一种双金属涡轮界面缺陷超声检测方法技术

本发明专利技术涉及一种镶铸双金属涡轮界面粘接不良缺陷的超声检测方法和专用设备。由于涡轮结合界面倾斜于涡轮上端面，且涡轮下端面为弧面，传统自发自收式超声相控阵检测方式接收不到侧壁结合层反射回波，结构复杂且涡轮轮盘为高温合金材料，声衰减严重。而且现有相控阵设备发射电压过低不能解决材料高衰减问题，此外收发分置双探头法需要更换不同角度楔块覆盖检测区域。本发明专利技术采用高压相控阵发射板接15阵元相控阵探头，作为发射单元置于涡轮上端，球环探头作为接收端置于涡轮下侧接收双金属涡轮结合层超声反射信号。模拟试块检测结果表明，本发明专利技术方法对双金属涡轮界面侧壁待检测区域能够完全覆盖，对缺陷有很高的检出率，且能够对缺陷进行较精确定位。

An ultrasonic inspection method for bimetal turbine interface defects

The invention relates to an ultrasonic testing method and a special equipment for the defect of bonding between the interface of a cast bimetal turbine. Because the turbine interface is inclined to the upper end of the turbine and the lower end of the turbine is globoidal, the traditional spontaneous ultrasonic phased array detection method can not receive the reflection echo of the side-wall interface. The structure is complex and the turbine disk is made of superalloy material, so the acoustic attenuation is serious. In addition, the existing phased array equipment can not solve the problem of high attenuation of materials because of its low transmitting voltage. In addition, different angle wedges need to be replaced to cover the detection area in the transceiver split dual probe method. The invention adopts a high-pressure phased array transmitting plate connected with a 15-element phased array probe, as a transmitting unit placed on the upper end of a turbine, and a spherical ring probe as a receiving end placed on the lower side of a turbine to receive ultrasonic reflection signals of a bimetal turbine binding layer. The test results of the simulated test block show that the method can completely cover the side wall of the bimetal turbine interface, has a high detection rate of the defects, and can accurately locate the defects.

