置示意
2.3 渦輪葉片DR檢測圖像質量分析
按以上工藝參數對渦輪葉片進行DR檢測，其圖像質量測量結果如圖6及表8所示，可知DR檢測圖像質量滿足ISO 17636-2及AETM 37A標準中A級的要求，且葉身根部的單絲像質計靈敏度優于標準要求。
圖 6 圖像質量測量結果
Table 8. DR檢測圖像質量測量結果
| 項目 | 雙絲像質計絲號 | 圖像空間分辨率/µm | 歸一化信噪比 | 單絲像質計靈敏度（葉身上部） | 單絲像質計靈敏度（葉身根部） |
|---|---|---|---|---|---|
| 檢測技術要求（ISO 17636-2及AETM 37A中A級） | D9 | 130 | >70 | W17 | W13 |
| 檢測結果 | D9 | 130 | 119.8 | W17 | W14 |
3. 對比試驗及結果分析
為驗證DR檢測技術的檢測能力，將DR檢測結果與膠片射線檢測結果進行對比分析。選取55件渦輪葉片試件，試件包含了常見的夾雜、疏松、氣孔等典型鑄造缺陷。按照上文中確定的檢測參數對此55件葉片進行DR檢測試驗，并按照現行膠片射線檢測工藝進行了膠片法透照，兩種方法的檢測結果對比如表9所示。
Table 9. 兩種射線檢測技術的檢測結果對比
| 試件編號 | X射線照相檢測結果 | DR檢測結果 | 檢測尺寸相對誤差/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 排氣邊下部1.5 mm夾雜 | 排氣邊下部1.8 mm夾雜 | 0.20 |
| 2 | 葉冠氣孔1.0 mm | 葉冠氣孔1.0 mm | 0.00 |
| 3 | 進氣邊上部1.5 mm夾雜 | 進氣邊上部1.39 mm夾雜 | 0.07 |
| 4 | 進氣邊中部2.0 mm夾雜 | 進氣邊中部1.92 mm夾雜 | 0.04 |
| 5 | 排氣邊上部2.0 mm夾雜 | 排氣邊上部1.89 mm夾雜 | 0.06 |
| 6 | 排氣邊中上部2.0 mm夾雜 | 排氣邊中上部2.18 mm夾雜 | 0.09 |
| 7 | 排氣邊下部1.2 mm夾雜 | 排氣邊下部1.67 mm夾雜 | 0.39 |
| 8 | 葉身中部1.1 mm夾雜 | 葉身中部1.31 mm夾雜 | 0.19 |
| 9 | 排氣邊下部2.0 mm縮孔 | 排氣邊下部2.07 mm縮孔 | 0.03 |
| 10 | 排氣邊上部4.0 mm夾雜 | 排氣邊上部3.13 mm夾雜 | 0.22 |
| 11 | 葉冠下部靠近進氣邊4.0 mm夾雜 | 葉冠下部靠近進氣邊4.29 mm夾雜 | 0.07 |
| 12 | 葉身中下部靠近排氣邊5.0 mm氣孔 | 葉身中下部靠近排氣邊4.51 mm氣孔 | 0.10 |
| 13 | 葉身中部0.5 mm夾雜 | 葉身中部0.67 mm夾雜 | 0.34 |
| 14 | 進氣邊中部0.4 mm夾雜 | 進氣邊中部0.6 mm夾雜 | 0.50 |
| 15 | 排氣邊上部5.0 mm層狀夾雜 | 排氣邊上部5.35 mm層狀夾雜 | 0.07 |
| 16 | 排氣邊葉冠下部1.3 mm夾雜 | 排氣邊葉冠下部1.83 mm夾雜 | 0.41 |
| 17 | 進氣邊上部1.0 mm夾雜 | 進氣邊上部1.16 mm夾雜 | 0.16 |
