氣膜冷卻孔在航空發動機渦輪葉片的冷卻技術中十分重要。冷卻空氣通過氣膜冷卻孔在渦輪葉片表面形成一層冷卻氣膜,從而避免渦輪葉片與高溫燃氣的直接接觸,達到保護渦輪葉片的目的[1-2],其實物如圖1所示。受限于目前的加工技術,氣膜冷卻孔在加工制造環節容易出現加工損傷,產生孔周裂紋,裂紋缺陷會導致應力集中,使得渦輪葉片在惡劣的工作環境中更加容易損壞,甚至引發飛行事故。渦輪葉片的結構完整性很大程度上決定著葉片的使用壽命[3]。基于渦流方法的無損檢測技術在渦輪葉片完整性評價中發揮著關鍵作用,在其加工制造環節,通過渦流檢測方法對有加工缺陷的葉片及時地進行檢測與控制,可最大限度地避免缺陷導致的葉片失效。
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渦流檢測（Eddy current testing,ECT）廣泛用于檢測金屬材料表面和亞表面的裂紋,近年來,多種類型的差分渦流檢測探頭被用來檢測渦輪葉片的表面裂紋[4-6],但是由于氣膜冷卻孔的干擾,ECT對于孔周裂紋的檢測具有很大的難度。工業CT技術是解決精確測量單晶葉片壁厚所面臨的技術問題的有效方法,但其不能在役工作[7]。紅外熱成像（Infrared thermography,IRT）具有單次檢測面積大、快速、安全和非接觸檢測等優點,適合檢測渦輪葉片冷卻通道的堵塞情況[8-9]。同樣受制于氣膜冷卻孔對于孔周裂紋檢測的干擾,IRT不能用于檢測冷卻孔邊緣的裂紋。旋轉渦流檢測方法（Rotating eddy current testing,RECT）由兩個正交矩形線圈作為激勵線圈,相比于傳統的渦流檢測線圈,其對任意方向的裂紋缺陷都具有高靈敏度,因此更加適用于氣膜冷卻孔孔周裂紋的檢測。
HOSHIKAWA 等[10-11]提出了旋轉渦流法,當兩個正交的勵磁線圈載有90°相位的電流時,會產生一個均勻方向的旋轉磁場。YE等[12-15]提出了一種用于蒸汽發生器管道的新型旋轉渦流探頭,該探頭對軸向和周向缺陷都很敏感,且在較寬頻率范圍內仍具有高靈敏度。然而,在RECT的檢測過程中,渦流的旋轉速度過快,與激勵電流的頻率相同,而激勵頻率解調時,一個掃描點中僅能獲得一個數據。為了控制渦流的旋轉速度,HAMIA等[16]提出了一種新的旋轉渦流方法來產生偽旋轉交流磁場。激勵電流是調幅電流,該方法顯著提升了對任意方向深裂紋的檢測靈敏度。通過調制旋轉渦流,LIU等[17]提出了一個新的特征參數來表征非鐵磁性和鐵磁性材料中所有具有不同分布角的裂紋。朱玉龍等[18]基于有限元-邊界元 （Finite element-boundary element,FEM-BEM）混合代碼開發出了調幅旋轉渦流（Amplitude modulation rotating eddy current testing,AMRECT）的數值模擬方案,發現AMRECT對于檢測單孔邊緣不同尺寸和方向的裂紋非常有效。實際的渦輪葉片有著復雜的曲率結構且氣膜冷卻孔數量多達數十至上百個,因此研究適合渦輪葉片表面密集氣膜冷卻孔周表面及背面裂紋的柔性陣列檢測探頭十分必要。
