葉片前緣仿形渦流檢測仿真與試驗設計

張國才，謝小榮，劉永釗，馮炎青，游泳

1. 北京理工大學珠海學院 數(shù)理與土木工程學院，珠海 519088 2. 珠海摩天宇航空發(fā)動機維修有限公司， 珠海 519030

葉片是航空發(fā)動機中重要部件之一，發(fā)動機工作時葉片經(jīng)常受到?jīng)_擊、摩擦，同時還要在很高的溫度和很大的氣動負荷、機械負荷下工作，承受高溫燃氣的氧化和熱腐蝕[1]，其工作環(huán)境十分惡劣，容易出現(xiàn)各種表面變形、疲勞裂紋、劃傷、凹坑等缺陷，當損傷嚴重時甚至會導致機毀人亡[2-3]。因此對葉片的在役檢測就顯得尤為重要。

航空發(fā)動機葉片無損檢測方法主要有目視檢測、滲透檢測[4-5]、渦流檢測、超聲相控陣檢測[6-7]以及X射線檢測方法[8]。在這幾種方法中，由于渦流檢測具有無需耦合劑、對表面及近表面缺陷檢測靈敏度高、適合自動化檢測而被廣泛應用于葉片葉身、榫槽等部位的在役檢測。

航空發(fā)動機葉片具有曲率復雜，厚度變化等特點[9]，近幾年國內(nèi)外對葉片的渦流檢測技術(shù)也得到了快速發(fā)展。為使葉片邊沿原位檢測時探頭與葉片耦合更好，徐健[10]設計了“V”型結(jié)構(gòu)探頭。宋凱等[11]針對葉盤、葉背曲率變化特點，構(gòu)建渦流有限元模型，研究了葉片凹面、平面及凸面的法向平面圓形線圈檢測信號特征。張麗攀等[12]在ANSYS中研究了平面圓形線圈不同激勵頻率、激勵信號電壓、線圈平均半徑和線圈匝數(shù)對葉片渦流檢測線圈感應電動勢的影響。于霞等[13]在開展平面葉片葉身微裂紋缺陷仿真分析后研制了一種尺寸小、靈敏度高的差激勵探頭，該探頭由雙激勵線圈和單檢測線圈組成。由于葉片根部檢測部位存在R角，渦流檢測過程中必須克服凹面曲率變化帶來提離效應，龔模輝等[14]分析了葉片根部曲率變化，提出通過對線圈磁芯檢測面進行加工使其與葉片根部曲面相吻合來減少提離效應。為適應大面積葉片表面檢測及檢測時貼合的良好性[15]，奧林巴斯Olympus采用柔性電路板制作渦流陣列傳感器，這種傳感器柔韌性好，適合多曲面檢測。林俊明等[16]將兩個磁極固定于鐵磁性發(fā)動機殼體外表面，通過分析渦流檢測信號幅值的差異及間隔時間出現(xiàn)的不均勻渦流信號，來判斷葉尖表面的缺損及葉片彎曲或斷裂。

國外針對葉片及曲率檢測件也開展了不同的研究，文獻[17] 針對風扇葉片提出了一種新穎的電磁和ECPT的熱模型，建立ECPT實驗裝置并驗證開發(fā)模擬器，所開發(fā)的模擬器比之前的模擬器快五倍并可用于任何類型的勵磁渦流熱成像(ECT)波形。Zhang等[18]針對渦輪葉片葉盤，設計柔性渦流陣列傳感器來檢測曲面缺陷，并通過補償算法減少提離效應的影響。Ma等[19]針對復雜幾何樣品表面渦流檢測設計雙方型繞組激勵及具有收發(fā)結(jié)構(gòu)柔性渦流傳感器，實現(xiàn)對變直徑管材表面渦流檢測。Schlobohm等[20]介紹了采用高頻渦流和脈沖高頻感應熱成像技術(shù)，該技術(shù)采用了逆條紋投影算法實現(xiàn)對葉片基材上裂紋和保護層狀況的評估。然而，不管國內(nèi)還是國外文獻都較少涉及大曲率葉片前緣的仿形渦流檢測仿真及試驗研究。

