精鑄渦輪葉片X射線CR成像
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敖 波1 周筆文2 王 嬋2 鄔冠華1
(1．南昌航空大學(xué)無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2．中航動(dòng)力股份有限公司)
摘要 以精密鑄造某型高壓I級(jí)渦輪葉片為研究對(duì)象，分別采用IPU和IPS兩種成像板對(duì)其葉身進(jìn)行射線CR成像研 究。得到了渦輪葉片葉身的最佳透照工藝參數(shù)，獲得了高分辨率的CR參考圖像，并通過像質(zhì)計(jì)靈敏度和圖像灰度評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量。CR成像對(duì)比結(jié)果表明，可以采用IPU成像板替代膠片進(jìn)行渦輪葉片葉身數(shù)字射線成像檢測(cè)。針對(duì)膠片照相一次透照多個(gè)葉片的情形，分別進(jìn)行了一次透照3個(gè)葉片和4個(gè)葉片的CR成像。結(jié)果表明，只要曝光場(chǎng)強(qiáng)度均勻，可一次透照完成多個(gè)葉片的葉身射線CR成像。
關(guān)鍵詞 渦輪葉片；CR；靈敏度；灰度；數(shù)字射線成像
中圖分類號(hào) TG115.28；TG249.5 DOI：10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 019
渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，其特點(diǎn)是空心結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜、加工難度大，是故障多發(fā)的零件，嚴(yán)格控制渦輪葉片的制造質(zhì)量是發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)葉片制造中的關(guān)鍵問題。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)要求精密鑄造渦輪葉片內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)必須逐件經(jīng)過100%的射線檢測(cè)。由于精鑄渦輪葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一個(gè)渦輪葉片往往需要從多個(gè)方向進(jìn)行X射線照相檢測(cè)，常規(guī)膠片照相仍然是我國渦輪葉片內(nèi)部質(zhì)量的主要無損檢測(cè)方法。發(fā)展先進(jìn)的數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)用于渦輪葉片內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)是未來快速、低成本檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。
SCHRODER G等采用微焦點(diǎn)X射線源對(duì)渦輪葉片進(jìn)行高分辨率成像，但微焦點(diǎn)X射線源受功率限制，難以滿足葉片榫頭等較厚部位的檢測(cè)需要。西安羅·羅公司將射線CR技術(shù)用于鑄造葉片檢測(cè)，并搭建了CR圖像數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。國內(nèi)鑄造企業(yè)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)沒有采用數(shù)字射線成像的原因在于缺少相應(yīng)的數(shù)字射線成像檢測(cè)工藝和標(biāo)準(zhǔn)。黃東琴采用德爾NDT公司CR 35 NDT系統(tǒng)開展了精密鑄造葉片的CR檢測(cè)工藝研究，得出射線CR檢測(cè)質(zhì)量可達(dá)到C7膠片的水平，采用IPU成像板驗(yàn)證了徑向渦流器CR檢測(cè)是可行的。對(duì)空心渦輪葉片的檢測(cè)，技術(shù)關(guān)注點(diǎn)在于如何優(yōu)化檢測(cè)工藝參數(shù)，得到滿足檢測(cè)工藝靈敏度要求的結(jié)果。