文章探究了基于調幅旋轉渦流檢測技術的柔性陣列檢測探頭及陣列信號缺陷識別方法,通過分析不同工況下氣膜冷卻孔的陣列檢測信號數值模擬結果,提出了基于陣列檢測信號相位與幅值信息的微小孔周背面裂紋識別方法。通過搭建試驗系統和開展驗證試驗,驗證了旋轉渦流柔性陣列檢測探頭及陣列信號缺陷識別方法的有效性,實現了對于微小孔周背面裂紋的有效檢測。
1. 調幅旋轉渦流檢測原理及裂紋檢測仿真
1.1 調幅旋轉渦流檢測原理
柔性陣列檢測探頭的激勵線圈如圖2所示,激勵線圈采用雙層柔性電路板,上下兩層激勵線圈互相垂直,兩層激勵線圈分別通入的激勵電流表達式為
式中：I1與I2分別為上下兩層激勵線圈中的激勵電流；sinω1t與cosω1t是兩個相位差為90°的低頻調制函數,用以提供旋轉渦流的旋轉場；ω1為旋轉渦流場的旋轉頻率；ω0為旋轉渦流的激勵頻率；I0為旋轉渦流的激勵電流幅值,其中。
對于調幅旋轉渦流檢測技術來說,兩個互相垂直的激勵線圈同時激勵一個檢出線圈后同時接收,可以等效為兩個激勵線圈分別激勵同一檢出線圈接收電壓信號然后疊加的問題。由于調制函數的旋轉頻率ω1遠小于線圈的激勵頻率ω0,可以忽略渦流旋轉頻率對檢波頻率的影響。根據疊加原理,檢出線圈的檢測電壓信號為
式中：和分別為兩互相垂直的激勵線圈通入I1與I2的激勵信號時,檢出線圈的檢測電壓信號,其中I1與I2的幅值為I0,頻率為ω0。
基于A–?方程的有限元-邊界元（FEM-BEM）混合方法高效適用于非鐵磁性材料的渦流檢測問題的數值模擬[19]。電壓信號和可通過FEM-BEM混合方法計算,調幅旋轉渦流檢測方法在一個周期內的電壓信號可以通過式（3）計算。
1.2 陣列孔周裂紋檢測數值計算模型
建立了一個簡化的渦輪葉片冷卻氣膜孔周背面裂紋多孔板模型,如圖3所示。8個孔沿板的y方向均勻分布,孔的參數如表1所示。Inconel 718板材的尺寸（長×寬×高）為100 mm×100 mm×1.2 mm,電導率為1.0 MS/m,相對磁導率為1.0。
| 項目 | 參數 |
|---|---|
| 孔數 | 8 |
| 孔徑/mm | 0.5 |
| 孔間距/mm | 3 |
| 板厚/mm | 1.2 |
為優化網格質量提升仿真計算的效率和準確性,對小孔附近局部區域的有限元網格進行細化處理,同時對小孔附近的網格節點進行了局部調整。小孔附近網格和建立的渦輪葉片氣膜孔簡化多孔板的數值模擬模型如圖4所示。
1.3 孔周內壁裂紋旋轉渦流陣列檢測數值模擬
在不同位置孔的邊緣設置孔周內壁裂紋來模擬葉片冷卻氣膜孔的邊緣內壁裂紋,所設置的不同工況的裂紋參數如表2所示。
| 項目 | 裂紋位置 | 長度/mm | 寬度/mm | 深度/% |
|---|---|---|---|---|
| 工況一 | 5號孔 | 1 | 0.2 | 50 |
| 工況二 | 3號孔 | 1 | 0.2 | 50 |
| 工況三 | 1號孔 | 1 | 0.2 | 50 |
各工況的氣膜孔周內壁裂紋位置及尺寸示意如圖5所示,圖中灰色矩形為氣膜冷卻孔的側視圖,黑色矩形為孔周內壁裂紋。