【技术实现步骤摘要】
一种双金属涡轮界面缺陷超声检测方法
本专利技术涉及一种超声波检测方法，具体涉及一种镶铸双金属涡轮界面粘接不良缺陷超声检测方法。
技术介绍
涡轮作为航空发动机的核心热端部件之一，包括轮盘和叶片两部分。其中，轮盘在低温下工作，主要受机械应力作用，要求具有较高的抗拉强度和抗疲劳强度；叶片在高温下工作，主要受离心力、热应力作用，要求具有良好的高温持久和蠕变性能。传统涡轮叶片通过榫头和轮盘外缘的榫槽相连接，将作用在叶片上的载荷传动到轮盘上，但此种工艺在榫齿和榫槽处有较严重的应力集中从而产生裂纹。新型的镶铸工艺在铸型里提前放入加工好的高温合金轮盘，铸造合金液包裹高温合金轮盘，在其周围凝固为叶片组织，实物形状及涡轮内芯二维结构如图1所示。采用此种工艺的涡轮一体性好、无应力集中、载荷均匀、成本较低。在镶铸双金属涡轮的实际生产过程中，由于液固复合层冶金不能完全冶金熔合，在结合界面处易出现夹渣，气孔，未熔合，结合区强度差等缺陷。对于这种新工艺制成的涡轮暂时没有相对成熟的检测工艺，磁粉检测和渗透检测都只能检测涡轮的表面及近表面缺陷，不能检测出涡轮内部结合面缺陷；射线检测虽能检测内部缺陷，但涡轮界面缺陷类型为面积型缺陷，射线检测对此种缺陷不敏感易造成漏检。超声检测因其具有方向性好、灵敏度高、穿透能力强、缺陷定位准确、对面积型缺陷的检出率较高等优点适用于镶铸双金属涡轮结合面缺陷的检测但采用镶铸工艺制作的涡轮也带来了新的检测难点，主要有两个：轮盘材料为镍基高温合金，晶粒粗大，对于超声波的衰减强烈；双金属涡轮结合界面处结构复杂，采用常规自发自收式超声相控阵检测接收不到界面回波。为了解决这两个主要问题，现开发专用高电压15通道相控阵脉冲发射仪，利用相控阵的聚焦特性在涡轮上端发射高压聚焦超声波使合成声束聚焦到结合面上；采用收发分离的方式，在涡轮下端采用球环探头来接收来自双金属涡轮结合层处的反射波。因此采用相控阵探头发射，球环探头接收的超声检测方法适用于此镶铸双金属涡轮结合面缺陷检测。
技术实现思路
本专利技术为解决镶铸双金属工艺制作涡轮无现成检测方法和专用设备问题，提出一种双金属涡轮结合界面缺陷超声相控阵检测方法并开发检测设备。该方法既能够完全的覆盖所需检测部位，又能够有效克服材料声衰减大的问题。本专利技术是这样来实现的，一种双金属涡轮超声波检测方法及专用检测设备，其特征在于方法如下：（1）双金属涡轮专用检测系统由专用高压相控阵15通道发射单元、相控阵发射探头（附带15度楔块）、球环接收探头、超声波接收单元、成像系统（附带采集卡）构成；（2）将探头通过耦合剂与所述检测涡轮进行结合，相控阵探头与带角度楔块连接后固定放置在轮盘上侧；球环超声波探头放置在轮盘另一侧中心，固定接收；（3）将高压相控阵发射仪的检测模式设置为自定义聚焦扫描；（4）将15°楔块装配到相控阵探头上，并固定放置在涡轮上侧，通过设置各个阵元不同延时从而使超声波束动态发射聚焦到侧壁，经侧壁反射后由球环探头接收，从得到侧壁反射后的超声波信号来分析判别有无结合面缺陷。（5）以涡轮中心线为轴线，旋转涡轮1°，移动到下一检测位置，重复步骤3），直至检测完全覆盖涡轮全部，记录并存贮结果。（6）完成镶铸双金属涡轮超声相控阵一发一收式检测。进一步的，所述双金属涡轮为锥台状，上端直径为63mm，下端直径为33mm，高为96mm，为K447A高温镍基铸造合金，纵波声速约6000m/s，所述检测楔块材料为有机玻璃，长为33mm，宽度21mm，高度为17mm，角度为15°，纵波声速2337m/s。进一步的，所述超声相控阵探头做发射用，利用超声相控阵探头声束的可偏转和聚焦特性，使声束能够聚焦在待检测侧面双金属结合层上；通过改变各个阵元延时从而调整合成声束的角度和聚焦位置，使在轮盘下侧的接收探头能够接收到侧面结合层反射回波。进一步的，所述耦合剂为30#机油，密度为0.9g/cm3，声速为1400m/s。进一步的，所述楔块角度为15°，目的在于提高合成声束对涡轮侧面结合层的发射指向性。纵波在工件内的传播速度最快，在接收端对数据前端截取能够排除其他结构波带来的干扰。由斯奈尔定律计算出第一临界角为27.6°，且考虑到经过侧壁反射要被接收探头接收到，故选取上述角度楔块。进一步的，所述利用接收探头得到的射频信号来判别缺陷的原理为，当声波到达结合面时，由于轮盘与叶片材料的不同，存在声阻抗的差异。根据斯奈尔定理，声波在界面处存在反射与折射。