針對發(fā)動機渦輪葉片前緣，通過三維設計軟件Solidwork構(gòu)建含3種典型缺陷大曲率葉片前緣模型，設計有利于減少提離效應及抑制晃動信號的仿形渦流檢測(Profiling Eddy Current Testing，PECT)線圈模型，在電磁場有限元仿真軟件Maxwell中對檢測模型進行仿真分析。研究了仿形檢測線圈在不同模式下通過缺陷的信號幅值、相位等信號特征及靈敏度，制作前緣缺陷試塊并設計了基于鎖相放大技術(shù)的渦流檢測系統(tǒng)，驗證前緣仿形檢測線圈的檢測能力，結(jié)論可為大曲率葉片前緣檢測提供一定的工程實踐及理論參考。

1 PECT三維電磁場有限元模型

PECT屬于宏觀電磁現(xiàn)象，其電磁規(guī)律受麥克斯韋方程組支配，在A-φ電磁有限元法中，引入矢量磁位A和標量電位φ，可分別得到PECT 導體域Ωt和空氣域Ωr中準靜態(tài)電磁控制方程[21]：

(1)

(2)

式中:μ為磁導率;σ為電導率;t為時間；Js為傳導電流。通過在Maxwell有限元分析軟件中選擇四面體單元對整個區(qū)域離散化，結(jié)合邊界條件，采用里茲或迦遼金方法[22]求解微分方程式(1)及式(2)，可得到矢量磁位A和標量電位φ空間分布。再利用式(3)及式(4)：

(3)

(4)

可求得磁感應強度B及電場強度分布E在求解域中的分布，運用法拉第電磁感應定律式(5)，可求得PECT檢測線圈感應電動勢：

(5)

式中:S為檢測線圈所圈圍面積。

2 PECT模型及參數(shù)

PECT模型包含葉片前緣及檢測線圈兩部分，檢測對象葉片模型如圖1所示?？紤]到有限元計算空間網(wǎng)格劃分及檢測過程中電磁場輻射有效區(qū)域，截取部分葉片前緣作為有限元分析區(qū)。渦輪葉片常見前緣形狀主要有圓弧形前緣、橢圓形前緣，為了加工方便，減少加工成本，實際應用中壓氣機葉片前緣大都采用圓弧形前緣[23]。仿真葉片前緣半圓形邊與葉身相切，檢測時考慮到提離效應影響，仿形耦合線圈與前緣表面距離保持不變，內(nèi)外兩線圈中心重合，線圈沿著前緣表面掃查。仿真前先在Solidwork中建立含3種典型缺陷及仿形線圈模型后再導入Maxwell中，PECT模型如圖2所示。

圖1 低壓渦輪葉片F(xiàn)ig.1 Low-pressure turbine blade

圖2 PECT缺陷模型Fig.2 PECT defect model

3種缺陷模型及葉片前緣基體幾何尺寸如圖3所示。在長度為100.00 mm，厚度為3.58 mm，前緣曲率半徑為1.79 mm的葉片基體上相隔30.00 mm分別設置槽寬0.50 mm、深1.00 mm的橫向長人工刻槽，寬1.00 mm邊沿凹坑及半徑1.00 mm人工凹坑等3種人工模擬缺陷。

基體材料為精鑄成型葉片常用材料鈦合金TC4。在前緣表面等距1.00 mm處放置兩仿形線圈，線圈截面半徑為1.50 mm，仿形線圈正側(cè)面看為方形線圈，外線圈邊長分別為5.58 mm，內(nèi)線圈邊長為2.00 mm，分別繞制200匝雙絞細銅線，線圈表面與前緣表面保持有1.00-0.75=0.25 mm間隙。線圈施加正弦激勵電流，其電流有效值為100 mA，葉片材料屬性如表1所示。