新型柔性陣列旋轉渦流檢測探頭實物及結構示意如圖6所示,該探頭由柔性并聯激勵線圈、餅式檢出線圈和柔性硅膠墊板3部分組成,其中柔性硅膠墊板上的挖槽用于固定激勵線圈和檢出線圈的連接電路。柔性并聯激勵線圈由上下兩層激勵線圈構成,檢出線圈由8個餅式線圈按照“一”字形排布。
探頭的參數如表3所示。激勵線圈的激勵頻率為200 kHz,旋轉渦流的旋轉頻率為10 Hz,遠小于激勵頻率,因此可以忽略渦流轉速的影響。在檢測過程中,孔的軸線與餅式檢出線圈的軸線同軸。
| 項目 | 上層激勵線圈 | 下層激勵線圈 | 餅式檢出線圈 |
|---|---|---|---|
| 內徑/mm | — | — | 0.25 |
| 外徑/mm | — | — | 2.5 |
| 長度/mm | 39.4 | 39.4 | — |
| 寬度/mm | 30 | 30 | — |
| 提離/mm | 1.2 | 1.2 | 0.1 |
| 電流I0/A | 1 | — | — |
| 激勵頻率/kHz | 200 | 200 | — |
進行數值計算時,首先將激勵線圈中心置于8個無裂紋陣列孔對照組的對稱軸上方,使用餅式檢出線圈依次在每個孔的軸線進行檢測,通過式（3）計算電壓信號,逐一獲得每個陣列孔的參考電壓信號實部和虛部；然后分別對有孔周裂紋缺陷的對照組重復上述操作,得到每個陣列孔的檢測電壓信號實部和虛部；最后將檢測電壓信號實部和虛部與參考電壓信號實部和虛部進行差分計算,得到各陣列孔的差分電壓信號實部與虛部。為提取陣列檢測信號的相位信息,將各陣列孔的差分電壓信號實部與虛部編號后繪制成李薩如圖,提取各孔的相位值如圖7所示。
從圖7中各工況的李薩如圖可以看出,裂紋所在孔及其相鄰孔的差分信號實部與虛部的最大值遠大于其他遠離裂紋的孔位的,這是由于裂紋會對渦流場產生擾動,餅式檢出線圈越靠近裂紋其檢測信號受到的渦流擾動也就越大,所獲得的差分檢測信號實部與虛部的值就越大。從圖7中各工況的差分信號相位圖可以看出,所提取的李薩如圖中各個孔的差分檢測信號相位值會在裂紋所在孔附近發生突變,差分檢測信號相位值在裂紋指向孔處發生相位的驟減,裂紋所在孔處的差分檢測信號相位值相較于裂紋指向孔處的相位值有所增加,然后差分檢測信號相位值在裂紋背離孔處再次減小,即差分檢測信號相位值在裂紋所在孔處表現為局部極值。
檢測信號的相位信息反映被檢試件的深度信息,由于被檢裂紋缺陷為孔周背部內壁裂紋,渦流場的擾動是被檢試件深度尺度上內部的裂紋缺陷導致的,這就使得有裂紋缺陷的檢測信號相位與無裂紋缺陷的對照組相位有較大差異。
對比工況一、二的差分信號李薩如圖和相位圖可知,裂紋分別位于5,3號孔時,各個孔的差分信號相位值分別在4,5,6號孔和2,3,4號孔處發生突變。在突變的孔位中,差分信號相位值先增大后減小；在裂紋所在孔處,差分信號相位值為局部極大值。圖5（c）中裂紋位于邊緣1號孔,使得差分信號相位值僅在1和2號孔處發生突變,其中1號裂紋所在孔處的差分信號相位值大于2號孔處的。
