【摘要】：航空涡轮盘是航空发动机的核心部件,制造中由于工艺参数波动可能导致偏析、夹杂物、孔洞、裂纹等各类缺陷;服役过程受力复杂、条件严苛,往往产生疲劳裂纹缺陷,而航空涡轮盘即使存在微小缺陷也可能造成严重后果,因此对其进行出厂和在役的无损检测显得十分必要。相控阵超声检测技术是一种可通过电子方法实现声束变角、深度变焦的无损检测技术,避免了常规单晶探头因移动范围、声束角度有限而引起缺陷漏检。此外,相控阵超声检测技术的声场能控制能力强、检测能量高,可有效提高检测精度和检测效率。根据相控阵超声检测技术的特点,相控阵超声检测技术有望对复杂结构的高温合金航空涡轮盘中的各类缺陷进行准确、高效的无损检测。相控阵超声检测技术在对航空涡轮盘进行检测时,由于其体积大、结构复杂且组织结构粗大,当微小缺陷位于航空涡轮盘近表面、底面、复杂结构区域时,由于缺陷信号容易混淆、信噪比低,缺陷检测容易出现漏检或误检。因此,分析相控阵超声声场分布特点及其影响因素以优化检测参数、分析检测信号并提出相应的信号处理算法对检测信号及图像进行降噪处理是航空涡轮盘相控阵超声检测技术的主要研究内容。首先,理论分析阵元数、阵元间距、频率等参数对航空涡轮盘相控阵超声声场的影响,结果表明:相控阵超声聚焦声场能量随阵元数的增加、频率的提高而增强;相控阵超声栅瓣幅度随阵元间距的增大而增大。第二,试验分析盘件中超声相控阵声场特性,测量航空涡轮盘中相控阵超声焦区宽度及信号幅值随阵元数及聚焦深度的变化规律,结果表明:相控阵超声焦区宽度随阵元数的增加而减小,随聚焦深度的增加而增大;采用相控阵超声斜探头对半径为50mm圆弧上分布的间隔横孔进行检测成像试验,并分析阵元数、探头布置位置对检测分辨率的影响,结果表明:增加阵元数、适当调整探头位置使与横孔图像相交的扫查线角度间隔增大有利于提高检测分辨率。第三,采用超声相控阵斜探头对航空涡轮盘中槽型缺陷进行检测成像试验,深入分析航空涡轮盘中面型缺陷的超声相控阵成像方法及其图像特征,并根据窄槽衍射回波形成的相互分离条纹测量出窄槽缺陷的取向和尺寸,同时分析了阵元数、探头布置位置对窄槽检测精度的影响,结果表明:相控阵超声测长值总体要稍大于窄槽实际长度;检测近表面窄槽缺陷应选择少阵元数,远距离检测则应采用多阵元检测。第四,采用相控阵超声斜探头开展了关于航空涡轮盘复杂区域微小缺陷的试验研究,优化相控阵超声检测参数,深入分析航空涡轮盘相控阵超声检测特征信号,结果表明:采用5MHz频率相控阵超声斜探头、激发32阵元、激励信号脉冲宽度设置为100ns、聚焦深度为102mm(孔深)可有效检测该缺陷。最后,为提高航空涡轮盘微小缺陷相控阵超声检测信号的信噪比以及扇扫图像质量,深入分析结构检测信号特征,并采用小波包分解技术观察缺陷检测信号的时频特征,对比了小波阈值及小波基对检测信号降噪效果的影响并对小波包阈值进行优化以获得最优小波包降噪参数。为进一步提高图像质量,采用奇异值分解技术对经小波包处理后的航空涡轮盘超声相控阵检测信号做进一步处理,对比了Hankel矩阵维数如何选取以及奇异值如何处理时的降噪效果,从而得到最优奇异值降噪参数,结果表明:航空涡轮盘中微小缺陷信号紧邻航空涡轮盘结构信号;缺陷特征信号并非集中在某一频带范围内,因此,针对特定频带范围进行滤波将在滤除噪声的同时可能造成缺陷特征信号的损失;根据小波包分析结果选择部分分解信号并结合改进的去噪阈值,可有效的提取检测图像的缺陷特征图像、结构特征图像,甚至也可将材料组织结构引起的噪声条纹提取出来;采用优化参数后的奇异值分解技术对相控阵超声检测数据做进一步处理并成像,缺陷信噪比以及分辨率得到进一步提高。综上,采用相控阵超声检测技术对高温合金航空涡轮盘进行安全、有效的无损检测可保障涡轮盘质量及安全性,在节约制造成本、提高涡轮盘性能、避免安全事故等方面具有重要意义。
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【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V263.6;TB559
【参考文献】
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