航空发动机叶片裂纹检测技术及应用分析

何嘉辉

摘要：航空发动机由于其结构复杂、叶片级数多而难以对裂纹等缺陷进行检测，最常用的传统检测方法如孔探法无法高效的对叶片表面进行诊断，因此我国航空发动机叶片的无损检测一直是行业发展的重点。本文旨在验证超声红外热成像技术是否适用于航空发动机叶片裂纹的检测，通过采集受到超声激励后的材料表面的温度变化，进而对材料表面进行初步的定损。结果证明，该技术可以准确的采集到材料表面的热成像图并对裂纹等损伤进行有效判定。

关键词：无损检测;航空发动机叶片;超声红外热成像;损伤检测

0  引言

航空发动机作为飞机动力的核心，是体现飞机性能的标准之一[1]。大多采用复杂型面叶片，在运行过程中因为会受到应力、离心力已于弯矩应力的影响，所以容易生成疲劳裂纹、层间分离等损伤[2]。这种损伤会降低航空发动机的性能，给装备带来安全隐患，甚至会引发灾难。因此发展、使用高效的检测技术是解决这类问题的关键。

大部分应用于航空发动机叶片检测的方法主要有孔探法以及常规的检测方法如磁粉、射线、涡流电磁法，其中孔探法是发动机外场检测应用最多的一种技术，这种技术检测时间长，对人力的要求很高，并且操作过程较为复杂且必须十分谨慎。常规的检测方法对复杂曲面结构缺陷的检测存在这一定的局限性[3]。近年来已出现一些高效的无损检测方法如声波/超声波检测、电磁超声非线性检测、相控阵检测等已经逐步应用于发动机叶片的探伤。红外热成像技术亦是较为先进的无损检测技术之一，它主要是通过对被测结构件表面的温度变化进行捕捉，利用红外热成像仪采集表面因温度变化而产生的红外信号检测的。

红外热成像技术是用超声波对工件表面积局部进行激励进而进行加热，通过热成像仪捕捉裂纹区域的局部红外图像。由于在固体器件中超声波传播速度快，所以从发出激励信号到采集到反馈信号是极短时间的过程，又因为深度、裂纹大小不同，红外信号传播到试件表面并得到反馈是随着时间、裂纹规模变化的，最后经过图像处理可以对试件的裂纹进行识别与定位。

1  检测原理及方法概述

1.1 检测原理概述

超声红外热成像检测技术的原理是先将低频高能的超声波注入被测零件，被测零件会产生小幅的机械振动，如果存在裂纹，那么由于裂纹两侧因震动频率不同（即出现相位差）而出现部分热效应（即摩擦生热），导致局部的温度升高表面产生的热辐射也不同。之后利用热成像仪对被测件表面温度进行捕捉生成零件表面的温度分布图，最后通过对温度分布图中的异常信号进行分析从而得到裂纹的位置及尺寸。相比于其他成像技术，超声红外热成像技术可以只对表面或者裂纹区域进行加热，对正常的结构区域不加热，这种方法可以增加裂纹检测的可靠性，更有利于分析与判定，其检测原理如图1所示。

红外热成像检测的原理采集就是因不同材料表面热传导不同而出现温度差异的图像并对其进行甄别，因此我们可以通过热传导方程对其做出解释，热传导方程如下：

由此可知，试件受到激励之后会表面会发生温度变化，在时间相同的情况下，试件表面的温度T与待测件厚度（或者是裂纹的深度）成反比，即厚度（深度）越大，表面的温度越低。为了达到可以完全显现裂纹的目的，激励的时间应该越长，因此为了使裂纹处温差会达到最大便于观察，应该给予一定时间的激励。从原理上分析可以通过激励被测试件并采集试件表面温度的变化来识别裂纹及缺陷。

1.2 检测仪器介绍

本系统主要由数据采集处理、激励发生器组成。目前完成的检测系统包括计算机、红外热成像仪、超声波发生器组成。其中计算机主要用于采集红外热成像图并作为后期对结果处理的装置，超声波发生器主要包括超声波激励电源、激励触头等。本实验采用红外热成像仪为德国InfraTecVarioCHD head 高清便携式红外热成像仪，此设备可以高效率、精确的测量并分析被测试件表面的温度变化。由于仪器设备不同，因此最后得到的检测结果也会随着红外摄像仪的精度有所变化。数据采集与处理使用的是计算机与红外软件IRBIS3plus，可以在其控制界面改变参数改变采集的模式。

2  实验检测及结果

由于不具备发动机叶片作为检测对象，因此选用其他替代试件作为待测件，最终通过分析结果判断超声红外热成像技术是否适用于发动机叶片裂纹的检测。

根据热传导定律可知，当材料表面温度分布不均匀时，材料表面热辐射不均匀，因此最终采集到的热温度图可以清晰显示裂纹形状及位置。本次实验采用3mm与4mm厚CFRP（碳纤维板）板作为待测材料，为了验证是否可行，需要对CFRP板进行人为（破坏）。实验中，设置采集的频率为30Hz，采集帧数的热图为1000帧。激励时长分别为3s和4s，最后采集热图像序列。经过实验发现，裂纹热成像出现的过程为逐渐变小，即大部分缺陷最先出现且最容易出现，少部分逐渐出现并且缺陷逐渐完整化。缺陷热成像图见图2和图3。

图2、图3中显示的是首次能够清晰观察到全部的裂纹缺陷之后的帧数图，出现的时间分别为：第124帧时3mm厚试件可以全部显示;第197帧时4mm厚试件可以全部显示。从图2、图3中可以清晰发现裂纹、缺陷所在位置，并且在4mm厚裂纹热像图中，可以观察到裂纹缺陷因深度不同而出现的深色区域颜色不同的现象。之后经过Blob提取统计二值图中的像素值并计算面积，可以得到缺陷区域的大小及其产生的热效应。具体见表1。

从最后的检测结果可以看出，超声红外热成像检测应用于表面结构缺陷、裂纹探测是可行的，尽管具体的面积提取仍然存在一定的误差，但是对于定量检测叶片裂纹大小或者识别叶片是否有损伤依旧具有一定的参考价值。

3  结语

部分航空发动机由于具有多级叶片，在检测叶片是否受损时难度较高、精确性要求较高，因此传统的叶片检测对于航空发动机叶片裂纹与缺陷的检测存在一定的局限性。本文通过应用超声红外热成像技术检测特殊材料表面热像图验证该方法是否具备检测航空发动机复杂叶片结构的能力并最終通过分析结果确定该方法可以应用于发动机叶片的检测。

参考文献：

[1]许愕俊.微裂纹对航空发动机构件服役总寿命及可靠性的影响[J].航空发动机，2003，29（2）：11-15.

[2]张立功，张佐光.先进复合材料中的主要缺陷分析[J].玻璃钢/复合材料， 2001（3）：42-45.

[3]曹益平，李路明，等.基于电测检测原理的疲劳裂纹检测方法[J].清华大学学报，2005，45（11）：1453-1455.