CN109238186A - 单晶高温合金空心叶片壁厚超声检测方法 - Google Patents

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王远斌
宋扬
张凡
张政
姜涛
高志峰
于锦春
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Abstract

本发明涉及单晶高温合金叶片检测方法领域，尤其是一种简捷、适用性广且准确性高的单晶高温合金空心叶片壁厚超声检测方法，包括如下步骤：a、获得待检测工作叶片的单晶高温合金弹性常数(C11、C12、C44)和密度；b、计算出超声波在各壁厚测量点的理论声速；c、使用超声测厚仪以某一固定声速测量各测量点壁厚，从而得到对应测量点的回波时间；d、根据理论声速和回波时间，得到对应测量点壁厚值。本发明方法可快速完成叶片壁厚检测，检测时间约为传统CT检测时间的1/8，且经过充分的单晶空心叶片壁厚验证，本发明的方法检测精度误差小于0.10mm，尤其适用于单晶高温合金空心叶片壁厚快速检测。

Description

单晶高温合金空心叶片壁厚超声检测方法
技术领域
本发明涉及单晶高温合金叶片检测方法领域，尤其是一种单晶高温合金空心叶片壁厚超声检测方法。
背景技术
随着民用航空技术的发展及各国对高性能军用飞机的不懈追求，航空发动机性能指标不断提升，涡轮前入口温度不断提高。为了提高涡轮叶片的承温能力、延长使用寿命,先进航空发动机涡轮叶片大都采用薄壁空心结构,并将内腔作为气冷通道以实现叶片的复合气冷。因此，壁厚是空心涡轮叶片极其重要的几何尺寸指标，壁厚检测的准确性直接影响到发动机的安全和寿命。
目前涡轮叶片壁厚的测量方法主要有超声测厚法、工业CT成像测量法、涡流扫描测量法等。但工业CT检测费用大,检测时间长；涡流扫描测量法检测精度较低，故在工业生产中，涡轮叶片大都采用超声测厚法检测壁厚。
单晶高温合金由于存在各向异性，造成超声波速的各向异性,表现为超声入射声束与晶体晶轴的夹角发生改变时超速声速随之改变。由于涡轮叶片叶身为曲面且叶片之间晶体取向各不相同，使得超声入射声束与各叶片测量点晶轴的夹角各不相同，若按常规等轴叶片超声测厚方法测量单晶叶片壁厚，测量误差可达20％以上。
专利CN102927935A利用单晶高温合金沿生长方向声速近似一致的原理，测出壁厚待测点沿其生长方向上叶尖部位的声速，从而获得各待测点的声速，再检测各待测点壁厚。该方法可避免单晶各项异性带来的测量误差，但由于需采用不同声速测量不同测量点，且不同叶片均需要重复获得测量点声速，检测工作量较大。并且，由于大多数单晶叶片叶尖位置余量较少，受结构影响难以准确获得叶尖部位的声速，同时该方法也不适用于带叶冠叶片。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种简捷、适用性广且准确性高的单晶高温合金空心叶片壁厚超声检测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：单晶高温合金空心叶片壁厚超声检测方法，包括如下步骤：
a、获得待检测工作叶片的单晶高温合金弹性常数(C11、C12、C44)和密度；
b、根据上述获得的单晶高温合金弹性常数和密度，结合各测量点超声入射束方向及单晶叶片晶体取向得到超声入射声束与单晶晶轴夹角，计算出超声波在各壁厚测量点的理论声速；
c、使用超声测厚仪以某一固定声速测量各测量点壁厚，从而得到对应测量点的回波时间；
d、根据理论声速和回波时间，得到对应测量点壁厚值。
进一步的是：步骤b中，计算得到理论声速的方法为将合金密度、弹性常数和夹角数据代入立方晶系Christoffel方程如下：
λ11＝l2C11+(m2+n2)C44
λ22＝m2C11+(l2+n2)C44
λ33＝n2C11+(l2+m2)C44
λ12＝ml(C12+C44)
λ13＝nl(C12+C44)
λ23＝mn(C12+C44)
其中，l，m，n分别为超声波方向与单晶体[100]、[010]、[001]方向的夹角余弦值；Pi为质点的位移偏移；C11、C12、C44为单晶高温合金弹性常数，ρ为单晶高温合金密度，c为理论声速。
本发明的有益效果是：本发明大幅度了优化了单晶高温合金空心叶片壁厚的超声检测方法，首先通过理论计算得到不同叶片各测量点的理论声速，从而结合超声波在测量点的实际回波时间可得到各测量点的壁厚值。本发明方法可快速完成叶片壁厚检测，检测时间约为传统CT检测时间的1/8，且经过充分的单晶空心叶片壁厚验证，本发明的方法检测精度误差小于0.10mm。本发明尤其适用于单晶高温合金空心叶片壁厚快速检测。
附图说明
图1是单晶高温合金空心叶片测量截面示意图。
图2是单晶高温合金空心叶片测量截面上各测量点示意图。
图中标记为：壁厚测量截面Ⅰ、壁厚测量截面Ⅱ、壁厚测量截面Ⅲ、壁厚测量截面Ⅳ、壁厚测量截面Ⅴ、壁厚测量点S1、壁厚测量点S2、壁厚测量点S3、壁厚测量点S4、壁厚测量点S5、壁厚测量点S6。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2所示的单晶高温合金空心叶片壁厚超声检测方法，包括如下步骤：a、获得待检测工作叶片的单晶高温合金弹性常数(C11、C12、C44)和密度；b、根据上述获得的单晶高温合金弹性常数和密度，结合各测量点超声入射束方向及单晶叶片晶体取向得到超声波入射声束与晶轴的夹角，并计算得到超声波在各壁厚测量点的理论声速；c、使用超声测厚仪以某一固定声速测量测量点壁厚，从而得到对应测量点的回波时间；d、根据理论声速和回波时间，得到对应测量点壁厚值。
在实际应用时，步骤b中，计算得到理论声速的方法为将合金密度、弹性常数和夹角数据代入立方晶系Christoffel方程如下：
λ11＝l2C11+(m2+n2)C44
λ22＝m2C11+(l2+n2)C44
λ33＝n2C11+(l2+m2)C44
λ12＝ml(C12+C44)
λ13＝nl(C12+C44)
λ23＝mn(C12+C44)
其中，l，m，n分别为超声波方向与单晶体[100]、[010]、[001]方向的夹角余弦值；Pi为质点的位移偏移；C11C12C44为单晶高温合金弹性常数，ρ为单晶高温合金密度，c为理论声速。
本发明大幅度优化了采用超声方法检测单晶高温合金空心叶片壁厚的方法，在保证检测精度的同时，检测时间约为传统CT检测时间的1/8，且经过充分的单晶空心叶片壁厚验证。具有十分广阔的市场推广前景。
实施例
本实施例中，采用超声检测某型CMSX-4单晶高温合金高压涡轮工作叶片I-V截面S1-S6点壁厚。
a、通过实测获得CMSX-4的弹性常数为：C11＝256GPa、C12＝160GPa、C44＝131GPa。
b、根据叶片晶体取向和三维模型上各测量点超声入射方向，得到超声入射束方向和单晶体[100]、[010]、[001]方向的夹角，将合金密度(8.7g/cm3)、弹性常数和夹角数据带入Christoffel方程，求解得到超声波在各测量点的理论声速c；
c、使用Olympus 38DL Plus超声测厚仪，设置测量声速v＝6.0km/s，完成各测量点壁厚测试，得到声速为6.0km/s下的壁厚值WT，通过t＝2*WT/v得到实际回波时间；
d、各测量点实际壁厚s＝c*t/2
壁厚(单位：mm) S1 S2 S3 S4 S5 S6
I 0.72 0.76 0.81 0.82 0.68 0.73
II 0.99 1.03 0.98 1.00 0.78 0.82
III 1.09 1.17 1.35 1.39 0.92 0.99
IV 1.42 1.45 1.67 1.73 1.03 1.04
V 1.67 1.71 2.27 2.29 1.09 1.16
在检测得到上述壁厚之后，将各测量截面使用线切割切取，利用游标卡尺(精度0.01mm)测量各测量点结果近似作为壁厚真实值，对比超声与游标卡尺结果差异均小于0.10mm，满足空心叶片壁厚检测精度要求。
通过上述的检测比对，本发明在保证检测精度前提下，大幅提高了检测的效率。