圖3 葉片缺陷參數(shù)Fig.3 Blade defect parameters

表1 仿真計算中葉片材料屬性Table 1 Blade material properties in simulation calculation

電磁場有限元網(wǎng)格剖分決定了求解精度及計算時間，考慮到渦流場中趨膚效應及電磁場有效輻射區(qū)，文中采用自適應+手動剖分兩種方式進行網(wǎng)格剖分(圖4)，先將葉片基體分割為兩部分，靠近線圈一側(cè)采取加密剖分。電磁場仿真時采用Neumann邊界條件，即求解域Region邊界上磁場正切于該邊界，磁力線不能穿越該邊界：

n·B1=0

(6)

式中:B1為邊界內(nèi)磁感應強度;n為邊界面單位法向矢量。

圖4 網(wǎng)格剖分Fig.4 Meshing

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 不同頻率電流激勵下線圈對橫向長裂紋的響應

渦流檢測中，渦流的滲透深度代表著渦流能夠滲入導體內(nèi)的距離，在平面導體中，其渦流密度大小一般隨著離導體表面距離的增加呈指數(shù)衰減，標準滲透深度為

(7)

式中：f為渦流頻率；μ為磁導率；σ為電導率。

由式(7)可知，平面導體滲透深度取決于f、μ及σ。對于大曲率葉片前緣展開仿形渦流檢測，在磁導率及電導率固定情況下，有必要對渦流檢測頻率進行討論。

圖5是以橫向長裂紋為檢測對象，將長裂紋模型中心設為坐標原點，以不同頻率正弦交流電激勵外線圈，內(nèi)線圈作為接收線圈時仿形線圈沿葉片前緣檢查所得的仿真結(jié)果。

圖5(a)和圖5(b)中縱坐標軸感應電壓相對幅值RA及相對相位Ra指相對坐標10位置處(即遠離缺陷處)的電壓幅值及相位。其計算公式分別為

(8)

Ra=angle((Ren-Re(10)),(Imn-Im(10)))

(9)

式中：Ren為n處接收線圈感應電壓實部；Imn為其虛部分量。

由圖5(a)可知，頻率越大，感應電壓相對幅值越大，不同頻率相對幅值都出現(xiàn)在裂紋中心位置，即當仿形線圈中心與裂紋中心重合時達到最大值，此時長裂紋對前緣感應渦流阻礙作用最大。在對長裂紋掃查過程中，只出現(xiàn)較為明顯的單一峰值。其中100～200 kHz的相對幅值有較大的增長，可做如下解釋， 100 kHz的滲透深度δ≈1.18 mm， 200 kHz的δ≈0.83 mm，而前緣裂紋深度為1 mm，因此長裂紋對于200 kHz以上的渦流具有較大阻礙作用。

圖5(b)反映出長裂紋內(nèi)線圈感應電壓相對相位在不同頻率激勵下具有相同的變化趨勢，當外線圈接觸裂紋直至外線圈離開時，不同頻率相對相位變化比較緩慢，先由小變大，在0位置處出現(xiàn)極值后再變小，其整個緩慢變化長度與內(nèi)線圈邊長2.00 mm相近。

圖5(c)是以相對相位角為相角，電壓相對幅值為幅值，反映不同頻率下的極坐標圖。圖中反映出頻率越高時，幅值越大，相角反而較小。每條頻率曲線在極坐標圖中均表現(xiàn)出平滑特性。

PECT外線圈激勵時，其所產(chǎn)生的渦流場分布(圖6)可有效覆蓋葉片前緣，渦流在通電線圈下方密度較大，中間及其外圍分布密度小。圖6中清晰可見長裂紋對渦流分布的干擾阻礙作用。圖6左邊渦流密度云圖為圖2(a)上視圖，中間為圖2(a)前視圖，右邊為圖2(a)側(cè)視圖。圖中：J為電流密度。

