一种可检测航发涡轮盘晶粒尺寸分布的超声无损检测方法技术

本发明专利技术涉及一种可检测航发涡轮盘晶粒尺寸分布的超声无损检测方法，包括以下步骤：1)采用超声检测系统和水浸超声聚焦探头对航发涡轮盘镍基高温合金试块扫查采集超声背散射信号，并采用石英玻璃得到超声参考信号；2)分别对超声背散射信号和参考信号进行傅里叶变换得到频域曲线；3)根据频域曲线计算超声背散射系数实验曲线，并根据理论模型计算背散射系数理论曲线；4)将超声背散射系数实验和理论曲线在一定频率范围内拟合得到晶粒平均尺寸；5)将扫查区域分成若干小的方形区域，计算每个小的方形区域内的晶粒平均尺寸，得到晶粒尺寸二维分布图像。本发明专利技术实现了航空发动机涡轮盘晶粒尺寸分布的二维快速成像，检测精度高。检测精度高。检测精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种可检测航发涡轮盘晶粒尺寸分布的超声无损检测方法


[0001]本专利技术属于超声无损检测
，特别涉及一种可检测航空发动机涡轮盘晶粒尺寸分布的超声无损检测方法。

技术介绍

[0002]航空发动机镍基高温合金涡轮盘中心区域的工作温度大约为500华氏度，而在外部边界温度可达到1300华氏度，因此涡轮盘不同位置的破坏机理是不同的。在涡轮盘的中心区域容易发生疲劳破坏，而在涡轮盘的边界容易发生蠕变破坏。因此为了提高涡轮盘寿命，在其中心和外部边界往往设计不同的微观结构。在低温中心区域，晶粒尺寸小于10微米的精细晶粒可以有效阻止位错运动以及减缓裂纹生长；而在高温边界区域，晶粒尺寸大于40微米的粗糙晶粒能够有效抵抗蠕变失效。因此航空部门对于涡轮盘不同位置晶粒尺寸分布提出了严格要求。
[0003]当前针对航空发动机镍基高温合金涡轮盘内部晶粒尺寸的检测主要采用破坏性的金相法，首先从涡轮盘上取出一块样品，然后对其进行打磨、抛光、腐蚀等一系列准备工作，最后在光学显微镜下观察，拍摄观察点处样品表面的晶粒图像，通过特定的图像处理工具得到该点处的晶粒尺寸均值。这种检测方法主要有以下几个缺点，首先需要对涡轮盘进行破坏性取样，然后对样品进行注塑、打磨、抛光、腐蚀等多重工序，样品准备周期较长；其次该方法只能针对样品表面单点进行测量，如果需要检测涡轮盘不同位置或者不同深度处的晶粒尺寸，需要针对被检测位置重新取样，无法实现对整个涡轮盘晶粒尺寸分布进行成像，对于研究涡轮盘内部晶粒尺寸分布具有很大的技术局限性。以上这些缺点导致目前针对涡轮盘晶粒的检测只能采取抽检方式，无法实现对每个涡轮盘晶粒尺寸分布的检测。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有检测技术的上述缺点，提出一种基于超声背散射波技术的超声无损检测方法，并以此方法为基础开发了一套超声晶粒检测软件工具，实现了航空发动机镍基高温合金涡轮盘内部晶粒尺寸二维分布成像。
[0005]本专利技术所采用的技术方案包含以下步骤：
[0006]一种可检测航发涡轮盘晶粒尺寸分布的超声无损检测方法，包括以下步骤：
[0007]S1：采集航空发动机涡轮盘样品试样的N组超声背散射波信号；
[0008]S2：采集石英玻璃底部反射的超声信号作为超声参考信号；
[0009]S3：计算超声背散射信号空间平方和均值时域响应曲线，确立峰值位置，对每个超声背散射信号在峰值位置处的信号部分进行傅里叶变换，得到超声背散射频域曲线；并选定区域计算该区域内的超声背散射频域均值曲线；
[0010]S4：对超声参考信号进行傅里叶变换，得到参考信号的频域曲线；对超声参考信号频域曲线进行增益补偿使其与超声背散射信号增益保持一致，获取补偿后参考信号的频域曲线；
[0011]S5：建立包含超声波传播路径和材料微观特性相关函数的超声背散射系数理论曲线模型；
[0012]S6：将从样品试样采集的N组超声背散射波信号进一步划分成若干个小的方形区域；对每个区域采取步骤a至b，获取该区域内的晶粒平均尺寸；
[0013]a：根据超声背散射波频域均值曲线和增益补偿后超声参考信号频域曲线计算该区域内的超声背散射系数实验曲线；
[0014]b：将超声背散射系数实验曲线与超声背散射系数理论曲线在一定频率范围内拟合计算该区域内的晶粒平均尺寸；
[0015]S7：将每个区域内的晶粒尺寸采用二维图像显示，得到样品试样内部晶粒分布图以及晶粒分布统计数据的点式数据显示和框选数据显示。
[0016]还包括S8：采用金相法对样品试块的晶粒尺寸进行测定，并将测定结果与超声测定结果进行比较，验证超声测定结果的准确性。
[0017]采用超声三维扫描系统搭载点聚焦超声水浸探头聚焦在涡轮盘样品试样内部进行超声扫查，收集超声背散射波信号；超声探头聚焦在石英玻璃底部收集底部反射信号作为超声参考信号；所采用的超声水浸探头频率范围为5
‑
15MHz，声束聚焦方式为点状深度聚焦，聚焦深度范围为5
‑
20mm。聚焦深度d
F
公式如下：
[0018]d
f
＝(F
‑
d
w
)c
w
/c
s
ꢀꢀꢀ
(1)
[0019]式中，F代表超声探头的焦距；d
w
为超声探头表面与样品上表面之间距离；c
w
为超声波在水中的传播速度；c
s
为超声波在样品材料中的传播速度。
[0020]所述石英玻璃厚度为0.5
‑
1.0英寸。
[0021]所述超声背散射信号空间平方和均值时域响应曲线RMS计算公式为：
