双金属涡轮结合层缺陷超声成像检测方法研究及系统研制

发布时间：2020-10-16 23:26

　　 涡轮盘作为航空发动机燃烧室的关键部件,承受着高温、高压、高应力的叠加作用,工作环境异常恶劣。而采用新型双金属扩散连接工艺生产的粉末高温合金涡轮盘因一体性好、疲劳性能稳定、无宏观偏析等优点被航空工业领域广泛使用。在双金属扩散焊结合层处因工艺等问题易出现脱粘缺陷,将严重影响涡轮在役性能,因此对涡轮盘结合层结合质量进行有效检测和评定十分重要。本课题研究的某型涡轮外侧分布不规则叶片,无法进行周向扫查,且中心柱塞孔距离结合层较远,现有超声检测设备无法对结合层进行有效检测。针对这一情况展开对该型涡轮盘扩散焊结合层的缺陷检测研究工作。首先对双金属涡轮盘结构特点进行研究,测量计算其相关声学参数,从超声检测原理上确定以结合层界面波的幅值表征缺陷。分析检测难点,提出超声相控阵检测和反射镜式超声特征成像检测两种检测方案,并制作相关试块。针对超声相控阵检测方案设计超声相控阵专用换能器,包括外形设计、频率选择、阵元数目、阵元间距,楔块制作,按设计参数委托相关企业完成制作。对超声相控阵声场进行分析,通过有限元仿真平面晶片加曲面楔块激励时涡轮盘的声传播路径和能量损失情况,为超声相控阵换能器检测提供指导。使用设计制作的专用超声相控阵换能器匹配实验室现有超声相控阵检测平台进行实际检测,分析讨论检测结果。然后围绕反射镜式超声特征成像检测方案,在充分发挥已有超声特征成像检测技术的基础上,设计了一套自动扫查系统。主要工作包括总体方案设计,系统软硬件搭建,反射镜式换能器设计制作。设计制作完成后使用该自动扫查系统对试块和工件进行实际检测,验证系统各项性能可靠性,分析成像检测结果。最后对比两种检测方案的检测结果,讨论各自检测的优劣,总结检测系统仍待解决完善的问题,为后续研究打下基础。研究结果表明:超声相控阵和反射镜式超声特征成像两种检测方案都可以实现对小孔径厚壁涡轮盘结合层最小当量为2mm的缺陷的有效检测。其中反射镜式超声特征成像检测系统可靠性强,重复性高,可用于涡轮盘的标准化检测,具有显著的工业效益。
【学位单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP274.53;V263
【部分图文】：

研究的主要价值在于解决航空涡轮盘厚壁结合层缺陷检测化及缺陷成像使得检测精度得到提升，成像检测结果更加部件的连接质量提供评判依据。涡轮无损检测现状涡轮概述动机作为一种极其精密和复杂的热力机械,承担着为航空飞要任务，被称之为飞机的心脏,其综合性能的优劣直接影响,是评价一个国家科技工业水平的重要依据。航空涡轮盘是键部件，其作用是将发动机的燃烧室内的高温燃气产生的能，带动发动机叶片高速转动。涡轮盘的工作环境使得其料本身必须耐高温且制作加工工艺特殊，其技术水平决定机燃烧室结构形式及其工作原理如图 1-1、1-2 所示。

图 1-2 工作原理图-2 可知，燃烧室出口处的燃气流向涡轮的叶片，考虑到涡轮很大的转向力和高温气流的不断冲击，从燃烧室的出口处到涡轮盘叶片强度要求，避免局部存在过热点，以此确保高温度、高压力燃气经燃烧室出口处排出，流过涡轮时，能在涡轮中转化为机械转动所需的动能，驱动压气机转动，气体在涡轮中因体积膨胀所做的功与压气机在压缩空气程中零部件克服摩擦所做功的总和相等[4]。经燃烧后，涡轮速增加，致使涡轮中的膨胀比远小于压气机中的压缩比，机进口处，压力和温度要高出许多，而这部分燃气所产生需推力[5]。由此可见，涡轮的质量对燃烧室乃至整个航空发重要的作用。用高温合金发展现状

着现代制造技术与材料科学的发展，给现代无损检测技术提出了更高要求自动化、检测结构多样化、原位检测[21]以及非接触检测[22]都是现代无损展方向[23]。为适应更高的检测需求，超声无损检测技术和器材正面向无工智能化和数据存储、处理简洁化的方向发展。 超声相控阵检测技术声相控阵成像检测技术的传感器采用多阵元阵列形式，依靠计算机调控个阵元激励发射超声波的时间来控制各阵元的声束在声场中偏转和聚焦接收阵列换能器中各个阵元接收回波信号的时间，进行偏转、聚焦成像种高端技术[24]。由于在一定范围内其声束的偏转角度、焦点位置等参数调，从而使得该检测技术更加高效、便捷。声相控阵换能器是由若干个独立的压电晶片（阵元）按照一定方式排列个阵列，通过压电晶片的激励顺序及延时的控制[25]，实现声束偏转和声26]。各个阵元的激发延时一般被称为延时聚焦法则[27]，其偏转和聚焦示意1-3、图 1-4 所示。
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本文编号：2843925