圖7是仿形線圈外線圈作為接收線圈，內(nèi)線圈作為激勵線圈，施加相同激勵正弦電流下相對幅值相位圖。比較圖5與圖7，內(nèi)外激勵模式下兩者各種特征差異不大，外接收時相對相位變化與內(nèi)接收時相比時并沒有在±5 mm位置處出現(xiàn)極值。

圖5 長裂紋內(nèi)接收相對幅值相位圖Fig.5 Diagram of relative amplitude and phase of long crack internal coil receiving

圖6 500 kHz激勵渦流密度云Fig.6 Density cloud of eddy current with 500 kHz excitation

綜上分析，可得出結(jié)論如下，對于長裂紋大曲率葉片前緣PECT檢測，激勵頻率越大，感應電壓信號相對電壓幅值越大，相對相位越小。后面分析其他模型時將采用頻率500 kHz正弦激勵。

3.2 PECT邊沿凹坑檢測線圈的響應

發(fā)動機容易被吸入的外來物打傷，進入發(fā)動機中的沙塵會腐蝕作為進氣邊的葉片前緣，另外高溫燃氣中的硫等雜質(zhì)也會對葉片造成腐蝕，凹坑就是葉片前緣中常見的一種缺陷。

圖7 長裂紋外接收相對幅值相位圖Fig.7 Diagram of relative amplitude and phase of long crack external coil receiving

檢測模型邊沿凹坑如圖2(b)所示，圖8是內(nèi)外激勵模式下電壓幅值及相位響應圖。外激勵內(nèi)接收時比內(nèi)激勵外接收時相對幅值要大，兩種模式下相對幅值變化趨勢相同，在0處出現(xiàn)幅值極大值。相對相位在區(qū)域(-3 mm，+3 mm)中基本相同，在其外區(qū)域，內(nèi)外線圈接收時相對相位變化較大，外線圈接收還出現(xiàn)了幾個極大值，這種變化帶來的結(jié)果就是在圖8(c)中極坐標軌跡并不平滑。

綜上分析，在外線圈經(jīng)過邊沿凹坑時，PECT檢測在內(nèi)外兩種激勵模式下相對幅值及相對相位變化趨勢基本一致，但以極坐標顯示檢查結(jié)果時軌跡不平滑。

圖8 邊沿凹坑相對幅值相位圖Fig.8 Diagram of relative amplitude and phase of edge pits

3.3 PECT凹坑檢測線圈的響應

圖9展示了仿形線圈兩種激勵模式下檢測線圈掃查中間凹坑(圖2(c))后相對幅值及相對相位變化曲線圖。在區(qū)域(-3 mm，+3 mm)，即當外線圈掃過缺陷，內(nèi)外激勵兩種模式下相對幅值出現(xiàn)2個峰值，當線圈中心與凹坑中心重合時，反而出現(xiàn)一個極小值。由圖6渦流云圖分布可知，內(nèi)外激勵模型下，在線圈中心渦流云密度分布小，當凹坑正處于此處時對渦流的阻礙較小。凹坑對渦流阻礙最大值出現(xiàn)在±2 mm處，這時內(nèi)線圈處于凹坑正上方。在區(qū)域(-3 mm，+3 mm)，相位相對變化在內(nèi)外兩種激勵模式下趨勢相同，變化較為平緩。

在極坐標圖9(c)中反映出內(nèi)激勵外接收時相角比外激勵內(nèi)接收大，但最大極坐標幅值較小。

圖9 凹坑相對幅值相位圖Fig.9 Diagram of relative amplitude and phase of pits

比較圖9(c)與圖8(c)、圖7(c)及圖5(c)可得，用極坐標表征缺陷時，缺陷凹坑相角最大。

當葉片前緣尺寸固定時，為保證仿形外線圈有效檢測區(qū)域能覆蓋整個待檢前緣區(qū)域，外仿形線圈(圖6)應確保與前緣保持半圓耦合。圖10給出了2.0 mm、2.5 mm及1.5 mm方形內(nèi)接收線圈對凹坑仿真結(jié)果圖，從圖中可看出1.5 mm的相對幅值及相對相位曲線形狀較平緩，有利于缺陷渦流信號的極坐標圖表示。