| 18 | 排氣邊葉冠下部3.0 mm夾雜 | 排氣邊葉冠下部3.33 mm夾雜 | 0.11 |
| 19 | 進氣邊中部0.8 mm夾雜 | 進氣邊中部0.63 mm夾雜 | 0.21 |
| 20 | 排氣邊下部0.5 mm夾雜 | 排氣邊下部0.45 mm夾雜 | 0.10 |
| 21 | 排氣邊葉冠下部2.5 mm夾雜 | 排氣邊葉冠下部2.16 mm夾雜 | 0.14 |
| 22 | 排氣邊葉冠下部4.0 mm夾雜 | 排氣邊葉冠下部4.13 mm夾雜 | 0.03 |
| 23 | 葉身上部近進氣邊4.0 mm層狀夾雜 | 葉身上部近進氣邊3.62 mm層狀夾雜 | 0.10 |
| 24 | 葉身上部靠近排氣邊4.0 mm夾雜 | 葉身上部靠近排氣邊3.12 mm夾雜 | 0.22 |
| 25 | 葉冠上部2.0 mm氣孔 | 葉冠上部1.58 mm氣孔 | 0.21 |
| 26 | 排氣邊中部0.9 mm夾雜 | 排氣邊中部0.6 mm夾雜 | 0.33 |
| 27 | 排氣邊中上部2.0 mm夾雜，排氣邊上部0.8 mm夾雜，葉冠上部1.0 mm氣孔 | 排氣邊中上部2.1 mm夾雜，排氣邊上部0.77 mm夾雜，葉冠上部0.83 mm氣孔 |
0.05 0.04 0.17 |
| 28 | 葉身中部靠近排氣邊2.0 mm夾雜 | 葉身中部靠近排氣邊2.0 mm夾雜 | 0.00 |
| 29 | 排氣邊中下部0.8 mm夾雜 | 排氣邊中下部0.52 mm夾雜 | 0.35 |
| 30 | 葉身中部近排氣邊3.0 mm條狀夾雜 | 葉身中部近排氣邊3.8 mm條狀夾雜 | 0.27 |
| 31 | 葉身中下部靠近排氣邊0.9 mm夾雜 | 葉身中下部靠近排氣邊0.68 mm夾雜 | 0.24 |
| 32 | 葉冠下部進氣邊5.0 mm層狀夾雜 | 葉冠下部進氣邊4.13 mm層狀夾雜 | 0.17 |
| 33 | 排氣邊中部1.0 mm夾雜 | 排氣邊中部0.69 mm夾雜 | 0.31 |
| 34 | 葉身上部疏松 | 葉身上部疏松 | — |
| 35 | 進氣邊上部1.0 mm夾雜 | 進氣邊上部1.13 mm夾雜 | 0.13 |
| 36 | 排氣邊中下部0.5 mm夾雜 | 排氣邊中下部0.58 mm夾雜 | 0.16 |
| 37 | 葉冠下部近進氣邊2.0 mm夾雜 | 葉冠下部近進氣邊1.94 mm夾雜 | 0.03 |
| 38 | 葉冠下部6.0 mm夾雜 | 葉冠下部5.04 mm夾雜 | 0.16 |
| 39 | 葉冠下部近排氣邊3.0 mm夾雜 | 葉冠下部近排氣邊2.94 mm夾雜 | 0.02 |
| 40 | 葉身上部近排氣邊2.0 mm夾雜 | 葉身上部近排氣邊3.38 mm夾雜 | 0.69 |
| 41 | 葉身上部近排氣邊0.7 mm夾雜 | 葉身上部近排氣邊0.63 mm夾雜 | 0.10 |
| 42 | 葉身上部近進氣邊2.0 mm夾雜 | 葉身上部近進氣邊2.55 mm夾雜 | 0.28 |
| 43 | 葉身上部近排氣邊2.0 mm夾雜 | 葉身上部近排氣邊1.82 mm夾雜 | 0.09 |
| 44 | 進氣邊上部縮裂6.0 mm | 進氣邊上部縮裂6.29 mm | 0.05 |