在同一工況下,計算每個氣膜孔在一個旋轉周期內各時刻的幅值,繪制一個旋轉周期內的差分檢測信號幅值極坐標圖,結果如圖8所示。由圖8可以看出,在3種工況下裂紋所在孔的差分檢測信號幅值最大值的連線與實際的裂紋長度方向一致,均與水平方向的夾角為0°。這是由于在一個旋轉周期內,當渦流場方向與裂紋長度方向垂直時,裂紋對渦流場所造成的擾動最大,此時餅式檢出線圈所檢測到的差分檢測信號幅值最大。在一個旋轉周期內,渦流場方向與裂紋長度方向兩次垂直,故出現兩次差分檢測信號幅值的最大值。
通過比較討論3種工況下的孔周背面裂紋旋轉渦流陣列檢測數值模擬結果,文章提出了一種氣膜孔周背面內壁裂紋檢測的缺陷識別方法：首先,檢測得到陣列氣膜孔的差分電壓檢測信號李薩如圖和極坐標圖；然后,提取差分電壓信號李薩如圖中各個氣膜孔的相位值,若此組陣列氣膜孔中無裂紋則各個氣膜孔的相位值基本保持不變,若此組陣列氣膜孔中存在孔周背面裂紋則會在孔周裂紋的指向孔、所在孔和背離孔3個孔的位置發生相位的突變,其中裂紋所在孔處的相位為局部極值；最后,觀察差分檢測信號極坐標圖,裂紋所在孔的檢測信號極大值連線方向即為孔周背面裂紋的延展方向。
2. 孔周內壁裂紋旋轉渦流陣列檢測試驗驗證
2.1 調幅旋轉渦流陣列檢測系統及檢測探頭
柔性陣列旋轉渦流檢測探頭的柔性硅膠墊板中設置有焊點隱藏槽,用以消除焊點凸凹產生的提離噪聲。相比于傳統串聯電路的激勵線圈需要占用大面積的回路區域,FPC柔性并聯電路激勵線圈既可以形成均勻的渦流場又不需要有繞回電路,極大程度地減小了激勵線圈的面積,從而實現探頭的小型化。采用FPC柔性印制電路板來制作并聯激勵線圈實現探頭的柔性化,使得探頭可以貼合復雜型面的渦輪葉片的同時又可以降低提離噪聲,提高檢測精度。陣列排布餅式檢出線圈置于每個孔的正上方且與孔同軸,可以代替傳統的掃查式線圈,從而提高檢測效率。柔性陣列旋轉渦流檢測探頭實物如圖9所示,探頭參數如表4所示。
| 線圈類型 | 項目 | 參數 |
|---|---|---|
| 并聯電路激勵線圈 | 激勵頻率/kHz | 200 |
| 電抗/m? | 413.37 | |
| 阻抗/m? | 609.55 | |
| θ/（°） | 42.70 | |
| 餅式檢出線圈 | 內徑/mm | 0.5 |
| 外徑/mm | 2.5 | |
| 提離/mm | 1.2 | |
| 線徑/mm | 0.05 | |
| 電阻/? | 17 | |
| 匝數 | 416 |
文章搭建了調幅旋轉渦流陣列檢測試驗系統,如圖10所示。試驗系統由信號發生器、移相器、鎖相放大器、示波器、多路器和PC控制端組成。移相器形成兩個具有90°相位差的低頻調制函數信號同時與高頻激勵信號相乘,形成兩個相位差為90°的調幅激勵電流分別輸入到上下兩層的并聯電路激勵線圈中；使用鎖相放大器實現餅式檢出線圈的檢波和濾波；使用PC控制端和多路器來實現各餅式檢出線圈陣列單元的切換,完成對各氣膜孔的檢測；由示波器進行檢測信號實部與虛部的顯示和儲存。
2.2 試驗結果
文章以工況二為例開展了驗證試驗,以718鎳基高溫合金材料制作8氣膜孔試驗模型（試件正面見圖11）。孔與裂紋參數同表1和表2,使用新型柔性陣列旋轉渦流檢測探頭開展試驗,探頭參數同表4。