圖10 凹坑不同內(nèi)線徑相對幅值相位圖Fig.10 Diagram of relative amplitude and phase of pits with different inner wire diameters

3.4 PECT靈敏度差異比較

圖11給出了9種不同檢測模型PECT靈敏度，圖11右側(cè)縱坐標軸中V為無缺陷處檢測線圈感應電壓幅值，坐標軸中ΔVmax為各種模型檢測過程中最大感應電壓相對幅值，ΔVmax/V反映各模型中最大感應電壓幅值相對變化量，ΔVmax/V可作為評估各模型對缺陷的靈敏度。

比較3種缺陷模型在內(nèi)外激勵2種模式下的靈敏度，同種模型下發(fā)現(xiàn)外線圈激勵(內(nèi)線圈接收)時靈敏度較高，其中中間凹坑缺陷模型靈敏度差異比較明顯。在外線圈尺寸保持不變情況下，比較2.5 mm、2.0 mm及1.5 mm內(nèi)線圈仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)1.5 mm內(nèi)線圈接收時靈敏度最高。

圖11 PECT靈敏度差異圖Fig.11 Comparison of PECT sensitivity

4 試驗設計

4.1 PECT傳感器設計

為保證PECT檢測線圈在檢測過程中與葉片前緣耦合一致性，在Solidwork設計了仿形傳感器模型(圖12)，模型中根據(jù)線圈厚度預置內(nèi)凹深度后再嵌入內(nèi)外2個檢測線圈。傳感器模型基體采用光敏樹脂SLA成型工藝3D打印，打印精度±0.1 mm。

圖12 PECT傳感器模型Fig.12 PECT sensor model

傳感器雙檢測線圈線徑采用0.1 mm漆包銅線繞制，線圈具體參數(shù)如表2所示。

表2 檢測線圈參數(shù)Table 2 Detection coil parameters

扁平線圈通過外力嵌入模型內(nèi)外2個凹槽后再緊貼耐磨薄膜，線圈引線經(jīng)皮下通孔引出。

4.2 PECT檢測系統(tǒng)設計

檢測系統(tǒng)包括軟硬件兩部分，硬件主要由檢測對象、傳感器模塊、Mfli鎖相放大器、Myrio數(shù)據(jù)采集卡、工控機及顯示器等組成，如圖13所示。鎖相放大器主要承擔對檢測線圈輸出微弱正弦信號的幅值及相位檢測，同時在系統(tǒng)中作為激勵源，輸出500 kHz、100 mA正弦信號作為激勵信號。Myrio數(shù)據(jù)采集卡采集鎖相放大器輸出的渦流信號幅值、相位等數(shù)據(jù)并上傳至PC機(上位機)中做處理顯示。

上位機程序采用圖形化編程軟件LabVIEW編寫。程序中運用了順序、選擇、循環(huán)等結(jié)構(gòu)。由于傳感器在處于無缺陷處時，內(nèi)檢測線圈輸出一正弦感應信號，在后續(xù)檢測過程中需要平衡去除此信號，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理過程中采用式(8)和式(9) 分別求出平衡后的相對電壓幅值及相對相位。上位機前面板可顯示相對幅值-時間圖、相對相位-時間圖及幅值Y-X分量圖，前面板分別設置有平衡、刷新、X及Y分量增益控件。