| 45 | 葉冠下部近排氣邊線性缺陷3.0 mm | 葉冠下部近排氣邊線性缺陷3.42 mm | 0.14 |
| 46 | 排氣邊中上部條狀夾雜2.0 mm | 排氣邊中上部條狀夾雜1.58 mm | 0.21 |
| 47 | 葉冠下部排氣邊豁口 | 葉冠下部排氣邊豁口 | — |
| 48 | 排氣邊下部0.6 mm夾雜 | 排氣邊下部0.48 mm夾雜 | 0.20 |
| 49 | 葉冠下部疏松 | 葉冠下部疏松 | — |
| 50 | 葉冠下部疏松 | 葉冠下部疏松 | — |
| 51 | 葉身中部疏松 | 葉身中部疏松 | — |
| 52 | 葉身下部疏松 | 葉身下部疏松 | — |
| 53 | 葉身中部疏松 | 葉身中部疏松 | — |
| 54 | 葉冠下部疏松 | 葉冠下部疏松 | — |
| 55 | 排氣邊中部2.0 mm縮孔 | 排氣邊中部2.17 mm縮孔 | 0.09 |
對比55件渦輪葉片的數字圖像和底片圖像，二者檢出的缺陷類型、缺陷形態及缺陷位置均一致。缺陷尺寸測量值并不完全相同，存在一定偏差，平均相對誤差為0.17%，最大相對誤差為0.69%。出現這種情況的主要原因為：① 兩種檢測方法的焦距及視場大小不同，導致實際的射線透照角度并不完全相同，而射線檢測是一種投影成像技術，透照角度不同會對缺陷顯示的尺寸存在影響；② 膠片射線檢測使用標尺放大鏡測量缺陷尺寸，DR檢測是在數字圖像上使用軟件自帶的測量工具進行測量，以上兩種檢測方法，缺陷的邊界均由評判人員目視確定，不同評判人員在測量時會存在一定的測量不確定度。幾種典型的鑄造缺陷DR圖像和底片圖像對比如圖7所示。
圖 7 部分典型鑄造缺陷DR圖像與底片圖像對比
為了進一步驗證DR檢測技術對于某型渦輪葉片的適用性，隨機抽取80批共11 303件葉片開展了膠片射線檢測和DR檢測試驗。試驗時DR檢測和膠片射線檢測試驗由不同檢測人員分別進行，檢測完成后再對比檢測結果，結果顯示，DR檢測及膠片射線檢測方法均檢出了223件缺陷件，且缺陷類型、位置以及形態一致。通過對缺陷試件及批量葉片檢測結果的對比分析，發現DR檢測和膠片射線照相檢測結果一致，認為可以采用DR檢測方法對某型渦輪葉片進行內部質量檢測。
檢測效率方面，某型渦輪葉片的現行膠片射線照相檢測工藝需進行3次透照，一次透照可檢測32件，透照一次所需時間約為15 min；該葉片的DR檢測工藝僅需進行1次透照，一次透照可檢測3件或4件，透照一次所需時間約為3 min。可見，在不計算評片時間的情況下，DR檢測技術的檢測效率比膠片射線照相的提高了約64%釋放了檢測產能。
4. 結論
（1）針對某型航空發動機渦輪葉片內部冶金質量的檢測，提出了一種DR檢測工藝方法，通過試驗分析確定了其DR檢測工藝參數，檢測靈敏度滿足ISO 17636-2:2022及AETM 37A標準中的A級要求。
（2）與傳統膠片X射線檢測方法相比，對某型航空發動機渦輪葉片的DR檢測方法在缺陷位置、缺陷類型、缺陷形態以及缺陷檢出率方面與膠片法的一致，缺陷尺寸測量值最大誤差小于0.7%。
（3）采用該DR檢測系統對某型航空發動機渦輪葉片進行內部質量檢測，檢測效率高，與膠片X射線檢測方法相比提高了約64%，釋放了檢測產能。
文章來源——材料與測試網
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