與大型航空發動機相比，小型航空發動機尺寸小、半徑短、結構緊湊[1]，而為達到性能和結構質量的綜合平衡，需保持一定的葉尖線速度，故其動力渦輪轉子的轉速高達30 000~50 000轉·min?1。動力渦輪轉子葉片在高離心負載、高溫、氣動負載以及振動等交變載荷下運轉，容易產生疲勞裂紋等缺陷。近年，就發生了幾起因動力渦輪轉子葉片斷裂的故障，經失效分析，發現葉片斷裂裂紋均為高周疲勞裂紋，裂紋從葉背最高位置起源，沿葉片厚度方向擴展，斷裂高度均在葉根至約1/3葉高范圍內。為避免同類型故障再次發生，保障飛行安全，急需一種有效的原位檢測技術在不拆卸、分解發動機的狀態下，對在役動力渦輪轉子葉片進行無損檢測。
1. 檢測方法的選擇
原位檢測技術是現代航空發動機檢修領域中的重要組成部分，常用的原位檢測技術有目視檢測、內窺鏡檢測、熒光滲透檢測和渦流檢測等[2-3]，具體的檢測方法還需根據被檢對象進行選擇。
小型航空發動機某葉片斷口的宏觀形貌如圖1所示。對在役狀態下的動力渦輪轉子進行結構分析，可知葉片的進氣邊和葉尖部位均處于完全封閉的不可視狀態，且裂紋起源位置（以下均稱被檢區域）除了與相鄰葉片之間的間隙狹窄（約5 mm）外，還是變形曲面，無法通過視覺手段從外部進行直接觀察。通過驗證試驗，內窺鏡檢測可以延長視距，但是受傳感器尺寸和彎曲角度等因素限制，很難捕捉到被檢區域的清晰圖像，進而無法判斷缺陷；熒光滲透檢測在施加滲透劑后，因為缺乏合適的觀察手段，檢測人員無法清楚地看到被檢區域，所以熒光滲透檢測也不適用。
渦流檢測作為一種重要的無損檢測方法，對導電工件的表面線性缺陷具有很高的檢測靈敏度，已被廣泛應用于航空航天等領域[4-5]。其探頭的尺寸可根據檢測需求制作得很小，而且還可按被檢對象結構進行仿形設計以實現對狹窄區域的有效檢測。動力渦輪轉子葉片材料為K424鎳基鑄造高溫合金，因此，文章提出采用渦流檢測方法，對動力渦輪轉子葉片進行原位檢測。
2. 原位檢測探頭的研制
為實現動力渦輪轉子葉片的原位渦流檢測，使用的檢測探頭首先應具有良好的可達性，其次還需保證檢測過程中電磁耦合的穩定性，而且要便于操作，檢測重復性好。常規渦流檢測探頭多為單通道筆式或鉤式結構（見圖2），在被檢區域上方需要有不小于探頭外形高度的操作空間，其對曲面掃查檢測時難以保證與被檢面垂直，不能形成穩定耦合，且需多次變換掃查路徑才能覆蓋整個待檢區域，顯然不滿足渦輪轉子葉片的檢測要求。
為此，針對動力渦輪轉子葉片的原位檢測需求，開發了一種具有優異耦合性能和高靈敏度的專用4通道渦流檢測探頭。葉片檢測過程中，不可避免地會受到葉片表面狀態、提離效應等因素的干擾，采用差動式檢測線圈可提高檢測靈敏度、增強信噪比。為使渦流檢測探頭與葉片葉背區域之間形成穩定的電磁耦合，將探頭前端的外殼加工成與葉片葉背區域曲率相同的弧面結構，以確保掃查過程中的穩定性和檢測結果的一致性。制作時，將4組由?0.03 mm漆包線繞制的直徑為1.7 mm的帶磁芯檢測線圈垂直于探頭骨架軸向，并沿軸向均勻排布，設置相鄰檢測線圈中心間距為2.0 mm，構成4通道渦流檢測探頭的作用端，可形成寬約7.7 mm的渦流場有效作用范圍，從而實現單次掃查即可覆蓋葉片葉背的待檢區域，有效解決了空間狹窄的限制。4通道渦流檢測探頭檢測時與待檢區域的耦合狀態示意如圖3所示。