Claims (2)

1.单晶高温合金空心叶片壁厚超声检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、获得待检测工作叶片的单晶高温合金弹性常数(C11、C12、C44)和密度；
b、根据上述获得的单晶高温合金弹性常数和密度，结合各测量点超声入射束方向及单晶叶片晶体取向得到超声入射声束与单晶晶轴夹角，计算出超声波在各壁厚测量点的理论声速；
c、使用超声测厚仪以某一固定声速测量各测量点壁厚，从而得到对应测量点的回波时间；
d、根据理论声速和回波时间，得到对应测量点壁厚值。
2.如权利要求1所述的单晶高温合金空心叶片壁厚超声检测方法，其特征在于：步骤b中，计算得到理论声速的方法为将合金密度、弹性常数和夹角数据代入立方晶系Christoffel方程如下：
λ11＝l2C11+(m2+n2)C44
λ22＝m2C11+(l2+n2)C44
λ33＝n2C11+(l2+m2)C44
λ12＝ml(C12+C44)
λ13＝nl(C12+C44)
λ23＝mn(C12+C44)
其中，l，m，n分别为超声波方向与单晶体[100]、[010]、[001]方向的夹角余弦值；Pi为质点的位移偏移；C11、C12、C44为单晶高温合金弹性常数，ρ为单晶高温合金密度，c为理论声速。
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