若侧壁存在结合不良，由于轮盘与叶片声阻抗的差异远远小于轮盘与空气的差异，故在缺陷处声波将全发射，接收探头接收到的信号幅度会升高。所以通过监测接收端侧壁结合层位置处的信号幅度变化，可以实现对结合层缺陷的检测。2、本专利技术是这样来实现的，一种双金属涡轮超声波检测方法及专用检测设备，其特征在于设备如下：（1）专用高压相控阵发射单元，发射电压范围450V~600V，脉冲宽度范围100ns~500ns可调；阵元延时精度最低为2.5。在高压发射模块中脉宽二级可调，主要由FPGA内部脉宽调节模块和外部微分电路两部分构成，前者通过调整FPGA内部参数来实现脉宽调节，后者通过调整微分电路的电容电阻的大小实现脉宽调节。高压产生模块如图3所示，主要由变压器、电容、稳压管等器件构成，主要为高压开关模块提供恒压。多通道延时高压信号产生如图4所示，FPGA延时模块从PC机端获取延时数据，经过计算输出n路延时信号；n路延时信号激励多通道高压激励模块，即可产生多通道高压信号用于激励相控阵换能器。（2）专用球环接收探头，外径20mm，球冠中空部分直径5mm。球冠中空设计的目的在于最大限度抑制直达波（合成声束不经侧面反射，直接穿透至涡轮底部的成分）能量。（3）粘接缺陷定位方法，利用利用发射直达波与双金属界面缺陷波的时差对界面粘接缺陷进行定位。本专利技术的有益效果在于：填补了此类型涡轮无适合检测方法的空白，利用相控阵的偏转和聚焦特性，根据涡轮特殊结构采取相控阵发射，对需检测面进行全覆盖；球环探头接收的方法，确保弧面接收端形状利用脱粘缺陷波与直达波的时差确定脱粘缺陷位置，对涡轮的生产和使用有重大意义。附图说明图1为本专利技术的检测对象镍基高温合金涡轮盘图。图2为本专利技术的检测对象涡轮盘的内部椎体图。图3为本专利技术的专用设备高压负脉冲延时激励模块图。图4为本专利技术的15阵元高压相控阵发射模块图。图5为本专利技术的15阵元高压相控阵检测示意图。图6为本专利技术的超声相控阵一发一收式检测原理图。图7为本专利技术的含人工缺陷模拟试块图。图8为本专利技术的15阵元高压相控阵检测波形图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体技术方案作进一步的描述。如图5所示，其中1为专用高压相控阵发射单元，2为15通道超声相控阵探头，3为15°相控阵斜楔块，4为待检测涡轮，5为球环探头，6为脉冲接收仪，7为发成像系统（包含采集卡）。将相控阵探头2配合15°斜楔块3放置在涡轮4上侧，由于斜楔块3角度小于第一临界角，所以超声相控阵探头2在楔块—涡轮结合面会产生出纵波和横波。由于纵波声速大于横波，因此纵波首先经结合面反射被位于下方的球环探头5接收。此A型超声波信号经由脉冲发射接收仪6接收放大，送至成像系统7进行显示，根据系统显示的信号进行缺陷的判别。如图6所示，当声波到达结合面时，由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镶铸双金属涡轮界面粘接不良缺陷的超声检测方法，其方法特征如下：专用相控阵发射—接收模式：超声波发射端和接收端分离，相控阵探头放置在涡轮上端，作为发射探头；球环探头放置在涡轮下端，作为接收探头；此模式下，采用15阵元相控阵探头与15°楔块于涡轮上端，通过对各个阵元施加不同延时序列对指定结合界面进行发射聚焦扫查；超声波经结合层反射后被下端球环探头接收到，利用接收信号特定区域的幅值变化判别扫查区域内缺陷有无及缺陷大小。

【技术特征摘要】
1.一种镶铸双金属涡轮界面粘接不良缺陷的超声检测方法，其方法特征如下：专用相控阵发射—接收模式：超声波发射端和接收端分离，相控阵探头放置在涡轮上端，作为发射探头；球环探头放置在涡轮下端，作为接收探头；此模式下，采用15阵元相控阵探头与15°楔块于涡轮上端，通过对各个阵元施加不同延时序列对指定结合界面进行发射聚焦扫查；超声波经结合层反射后被下端球环探头接收到，利用接收信号特定区域的幅值变化判别扫查区域内缺陷有无及缺陷大小。2.根据权利要求1所述的一种镶铸双金属涡轮界面粘接不良缺陷的超声检测方法，其特征在于：开发专用高压15通道相控阵脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆铭慧，胡文绸，翟忠亚，刘晟达，刘勋丰，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36