本課題采用IPU和IPS兩種不同成像分辨率的成像板，對(duì)某型高壓I級(jí)渦輪葉片葉身的數(shù)字射線成像進(jìn)行研究，為建立渦輪葉片的CR檢測(cè)工藝研究提供參考。
1 成像板的結(jié)構(gòu)與檢測(cè)原理
CRx25P配套的成像板分IPU和IPS兩種型號(hào)。IPU是超高分辨率成像板，成像板表面為藍(lán)色。IPS是高分辨率成像板，成像板表面為白色。圖1為兩種成像板去除表面層后采用掃描電鏡對(duì)熒光物質(zhì)顆粒微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的結(jié)果。可以看出IPU成像板與IPS成像板的平均顆粒尺寸分別為1～2 μm、3～5μm。最終圖像分辨率由成像板的分辨率和CR掃描儀的分辨率共同決定。
射線CR檢測(cè)原理如下：①曝光時(shí)，射線束穿過工件后以不同的強(qiáng)度照射在IP板上，IP板中熒光物質(zhì)中Eu2+受到激發(fā)失去一個(gè)電子變?yōu)镋u3+，失去的電子進(jìn)入導(dǎo)帶并被晶格中鹵素離子的空穴俘獲，形成潛在影像（光激發(fā)熒光中心）；②曝光后，將l P板置人CR掃描儀內(nèi)，用紅色激光束對(duì)曝光后的IP板進(jìn)行掃描，在紅色激光激發(fā)下（紅色激光能量釋放被俘獲的電子），電子回到導(dǎo)帶并返回它們的初始能級(jí)，同時(shí)輻射出藍(lán)色熒光，回到初始能級(jí)的電子與Eu3+結(jié)合成激發(fā)態(tài)的Eu2+。輻射的藍(lán)色熒光被CR掃描儀內(nèi)部的光電倍增管接收，同時(shí)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后得到數(shù)字圖像。
2試驗(yàn)材料及方法
檢測(cè)對(duì)象選用精鑄某型高壓I級(jí)空心渦輪葉片（材料為鎳基高溫合金）。葉身是渦輪葉片的主要部分，包括前緣、后緣、葉盆和葉背4個(gè)部分，葉身的結(jié)構(gòu)組成見圖2。葉身的特點(diǎn)是形狀復(fù)雜、葉身扭曲，型面厚度變化大，靠前緣部分厚，靠后緣部分薄，該部位屬于典型的變截面工件。
照相時(shí)X射線機(jī)為MG301(焦點(diǎn)尺寸為4 mm)，工業(yè)膠片為AGFA D4/D7。葉身的復(fù)雜形狀符合變截面工件X射線檢測(cè)特點(diǎn)，為了減少邊蝕散射，曝光參數(shù)的選取應(yīng)遵循高管電壓、大管電流、短曝光時(shí)間的原則。按照X射線技術(shù)卡規(guī)定，需要采用單膠片多次透照或雙膠片一次透照技術(shù)對(duì)葉身進(jìn)行透照檢測(cè)。由于葉片的葉身部位截面厚度變化大，采用單膠片透照時(shí)，需要透照兩次，一次采用較低的管電壓透照靠后緣的較薄截面，另一次采用較高的管電壓透照靠前緣的較厚截面。為了提高檢測(cè)效率，采用雙膠片技術(shù)一次透照完成葉身的X射線檢測(cè)，在細(xì)顆粒膠片上觀察靠后緣的較薄截面，在快速膠片上觀察靠前緣的較厚截面。