試驗中旋轉渦流調制函數的頻率為10 Hz,即渦流旋轉的周期為0.1 s,設置高頻激勵頻率為200 kHz,激勵電壓信號幅值為0.3 V。首先將探頭依次布置在參考組的8個孔的正上方,分別在柔性并聯激勵線圈的上層線圈和下層線圈中通入相位差為90°的調制信號,然后通過多路器從左至右依次控制8個餅式檢出線圈對8個陣列氣膜孔進行檢測,激發時間間隔設置為0.4 s,采集每個孔兩個周期（0.2 s）的試驗信號作為參考信號。然后,重復上述信號采集過程,對有孔周裂紋測試組進行相同的檢測,并獲得每組的檢測信號。接下來,使用MATLAB軟件通過正弦曲線擬合參考信號和檢測信號。最后,通過對參考信號和相同孔位檢測信號的擬合函數進行差分,得到每種情況下的差分電壓信號,并提取一個周期的信號進行分析。根據所得到的差分電壓信號試驗結果繪制李薩如圖,計算李薩如圖中每個孔的差分電壓信號在一個周期內最大幅值處的相位值繪制差分電壓信號相位圖,計算每個孔位在一個旋轉周期內各時刻的幅值繪制一個旋轉周期內的差分電壓信號幅值極坐標圖。所得到的工況二差分電壓信號李薩如圖、相位圖和幅值極坐標圖如圖12所示。
由圖12（a）,（b）可以看出,差分信號的相位值在2,3,4號孔處發生突變,在突變的3個孔位中差分電壓信號相位在3號孔處為局部極大值,判斷裂紋位于3號孔,與試驗工況一致。由圖12（c）可以看出,3號裂紋所在孔的差分電壓信號幅值最大值的連線與實際的裂紋長度方向一致。
通過比較圖12與圖7,8發現,試驗結果和模擬結果具有相似的趨勢。李薩如圖中各孔的差分信號相位值在裂紋指向孔、所在孔和背離孔處發生突變,在發生信號相位值突變的孔位中裂紋所在孔的差分信號相位值取得極值,在差分電壓信號幅值極坐標圖中,裂紋所在孔位的差分電壓信號幅值最大值的連線方向與實際的裂紋長度方向一致。
與仿真結果相比,李薩如圖中各個孔位的差分信號并不是直線而是具有一定的面積,分析認為其原因為：試驗過程中探頭中心位置相對于孔產生了與裂紋長度方向垂直的偏心誤差,導致餅式檢出線圈與孔不同軸,并且存在的加工誤差使得氣膜孔空洞非標準圓；同時,偏心誤差和試件加工誤差的存在,導致試驗結果中差分電壓信號幅值極坐標圖中各孔處的差分電壓信號幅值最大值的連線方向不一致和裂紋所在孔位處的差分電壓信號幅值不是最大。
3. 無損檢測掛證網結論
文章提出了基于調幅旋轉渦流技術的柔性陣列渦流檢測方法,以及基于陣列調幅旋轉渦流檢測信號相位和幅值信息的氣膜孔周背面裂紋缺陷的識別方法。通過建立簡化的有限元多孔模型,基于有限元-邊界元（FEM-BEM）混合方法對不同孔周背面裂紋的檢測進行了數值模擬,發現差分電壓信號李薩如圖中各個孔的差分檢測信號相位值會在裂紋所在孔附近發生突變,差分檢測信號的相位值在裂紋所在孔處為局部極值；差分電壓信號幅值極坐標圖中裂紋所在孔的幅值最大值間的連線為孔周裂紋的實際延伸方向。文章設計制作了新型柔性陣列旋轉渦流檢測探頭,并開發了調幅旋轉渦流陣列檢測系統,通過多路器和開發的C++自動檢測程序實現了各陣列檢測線圈的自動切換檢測。使用所設計的渦流檢測探頭和陣列檢測系統開展了基于陣列調幅旋轉渦流檢測信號相位信息的缺陷識別方法的驗證試驗,試驗結果驗證了所提出的基于差分電壓信號相位和幅值信息的氣膜孔周背面裂紋缺陷識別方法的有效性。
