基于CIVA的覆有涂層葉片渦流檢測(cè)仿真與POD分析

張海兵，王世濤，單柏榮

（1. 海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，青島 266041；2. 中國(guó)人民解放軍31002部隊(duì)，北京 100076）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是航空航天裝備的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響飛機(jī)的性能，而影響其質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的質(zhì)量。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在服役過程中長(zhǎng)期因高壓、高速、高溫、潮濕氣流沖蝕可能發(fā)生腐蝕、疲勞裂紋等損傷[1-2]，嚴(yán)重影響了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命及可靠性，對(duì)于飛行安全也是較大的威脅，對(duì)其進(jìn)行快速且準(zhǔn)確無損檢測(cè)與評(píng)估對(duì)保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠意義重大[3-4]。

渦流檢測(cè)是一種常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片缺陷檢測(cè)的重要方法，利用電磁感應(yīng)原理能夠有效檢測(cè)出導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料中表面和近表面的缺陷，具有檢測(cè)成本低、檢測(cè)速度快、無需耦合和對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋缺陷的自動(dòng)化快速檢測(cè)[5]。在國(guó)內(nèi)外眾多文獻(xiàn)中，渦流檢測(cè)方法也常常作為有效的檢測(cè)方法應(yīng)用在葉片或其他金屬零件的檢測(cè)中。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在制造中通常在其部件表面涂覆防腐涂層、耐磨涂層等以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命[6-7]，對(duì)于覆有涂層的葉片使用渦流檢測(cè)方法是否有效、可靠仍未知，需要進(jìn)行研究。

因此本文模擬某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的典型疲勞裂紋損傷，運(yùn)用CIVA仿真技術(shù)進(jìn)行渦流檢測(cè)仿真試驗(yàn)，并進(jìn)行缺陷檢出率（Probability of detection，POD）分析，以驗(yàn)證渦流檢測(cè)技術(shù)在覆有涂層葉片缺陷檢測(cè)中的可行性與可靠性。

1 覆有涂層葉片檢測(cè)仿真試驗(yàn)

以某型發(fā)動(dòng)機(jī)低壓一級(jí)壓氣機(jī)葉片為例，該葉片表面覆有低溫滲鋁加硅酸鹽復(fù)合涂層。滲鋁層對(duì)葉片基體提供犧牲陽極保護(hù)，硅酸鹽涂層為障礙性隔離保護(hù)涂層，從工藝技術(shù)角度來看，它是由化學(xué)熱處理深層和表面涂層相結(jié)合的復(fù)合防護(hù)層，具有很高的防腐蝕能力。

在葉尖位置設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)為5mm的疲勞裂紋缺陷，缺陷深度分別為0.2mm、0.4mm、0.8mm、1.2mm和2mm?？紤]葉片表面覆有涂層，涂層厚度范圍20～60μm，仿真試驗(yàn)中設(shè)置涂層厚度為60μm，基體材料為鈦合金。探頭設(shè)置為正交旋轉(zhuǎn)激勵(lì)磁場(chǎng)渦流傳感器，通過仿真得到缺陷深度分別為0.2mm、0.4mm、0.8mm、1.2mm、2mm時(shí)缺陷的信號(hào)幅值和相位，同時(shí)通過調(diào)整探頭頻率來對(duì)比不同缺陷時(shí)的幅值和同一缺陷不同探頭檢測(cè)的結(jié)果。仿真結(jié)果如表1所示。

由表1和圖1可以看出，隨著檢測(cè)頻率增大，缺陷的信號(hào)幅值也在增加。由于仿真中未考慮渦流檢測(cè)中趨膚效應(yīng)影響，因此，在缺陷深度增加到一定程度時(shí)，缺陷幅值將不會(huì)繼續(xù)增加。由此可見，在仿真檢測(cè)中涂層的存在并不影響渦流檢測(cè)方法的實(shí)施。由于葉片本身比較薄，一般不超過2mm，即使是穿透性的裂紋，深度最大為2mm，而且在役的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋一般位于葉片的表面。因此在實(shí)際檢測(cè)中，為了提高葉片的表面檢測(cè)靈敏度，一般會(huì)選用相對(duì)較高的檢測(cè)頻率，在實(shí)際的檢測(cè)中選用2MHz。

圖1 信號(hào)幅值隨檢測(cè)頻率變化趨勢(shì)Fig.1 Trend graph of signal amplitude with detection frequency

表1 不同缺陷在不同頻率下的信號(hào)幅值對(duì)比Table 1 Comparison of signal amplitudes of defects at different frequencies

為探明涂層對(duì)渦流檢測(cè)中缺陷幅值與檢測(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的影響，本文對(duì)比研究了檢測(cè)頻率范圍1.3～2MHz內(nèi)不同頻率下不同缺陷的幅值與相位對(duì)比以及相同缺陷不同頻率下缺陷的幅值與相位，典型的對(duì)比圖像如圖2和3所示。經(jīng)對(duì)比研究，在1.3～2MHz范圍內(nèi)，不同大小的缺陷幅值、相位均有不同程度的變化，頻率越高，不同缺陷的相位區(qū)別越大，較大缺陷的信號(hào)幅值較高。這種現(xiàn)象對(duì)于分辨葉片上多個(gè)缺陷以及缺陷的定量帶來了方便，也進(jìn)一步說明了涂層對(duì)于缺陷幅值與檢測(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的影響并不存在。