為了驗(yàn)證射線CR技術(shù)是否能達(dá)到膠片照相工藝的技術(shù)指標(biāo)要求，射線機(jī)采用GE公司的ISOVOLT320hp（焦點(diǎn)尺寸為0．4 mm），CR系統(tǒng)采用GE公司的CRx25P，激光束焦點(diǎn)尺寸為12.5llm，配套IPU成像板(更細(xì)顆粒，尺寸為75 mm×180 mm)和IPS成像板細(xì)顆粒，尺寸為75 mm×180 mm)，主要通過圖像灰度和像質(zhì)計(jì)靈敏度評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量，像質(zhì)計(jì)靈敏度通過Ni絲型像質(zhì)計(jì)(HB 7684-2000)評(píng)價(jià)。為了客觀評(píng)價(jià)像質(zhì)計(jì)靈敏度，對(duì)葉身進(jìn)行射線檢測(cè)時(shí)，從透照靈敏度的角度考慮，無論透照葉片前緣還是后緣，葉盆一般向下放置，絲型像質(zhì)計(jì)應(yīng)識(shí)別絲號(hào)放置在葉身靠榫頭側(cè)，且橫跨葉身，細(xì)絲朝外，評(píng)片時(shí)采用4倍放大觀察影像。配合Apple A1316（27英寸彩色液晶顯示器，支持2 560×1 440分辨率）和圖像評(píng)片軟件可進(jìn)行缺陷評(píng)定。
3 試驗(yàn)結(jié)果與討論
3.1 單個(gè)葉片葉身X射線CR成像
根據(jù)X射線技術(shù)卡規(guī)定，一般采用雙膠片技術(shù)對(duì)葉身進(jìn)行一次透照，膠片照相檢測(cè)工藝見表1。由于葉身屬于變截面工件，一般需要適當(dāng)提高管電壓來增大厚度寬容度。而采用射線CR成像檢測(cè)時(shí)，葉片的CR檢測(cè)工藝可以參考其膠片照相工藝。由于成像板的厚度寬容度不足以覆蓋葉身的厚度差，需要對(duì)葉身透照兩次，一次透照靠前緣的較厚截面，另一次透照靠后緣的較薄截面，兩次透照過程同時(shí)完成葉盆和葉背的檢測(cè)，本節(jié)中CR試驗(yàn)用的葉片表面經(jīng)過拋光處理。
圖3為采用IPU成像板對(duì)高壓I級(jí)渦輪葉片進(jìn)行CR成像結(jié)果。圖3a為葉身靠前緣的較厚部位成像結(jié)果（圖像矩陣為3 520×2 504），可以識(shí)別16號(hào)絲，A點(diǎn)圖像灰度為13 698，B點(diǎn)圖像灰度為15 254。圖3b為葉身靠后緣的較薄部位成像結(jié)果(圖像矩陣為3 696×3 040)，從圖3b中可以識(shí)別16號(hào)絲，C點(diǎn)圖像灰度為14 483，D點(diǎn)圖像灰度為18 347。由于該葉片的膠片照相檢測(cè)工藝要求像質(zhì)計(jì)靈敏度不低于15號(hào)絲，而前、后緣的像質(zhì)計(jì)靈敏度均達(dá)到了16號(hào)絲，滿足檢測(cè)工藝中靈敏度的要求。由于IPU成像板在25 pm掃描模式下最大輸出圖像灰度為24 570，而前緣選取的兩點(diǎn)中最小圖像灰度達(dá)到了最大輸出圖像灰度的55. 7%，后緣選取的兩點(diǎn)中最小圖像灰度達(dá)到了最大輸出圖像灰度的58. 9%，而D點(diǎn)達(dá)到了最大輸出圖像灰度的74. 7%，滿足數(shù)字射線成像評(píng)片時(shí)圖像灰度的要求。
由于成像板曝光后需要進(jìn)行CR掃描儀讀取，IPU成像板的讀取時(shí)間為橫向讀取4 min，豎向讀取1 min46 s，即成像板的讀取方向影響讀取時(shí)間，而試驗(yàn)證明成像板讀取方向?qū)臻g分辨率幾乎沒有影響。因此，可以選擇豎向掃描節(jié)省讀取時(shí)間。
圖4為采用IPS成像板對(duì)高壓I級(jí)渦輪葉片進(jìn)行CR成像結(jié)果。圖4a為葉身靠前緣的較厚部位成像結(jié)果（圖像矩陣為1 560×1 478），可以識(shí)別15號(hào)絲，但無法識(shí)別16號(hào)絲，A1點(diǎn)圖像灰度為32 359，B1點(diǎn)圖像灰度為24 516。圖4b為葉身靠后緣的較薄部位成像結(jié)果（圖像矩陣為1 622×1 494），可以識(shí)別16號(hào)絲，C1點(diǎn)圖像灰度為35 610，D1點(diǎn)圖像灰度為28 167。由于該葉片的膠片照相檢測(cè)工藝要求像質(zhì)計(jì)靈敏度不低于15號(hào)絲，而前、后緣的像質(zhì)計(jì)靈敏度分別達(dá)到15號(hào)絲和16號(hào)絲，基本滿足檢測(cè)工藝中靈敏度的要求。由于IPS成像板在50 μm掃描模式下最大輸出圖像灰度為49140，而前緣選取的兩點(diǎn)中最小圖像灰度達(dá)到了最大輸出圖像灰度的49. 9%，A1點(diǎn)達(dá)到了最大輸出圖像灰度的65. 8%，后緣選取的兩點(diǎn)中最小圖像灰度達(dá)到了最大輸出圖像灰度的57. 3%，而C1點(diǎn)達(dá)到了最大輸出圖像灰度的72. 5%，滿足數(shù)字射線成像評(píng)片時(shí)圖像灰度的要求。葉盆與葉背部位的缺陷檢測(cè)可以綜合兩次成像結(jié)果完成。