3. 廠內原位檢測試驗
選取1件經熒光滲透和射線檢測均未在葉片上發現缺陷的同型號、同狀態的轉子成品件作為檢測試塊，根據以往故障批動力渦輪轉子葉片的斷裂位置以及葉片的應力分布圖（見圖4），確定圖4中紅色和橘黃色所示高應力集中區為待檢區域，再采用電火花切割方式在待檢區域距離輪緣5.0 mm位置加工一條長為10.0 mm、深為0.5 mm、寬為0.12 mm的U型人工刻槽，人工刻槽在長度方向與葉背圓弧頂的連線垂直并對稱分布。將檢測試塊裝到發動機上，然后進行原位檢測試驗。
在選擇渦流儀時，應充分考慮外場的檢測工況，最終選用SMART-503型8通道渦流檢測儀，該儀器尺寸小、質量輕，可適應-20 ℃~+55 ℃的工作溫度，內置可充電鋰電池，滿電狀態下可連續使用8 h。檢測時，首先連接探頭與儀器，調試渦流儀4個通道的工作參數，調試后儀器的狀態保持不變，然后將探頭伸入到達渦輪轉子葉片待檢區域，沿葉根往葉尖方向掃查對比試塊上的人工刻槽，檢測結果如圖5所示。從試驗結果可看出，在S1/S2/S3/S4阻抗平面圖中可見明顯的“8”字形渦流信號，說明4個通道均能有效檢出人工刻槽，試驗方法可行。
4. 外場原位檢測應用
根據要求，在保證儀器、探頭、試塊、檢測參數等各項條件不變的情況下開展外場檢測，發現1臺發動機上有1個葉片在距輪緣6 mm位置處有異常渦流信號顯示，標識后返廠，在分解前、后于相同檢測條件下對該發動機動力渦輪轉子進行渦流檢測，檢測結果與外場結果一致，缺陷渦流信號如圖6（a）所示，可見在相同葉片的相同位置有明顯“8”字形渦流信號。分析可知，S1/S2/S3/S4阻抗平面圖均可見“8”字形渦流信號，說明該缺陷在葉片弧線上的長度大于7.7 mm。緩慢移動探頭逐漸靠近、掠過疑似缺陷部位，“8”字形渦流信號出現后立即消失，說明該缺陷寬度較窄。目視檢查存在異常渦流信號顯示的部位均未發現凹坑、劃痕等可能形成異常渦流信號顯示的缺陷。因此，可判定該發動機動力渦輪轉子上發現的異常渦流信號顯示為線性缺陷引起。
為驗證渦流檢測結果的準確性，對該發動機動力渦輪轉子有異常渦流信號顯示的位置分別進行熒光滲透檢測、X射線檢測和金相檢驗。經熒光滲透和射線檢測后，標識位置均未發現任何缺陷。對標識位置進行取樣、制樣和腐蝕后，在金相顯微鏡下進行觀察，發現有1條長約8 mm，表面開口不足1 μm的疲勞裂紋[見圖6（b）]，與渦流檢測結果相吻合，驗證了所研制專用渦流探頭檢測結果的正確性與有效性。
5. 無損檢測掛證網結論
針對小型航空發動機動力渦輪轉子葉片原位檢測的難題，研制了一種尺寸小、靈敏度高的專用4通道渦流檢測探頭，通過廠內試驗和外場原位檢測應用，驗證了所研制探頭的檢測可靠性和有效性，為小型航空發動機內部零部件的檢修提供了新思路。并且，將所研制的專用探頭應用于在役同型航空發動機動力渦輪轉子的全面質量普查中，已發現多臺發動機動力渦輪葉片裂紋，消除了較大的故障隱患。
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