圖2中紅色實(shí)線是0.2mm缺陷的幅值，藍(lán)色是0.4mm缺陷的幅值，綠色是0.8mm缺陷的幅值，紅色虛線是1.2mm缺陷的幅值，黑色是2.0mm缺陷的幅值。

圖2 不同頻率下不同缺陷的幅值對(duì)比Fig.2 Comparison of amplitude of defects at different frequencies

圖3中紅色實(shí)線是1.3m探頭下的幅值，藍(lán)色實(shí)線是1.4m探頭下的幅值，綠色線是1.5m探頭下的幅值，紅色虛線是1.7m探頭下的幅值，藍(lán)色虛線是1.9m探頭下的幅值，黑色線是2m探頭下的幅值。

圖3 不同深度缺陷時(shí)幅值比較Fig.3 Comparison of amplitude when different defect depths

2 POD分析

POD分析中運(yùn)用了數(shù)值模擬的方法，即用數(shù)值模擬代替試驗(yàn)過程來對(duì)可靠性進(jìn)行分析。在渦流檢測(cè)POD仿真中，按照上文檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將檢測(cè)過程中的不確定因素添加到計(jì)算模型中，利用模擬試塊和反射體產(chǎn)生的信號(hào)來生成POD[8]。在渦流檢測(cè)中，缺陷的深度是直接影響檢測(cè)幅值的參數(shù)，所以將其定位特征參量。而葉片表面的涂層在涂覆過程中是難以精確控制的，會(huì)是在某個(gè)范圍內(nèi)變化的，所以本次仿真中將涂層厚度定為不確定量。分別用頻率為1.3MHz、1.4MHz、1.5MHz、1.7MHz、1.9MHz、2.0MHz的探頭在20～60μm范圍內(nèi)做涂層厚度檢測(cè)，以涂層厚度60μm、缺陷深度分別為0.1mm和0.2mm的幅值信號(hào)為參考基準(zhǔn)，找到能保證缺陷檢出率在90%以上的缺陷的深度。典型POD曲線如圖4所示。

圖4 頻率為2.0MHz時(shí)的POD曲線Fig.4 POD curve at 2.0MHz

經(jīng)POD分析可得，當(dāng)涂層厚度在0.02～0.06mm范圍內(nèi)，以涂層厚度0.025mm，0.1mm缺陷的幅值為參考，在頻率為1.3MHz、1.4MHz、1.5MHz、1.7MHz、1.9MHz、2.0MHz時(shí)，保證缺陷的檢出率在90%以上需要缺陷高度分別為0.165mm、0.173mm、0.181mm、0.195mm、0.211mm、 0.22mm。以涂層厚度0.06mm、0.2mm缺陷的幅值為參考，在頻率為1.3MHz、1.4MHz、1.5MHz、1.7MHz、1.9MHz、2.0MHz時(shí)，保證缺陷的檢出率在90%以上需要缺陷高度分別為0.865mm、0.907mm、0.95mm、1.042mm、1.15mm、 1.212mm?？梢钥闯觯繉雍穸鹊淖兓瘜?duì)渦流檢測(cè)結(jié)果具有一定的影響。一般來講，涂層厚度越大，同一尺寸的缺陷檢出率越低，這是由于渦流提離效應(yīng)導(dǎo)致的。利用ANSYS有限元分析法分析渦流提離效應(yīng)與涂層厚度的關(guān)系，同時(shí)分析不同頻率條件下線圈阻抗值隨著涂層厚度變化而變化的規(guī)律，可以得出隨著提離距離的增加，線圈的阻抗值逐漸向線圈空載時(shí)的阻抗值點(diǎn)逼近，即檢測(cè)線圈的電阻值逐漸減小，檢測(cè)線圈的電抗值逐漸增大。

另外，由于趨膚效應(yīng)的存在，較高的檢測(cè)頻率導(dǎo)致渦流的滲透深度減小，反而不利于帶有涂層的葉片損傷檢測(cè)[9]。

趨膚效應(yīng)的大小以滲透深度來描述，即電流密度減小到表面電流密度的37%時(shí)的深度[10]。

其中，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率（1/Ω·m）；δ為滲透深度（m）；f為頻率（Hz）。

由上式表明滲透深度是與頻率平方根成反比，愈大愈小。

結(jié)合上文的仿真分析，如果使用2.0MHz作為檢測(cè)頻率，必須解決檢測(cè)覆有涂層葉片時(shí)渦流滲透深度的問題。建議在渦流傳感器設(shè)計(jì)制作中，盡量增加激勵(lì)線圈和測(cè)量線圈匝數(shù)，可以增大渦流信號(hào)的強(qiáng)度，并使得滲透深度同步增加。

3 結(jié)論

本文以表面涂覆有涂層的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為研究對(duì)象，運(yùn)用CIVA軟件進(jìn)行渦流檢測(cè)仿真試驗(yàn)，以不同的頻率和多種缺陷尺寸進(jìn)行仿真，分別研究了缺陷深度、探頭頻率等方面的變化對(duì)缺陷信號(hào)的影響，驗(yàn)證涂層對(duì)渦流檢測(cè)可行性的影響。運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，以缺陷深度為特征參量，涂層厚度為不確定量，進(jìn)行POD分析，并研究渦流提離效應(yīng)和趨膚效應(yīng)對(duì)檢測(cè)可靠性的影響及對(duì)策，進(jìn)一步驗(yàn)證了渦流檢測(cè)技術(shù)在覆有涂層葉片缺陷檢測(cè)中的可行性與可靠性。