3.2一次透照多個(gè)葉片葉身X射線CR成像
膠片照相的優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)靈敏度高，在葉片檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)通常采用一次曝光多個(gè)葉片同時(shí)透照檢測(cè)，曝光效率高，這在基于平板探測(cè)器技術(shù)的射線DR檢測(cè)中難以實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證IP板的一次透照多個(gè)葉片成像能力，將3個(gè)同類葉片沿球管管軸方向并排葉盆向下放置，間距約為20 mm，其中葉片3的表面經(jīng)過拋光處理，其他葉片的表面未做拋光處理，成像板類型為IPU，采用表1中序號(hào)2的條件對(duì)葉片前緣進(jìn)行曝光，采用表1中序號(hào)
4的條件對(duì)葉片后緣進(jìn)行曝光。
圖5為采用IPU成像板對(duì)3個(gè)高壓I級(jí)渦輪葉片同時(shí)曝光后獲得的CR成像結(jié)果。圖5a為渦輪葉片葉身靠前緣的較厚部位成像結(jié)果，圖像矩陣為6 992 X 3 120。從圖5a可以看出，葉片1的像質(zhì)計(jì)影像可以識(shí)別16號(hào)絲，A2點(diǎn)圖像灰度為11 966，B2點(diǎn)圖像灰度為13 406，葉片3的像質(zhì)計(jì)影像可以識(shí)別16號(hào)絲，C2點(diǎn)圖像灰度為13126，D2點(diǎn)圖像灰度為16 484。圖5b為渦輪葉片葉身靠后緣的較薄部位成像結(jié)果，圖像矩陣為7 075×3 023。從圖5b可以看出，葉片1的像質(zhì)計(jì)影像可以識(shí)別16號(hào)絲，A3點(diǎn)圖像灰度為12 461，B3點(diǎn)圖像灰度為14 269，葉片3的像質(zhì)計(jì)影像可以識(shí)別16號(hào)絲，C3點(diǎn)圖像灰度為12 032，D3點(diǎn)圖像灰度為14 876。
由于葉片3表面經(jīng)過拋光處理，葉片3的圖像灰度一般高于其他葉片對(duì)應(yīng)位置的圖像灰度。從圖5b中可以清楚地識(shí)別葉片1中的冷隔，葉片2中的氣孔，同時(shí)由于葉片1、2未經(jīng)過表面拋光處理，靠后緣存在4個(gè)凸起， 圖像中表現(xiàn)為亮斑。
由于該葉片的膠片照相檢測(cè)工藝要求像質(zhì)計(jì)靈敏度不低于15號(hào)絲，根據(jù)成像結(jié)果分析，3個(gè)葉片的前、后緣的像質(zhì)計(jì)靈敏度都達(dá)到了16號(hào)絲，滿足檢測(cè)工藝中靈敏度的要求。由于IPU成像板最大輸出圖像灰度為24 570，前緣所有選取點(diǎn)中最小圖像灰度達(dá)到最大輸出圖像灰度的48.7%，灰度值最大點(diǎn)的圖像灰度達(dá)到最大輸出圖像灰度的67.1%，后緣所有選取點(diǎn)中最小圖像灰度達(dá)到最大輸出圖像灰度的49.0%，灰度值最大點(diǎn)的圖像灰度達(dá)到最大輸出圖像灰度的60.5%，滿足數(shù)字射線成像評(píng)片時(shí)圖像灰度的要求。葉盆與葉背部位的缺陷檢測(cè)可以綜合兩次成像結(jié)果完成。因此，綜合像質(zhì)計(jì)靈敏度和圖像灰度分析，可以采用IPU成像板對(duì)3個(gè)葉片葉身進(jìn)行數(shù)字射線成像檢測(cè)。