[0022][0023]式中，V
j
(t)代表当超声探头在j处时在时间点t时的超声背散射信号幅值，N为超声背散射信号数目。根据RMS时域响应曲线峰值位置确立一个以峰值为中心，宽度为1.0μs的时间门，针对每个超声背散射信号在该时间范围内的信号部分进行傅里叶变换，得到超声背散射信号频域曲线，然后选取任意区域计算超声背散射频域曲线均值。
[0024]所述计算超声背散射系数实验曲线采用如下公式：
[0025][0026][0027]式中：η是超声背散射系数；为超声背散射频域曲线与超声参考信号频域曲线比值；R
wq
为超声从水中传输到石英玻璃表面的反射系数；T
ws
为超声从水中传输到样品内部的折射系数；T
wq
为超声从水中传输到石英玻璃内部的折射系数；T
qw
为超声从石英玻璃内部传输到水中的折射系数；下标w，s和q分别代表水，样品材料和石英玻璃；D
ref
为超声波在石英玻璃表面反射的衍射矫正；a为超声探头半径；ρ
w
和ρ
s
分别为水和样品材料密度；v
w
和
v
s
分别为超声波在水和样品材料中的传播速度；α
w
和α
s
为超声波在水中和样品材料中的衰减系数；k
s
＝2πf/v
s
为超声波在样品材料的波数；C(f,x1,y1,z1)表征超声波波束在样品材料中的聚焦特性,(x1,y1,z1)为三维坐标系统；当在时间门范围内(t
a
v
s
/2)≤z1≤(t
b
v
s
/2)，其中t
a
和t
b
分别为时间门的起始时间点，P(z1)＝1，在时间门以外P(z1)＝0。
[0028]超声背散射系数理论曲线的计算公式；
[0029][0030]式中：η(ω)为超声背散射系数，ω为角频率，ρ为材料密度，V为超声在材料中的纵波声速，代表样品材料的微观结构特性，它由两点弹性常量扰动相关性表征，其中<Δ
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可实现航发涡轮盘晶粒尺寸分布成像的超声无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：Si：采集航空发动机涡轮盘样品试样的N组超声背散射波信号；S2：采集石英玻璃底部反射的超声信号作为超声参考信号；S3：计算超声背散射信号空间平方和均值时域响应曲线，确立峰值位置，对每个超声背散射信号在峰值位置处的信号部分进行傅里叶变换，得到超声背散射频域曲线；并选定区域计算该区域内的超声背散射频域均值曲线；S4：对超声参考信号进行傅里叶变换，得到参考信号的频域曲线；对超声参考信号频域曲线进行增益补偿使其与超声背散射信号增益保持一致，获取补偿后参考信号的频域曲线；S5：建立包含超声波传播路径和材料微观特性相关函数的超声背散射系数理论曲线模型；S6：将从样品试样收集的N组超声背散射波信号进一步划分成若干个小的方形区域；对每个区域采取步骤a至b，获取该区域内的晶粒平均尺寸；a：根据超声背散射波频域均值曲线和增益补偿后超声参考信号频域曲线计算该区域内的超声背散射系数实验曲线；b：将超声背散射系数实验曲线与超声背散射系数理论曲线在一定频率范围内拟合计算该区域内的晶粒平均尺寸；S7：将每个区域内的晶粒尺寸采用二维图像显示，得到样品试样内部晶粒分布图以及晶粒分布统计数据的点式数据显示和框选数据显示。2.根据权利要求1所述的一种可检测航发涡轮盘晶粒尺寸分布的超声无损检测方法，其特征在于，还包括S8：采用金相法对样品试块的晶粒尺寸进行测定，并将测定结果与超声测定结果进行比较，验证超声测定结果的准确性。3.根据权利要求1所述的一种可检测航发涡轮盘晶粒尺寸分布的超声无损检测方法，其特征在于，是采用超声三维扫描系统搭载点聚焦超声水浸探头聚焦在涡轮盘样品试样内部进行超声扫查，收集超声背散射波信号；超声探头聚焦在石英玻璃底部收集反射信号作为超声参考信号；所采用的超声水浸探头频率范围为5
‑
15MHz，声束聚焦方式为点状深度聚焦，聚焦深度范围为5
‑
20mm。聚焦深度d
F
公式如下：d
f
＝(F
‑
d
w
)c
w
/c
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，F代表超声探头的焦距；d
w
为超声探头表面与样品上表面之间距离；c
w
为超声波在水中的传播速度；c
s
为超声波在样品材料中的传播速度。4.根据权利要求1所述的一种可检测航发涡轮盘晶粒尺寸分布的超声无损检测方法，其特征在于，所述石英玻璃厚度为0.5
‑
1.0英寸。5.根据权利要求1所述的一种可检测航发涡轮盘晶粒尺寸分布的超声无损检测方法，其特征在于，所述超声背散射信号空间平方和均值时域响应曲线RMS计算公式为：式中，V
j
(t)代表当超声探头在j处时在时间点t时的超声背散射信号幅值，N为超声背散
射信号数目。根据RMS时域响应曲线峰值位置确立一个以峰值为中心，宽度为1.0μs的时间门，针对每个超声背散射信号在该时间范围内的信号部分进行傅里叶变换，得到超声背散射信号频域曲线，然后选取任意区域计算超...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜华龙，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：