渦輪盤作為航空發(fā)動機燃燒室的關(guān)鍵部件,承受著高溫、高壓、高應力的疊加作用,工作環(huán)境異常惡劣。而采用新型雙金屬擴散連接工藝生產(chǎn)的粉末高溫合金渦輪盤因一體性好、疲勞性能穩(wěn)定、無宏觀偏析等優(yōu)點被航空工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用。在雙金屬擴散焊結(jié)合層處因工藝等問題易出現(xiàn)脫粘缺陷,將嚴重影響渦輪在役性能,因此對渦輪盤結(jié)合層結(jié)合質(zhì)量進行有效檢測和評定十分重要。本課題研究的某型渦輪外側(cè)分布不規(guī)則葉片,無法進行周向掃查,且中心柱塞孔距離結(jié)合層較遠,現(xiàn)有超聲檢測設(shè)備無法對結(jié)合層進行有效檢測。針對這一情況展開對該型渦輪盤擴散焊結(jié)合層的缺陷檢測研究工作。首先對雙金屬渦輪盤結(jié)構(gòu)特點進行研究,測量計算其相關(guān)聲學參數(shù),從超聲檢測原理上確定以結(jié)合層界面波的幅值表征缺陷。分析檢測難點,提出超聲相控陣檢測和反射鏡式超聲特征成像檢測兩種檢測方案,并制作相關(guān)試塊。針對超聲相控陣檢測方案設(shè)計超聲相控陣專用換能器,包括外形設(shè)計、頻率選擇、陣元數(shù)目、陣元間距,楔塊制作,按設(shè)計參數(shù)委托相關(guān)企業(yè)完成制作。對超聲相控陣聲場進行分析,通過有限元仿真平面晶片加曲面楔塊激勵時渦輪盤的聲傳播路徑和能量損失情況,為超聲相控陣換能器檢測提供指導。使用設(shè)計制作的專用超聲相控陣換能器匹配實驗室現(xiàn)有超聲相控陣檢測平臺進行實際檢測,分析討論檢測結(jié)果。然后圍繞反射鏡式超聲特征成像檢測方案,在充分發(fā)揮已有超聲特征成像檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一套自動掃查系統(tǒng)。主要工作包括總體方案設(shè)計,系統(tǒng)軟硬件搭建,反射鏡式換能器設(shè)計制作。設(shè)計制作完成后使用該自動掃查系統(tǒng)對試塊和工件進行實際檢測,驗證系統(tǒng)各項性能可靠性,分析成像檢測結(jié)果。最后對比兩種檢測方案的檢測結(jié)果,討論各自檢測的優(yōu)劣,總結(jié)檢測系統(tǒng)仍待解決完善的問題,為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明:超聲相控陣和反射鏡式超聲特征成像兩種檢測方案都可以實現(xiàn)對小孔徑厚壁渦輪盤結(jié)合層最小當量為2mm的缺陷的有效檢測。其中反射鏡式超聲特征成像檢測系統(tǒng)可靠性強,重復性高,可用于渦輪盤的標準化檢測,具有顯著的工業(yè)效益。
【學位單位】：南昌航空大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP274.53;V263
【部分圖文】：

研究的主要價值在于解決航空渦輪盤厚壁結(jié)合層缺陷檢測化及缺陷成像使得檢測精度得到提升，成像檢測結(jié)果更加部件的連接質(zhì)量提供評判依據(jù)。渦輪無損檢測現(xiàn)狀渦輪概述動機作為一種極其精密和復雜的熱力機械,承擔著為航空飛要任務(wù)，被稱之為飛機的心臟,其綜合性能的優(yōu)劣直接影響,是評價一個國家科技工業(yè)水平的重要依據(jù)。航空渦輪盤是鍵部件，其作用是將發(fā)動機的燃燒室內(nèi)的高溫燃氣產(chǎn)生的能，帶動發(fā)動機葉片高速轉(zhuǎn)動。渦輪盤的工作環(huán)境使得其料本身必須耐高溫且制作加工工藝特殊，其技術(shù)水平?jīng)Q定機燃燒室結(jié)構(gòu)形式及其工作原理如圖 1-1、1-2 所示。

圖 1-2 工作原理圖-2 可知，燃燒室出口處的燃氣流向渦輪的葉片，考慮到渦輪很大的轉(zhuǎn)向力和高溫氣流的不斷沖擊，從燃燒室的出口處到渦輪盤葉片強度要求，避免局部存在過熱點，以此確保高溫度、高壓力燃氣經(jīng)燃燒室出口處排出，流過渦輪時，能在渦輪中轉(zhuǎn)化為機械轉(zhuǎn)動所需的動能，驅(qū)動壓氣機轉(zhuǎn)動，氣體在渦輪中因體積膨脹所做的功與壓氣機在壓縮空氣程中零部件克服摩擦所做功的總和相等[4]。經(jīng)燃燒后，渦輪速增加，致使渦輪中的膨脹比遠小于壓氣機中的壓縮比，機進口處，壓力和溫度要高出許多，而這部分燃氣所產(chǎn)生需推力[5]。由此可見，渦輪的質(zhì)量對燃燒室乃至整個航空發(fā)重要的作用。用高溫合金發(fā)展現(xiàn)狀

著現(xiàn)代制造技術(shù)與材料科學的發(fā)展，給現(xiàn)代無損檢測技術(shù)提出了更高要求自動化、檢測結(jié)構(gòu)多樣化、原位檢測[21]以及非接觸檢測[22]都是現(xiàn)代無損展方向[23]。為適應更高的檢測需求，超聲無損檢測技術(shù)和器材正面向無工智能化和數(shù)據(jù)存儲、處理簡潔化的方向發(fā)展。 超聲相控陣檢測技術(shù)聲相控陣成像檢測技術(shù)的傳感器采用多陣元陣列形式，依靠計算機調(diào)控個陣元激勵發(fā)射超聲波的時間來控制各陣元的聲束在聲場中偏轉(zhuǎn)和聚焦接收陣列換能器中各個陣元接收回波信號的時間，進行偏轉(zhuǎn)、聚焦成像種高端技術(shù)[24]。由于在一定范圍內(nèi)其聲束的偏轉(zhuǎn)角度、焦點位置等參數(shù)調(diào)，從而使得該檢測技術(shù)更加高效、便捷。聲相控陣換能器是由若干個獨立的壓電晶片（陣元）按照一定方式排列個陣列，通過壓電晶片的激勵順序及延時的控制[25]，實現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)和聲26]。各個陣元的激發(fā)延時一般被稱為延時聚焦法則[27]，其偏轉(zhuǎn)和聚焦示意1-3、圖 1-4 所示。
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