為了驗(yàn)證l P板的一次透照多個(gè)葉片（多排多列）的成像能力，根據(jù)成像板的寬度，取4個(gè)渦輪葉片，所有葉片按2行2列葉盆向下放置，其中葉片4的表面經(jīng)過拋光處理，其他葉片的表面未做拋光處理。成像板類型為IPU，曝光工藝參數(shù)見表2。與表1中參數(shù)相比，由于單個(gè)葉片試驗(yàn)時(shí)葉片表面經(jīng)過拋光處理，與表面未拋光處理葉片相比，厚度更小。因此，表2中曝光時(shí)間分別延長10 s以保證圖像灰度達(dá)到最佳。
圖6為采用IPU成像板對(duì)4個(gè)高壓1級(jí)渦輪葉片同時(shí)曝光后獲得的CR成像結(jié)果。圖6a為渦輪葉片葉身靠前緣的較厚部位成像結(jié)果，圖像矩陣為6 600×6 180。從圖6a可以看出，葉片2和3的像質(zhì)計(jì)影像都可以識(shí)別16號(hào)絲，A1點(diǎn)圖像灰度為13 066，A2點(diǎn)圖像灰度為12 110，B1點(diǎn)圖像灰度為14 247，B2點(diǎn)圖像灰度為13 487，C1點(diǎn)圖像灰度為13 280，C2點(diǎn)圖像灰度為13 182，D1點(diǎn)圖像灰度為18 619，D2點(diǎn)圖像灰度為13 507，圖6a所有選取點(diǎn)中灰度最小值為最大輸出圖像灰度(24 570)的49. 3%，灰度最大值為最大輸出圖像灰度(24 570)的75. 8%，滿足數(shù)字射線成像評(píng)片時(shí)的圖像灰度要求。圖6b為渦輪葉片葉身靠后緣的較薄部位成像結(jié)果，圖像矩陣為7 080×6 184�？梢钥闯觯~片2和3的像質(zhì)計(jì)影像都可以識(shí)別16號(hào)絲，A1點(diǎn)圖像灰度為14 815，A2點(diǎn)圖像灰度為12 388，B1點(diǎn)圖像灰度為14 680，B2點(diǎn)圖像灰度為12 175，C1點(diǎn)圖像灰度為13 741，C2點(diǎn)圖像灰度為11 501，D1點(diǎn)圖像灰度為16 297，D2點(diǎn)圖像灰度為13 141，圖6b中所有選取點(diǎn)中灰度最小值為最大輸出圖像灰度(24 570)的46. 8%，灰度最大值為最大輸出圖像灰度(24 570)的66. 3%，滿足數(shù)字射線成像評(píng)片時(shí)的圖像灰度要求。由于葉片4表面經(jīng)過拋光處理，葉片4的圖像灰度一般高于其他葉片對(duì)應(yīng)位置的圖像灰度。從圖6b可以清楚地識(shí)別葉片1中的冷隔、葉片2中的空洞、葉片3中的氣孔，同時(shí)由于葉片1、2、3未經(jīng)過表面拋光處理，靠后緣存在6個(gè)凸起，圖像中表現(xiàn)為亮斑。因此，綜合像質(zhì)計(jì)靈敏度和圖像灰度分析，可以采用IPU成像板對(duì)4個(gè)葉片葉身進(jìn)行數(shù)字射線成像檢測(cè)。
4 結(jié) 論
(1)X射線機(jī)為ISOVOLT 320hp(焦點(diǎn)尺寸為0.4 mm)，焦距為1000 mm時(shí)，渦輪葉片表面拋光處理葉身前緣的最佳曝光參數(shù)：管電壓為140 kV；管電流為3 m A；曝光時(shí)間為105 s。后緣的曝光參數(shù)：管電壓為135 kV；管電流為3 m A；曝光時(shí)間為75 s。渦輪葉片表面未拋光處理葉身前緣的最佳曝光參數(shù)：管電壓為140 kV;管電流為3 m A;曝光時(shí)間為115 s。后緣的曝光參數(shù)：管電壓為135 kV；管電流為3 m A；曝光時(shí)間為85 s。
(2) -次透照多個(gè)葉片葉身的射線CR成像結(jié)果表明，只要保證曝光場(chǎng)強(qiáng)度均勻，可推廣到一次曝光完成更多葉片的葉身射線CR成像。渦輪葉片射線CR成像結(jié)果表明：可以采用IPU成像板替代膠片對(duì)高壓I級(jí)渦輪葉片葉身進(jìn)行數(shù)字射線成像檢測(cè)。