圖14為檢測系統(tǒng)主程序流程圖，在鎖相放大器設置激勵源等相關(guān)參數(shù)后再初始化LabVIEW檢測平臺參數(shù)，這些參數(shù)檢測信號Y-X分量增益、顯示點數(shù)等。主程序通過While循環(huán)來不斷掃描各外部輸入數(shù)據(jù)的改變并做出實時的信號顯示。

4.3 PECT檢測結(jié)果

根據(jù)仿真所得內(nèi)外兩種激勵模式下靈敏度差異，檢測系統(tǒng)傳感器工作方式選擇外激勵內(nèi)接收方式。傳感器耦合至圖3、圖13所示前緣檢測試塊上，試塊預置3個人工缺陷，參數(shù)如圖3所示，分別為中間凹坑、橫向長刻槽(模擬長裂紋)及邊沿凹坑缺陷。檢測結(jié)果如圖15所示，圖中顯示為經(jīng)過放大、角度平移(旋轉(zhuǎn))后所得結(jié)果。

圖15相對幅值時間圖左邊第1個波形為中間凹坑輸出信號，左邊第2個波形為橫向長刻槽輸出信號，其次為邊沿凹坑。比較3個信號幅值，在相同增益情況下，長裂紋最大，邊沿凹坑最小，長裂紋及邊沿凹坑幅值圖像為單峰形狀，中間凹坑顯示為雙峰狀，幅值實際檢測結(jié)果與仿真結(jié)果圖形軌跡相似。

圖14 程序流程圖Fig.14 Program flow chart

圖15 前面板及檢測結(jié)果Fig.15 Front panel and inspection/result

圖15中凹坑及邊沿凹坑相對相位時間圖與仿真結(jié)果相似，幅值與角度變化區(qū)域相同且相對相位在線圈掃查凹坑與邊沿凹坑過程中基本保持不變。圖15中凹坑相對相位寬度大于邊沿凹坑寬度是仿形傳感器掃查邊沿凹坑時掃查速度比掃查凹坑時快所致。長裂紋相對相位實際檢查結(jié)果比仿真結(jié)果在線圈掃查過缺陷時平緩。

圖15右側(cè)Y-X分量幅值圖中，3種人工缺陷軌跡取向差異并不大，這與圖7(c)、圖8(c)及圖9(c)軌跡取向相似，其中凹坑的極坐標相角最大。上述結(jié)果表明，由于采用仿形渦流線圈及信號平衡處理，可以很好抑制檢測過程中傳感器抖動所帶來的影響。

5 結(jié) 論

1) 前緣仿形渦流檢測仿真時，在雙線圈模式下，外線圈激勵內(nèi)線圈接收比內(nèi)線圈激勵外線圈接收靈敏度高；仿形線圈外激勵可有效覆蓋前緣檢測區(qū)。

2) 當仿形外線圈尺寸固定，內(nèi)檢測線圈尺寸大于缺陷的尺度時，模型仿真可得內(nèi)線圈內(nèi)徑越小，檢測靈敏度越高，1.5 mm內(nèi)徑線圈比2.5 mm內(nèi)徑線圈靈敏度高0.62%。

3) 采用不同頻率實施前緣仿形渦流檢測，頻率越高，檢測靈敏度越高；檢測線圈與缺陷中心重合時，相對幅值達到極值點；檢測線圈經(jīng)過缺陷時，相對相位變化平緩，以極坐標圖顯示缺陷時，各種缺陷自身軌跡具有平滑特征。

4) 所設計的仿形渦流傳感器，可有效抑制提離及晃動干擾，采用文中軟件自平衡及顯示技術(shù)，可以實時檢測前緣3種典型缺陷，檢測系統(tǒng)可通過相對幅值、相對相位及相對Y-X分量圖顯示試塊缺陷特征。

[21] 程軍. 碳纖維復合材料的電磁渦流無損檢測技術(shù)研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2015: 46-50.

CHENG J. Nondestructive testing of carbon fibre reinforced polymer composites using eddy current method [D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2015: 46-50 (in Chinese).