Page 40 - 无损检测 2021年第六期
P. 40

高祥熙, 等:

            基于钆掺杂法的空心涡轮叶片残芯冷中子照相检测


            叶片形成细小且复杂的内腔, 但是脱芯工艺                  [ 3 ] 难以保    子与物质的相互作用与电子无关, 而与物质的原子
            证完全清除陶瓷型芯, 内腔中残余的型芯不仅会影响                           核及其微观结构有关。当中子透过某种物质与物质
            工作时叶片中的冷却气流的正常流动, 降低冷却效                            的原子核发生相互作用后, 能量发生衰减。从宏观
            果, 而且可能堵塞叶身上用于冷却的气膜孔( 数以百                          角度上, 透射中子强度与入射中子强度之间存在以
            计, 直径约为0.3~0.5mm ), 造成叶片局部高温和过                     下的数学关系。

            早失效, 给发动机带来巨大的安全隐患。                                                        - ∑ t
                                                                                I= I 0 e                  ( 1 )
                 对于低密度的陶瓷型芯, 常规 X 射线难以进行
                                                               式中: I 为透射中子强度; I 0        为入射中子强度; t 为
            有效检测, 必须采取相关技术手段提高残芯在检测
                                                               试样的透照厚度;        ∑   为试样对中子的吸收系数( 宏
            图像上的对比度        [ 4-5 ] , 但是这些方法并不适用于叶片
            检测的工程化。 2007 年后, 采用热中子照相法检测                        观截面)。

                                                                                                 -1 , Ni的吸收
            空心涡轮叶片残芯的技术逐渐得到应用, 该技术的                                其中, Gd的吸收系数为 1190cm

                                                                             -1 , 这两种材料吸收系数的差异将
                                                               系数为 0.42cm
            检测能力主要取决于残芯材料对热中子的 衰减程
                                                               在中子图像上形成明显的对比度差异, 有利于实现
            度 [ 6 ] 。为了提高热中子图像上残芯的对比度, 国内
                                                               残芯的高灵敏度检测。
            外通常采用少量热中子截面非常大的元素( 如 Gd )
            对残芯进行标记。一般采用掺杂法或浸泡法进行标                            2  试验制备与方法
                                              粉末直接掺到
            记。掺杂法是将一定含量的 Gd 2O 3
            型芯材料内, 叶片脱芯后可直接进行中子检测; 浸泡                         2.1  试验设备
            法是将经过脱芯处理的内部可能含残芯的 叶片在                                试验设备为中国工程物理研究院核物理与化学
                    ) 溶液中浸泡, 使足够的 Gd 元素被残芯                     研究所的反应堆冷中子照相装置, 冷中子束流由反
            Gd ( NO 3 3
            吸收, 然后实施中子检测。在 20 世纪 70 年代, 国外                     应堆内冷包将热中子冷却后获得, 通过中子导管传

            已成功采用掺杂法实现了残留量仅为 1m g 的残芯                          输至成像装置, 在满功率情况下, 成像位置的中子注


                                                                                -2
                                                                         6
                                                                                    -1
            热中子检测, 并将该技术推广应用于航空发动机涡                            量率可达 10 n · cm · s , 准直比为 300~12000 。
            轮 叶 片 检 测 领 域    [ 7 ] 。 韩 国 原 子 能 研 究 院 采 用       试验成像装置包括单面乳化胶片、 Gd转换屏和暗盒

                    ) 溶液浸泡喷丸处理用的钢球模拟叶片残                        等。所用胶片型号为 A g faD3-SC , 与转换屏紧贴一
            Gd ( NO 3 3
            芯, 通过热中子照相检出了叶片内部未清理干净的                            起置于不漏光的暗盒内, 被中子射线直接曝光。

            直径仅为 0.2 mm 的钢球         [ 6 ] 。此外, 国外已初步实         2.2  试验试样

            现叶片残芯检测的工程化应用, 加拿大 Nra y 公司                           空间分辨力是用来表征图像上分辨两个相邻细
            已经为 3M 公司、 波音公司、 克珞美瑞燃气轮机有限                        节特征的指标。采用瑞士 PSI公司的标准空间分辨
            公司、 美国 Edison 焊接研究所以及 IBM 公司等提                     力试样, 该试样材料为表面镀有 Gd 层的铜片, 铜片

            供航空发动机涡轮叶片残芯的热中子检测服务                       [ 8 ] ;  呈放射状排列, 可定量评价 25 , 50 , 100 μ m 等空间
            同时, 世界主要发动机公司罗尔斯罗伊斯公司、 通用                          分辨力指标。
            电气公司及普惠公司等均建立了发动机叶片残芯检                                 对比试样对模拟评价叶片残芯的检测灵敏度至
            测的企业标准, 实现了产品检测的标准化作业。国                            关重要。笔者设计制作了两种类型的对比试样: 阶
            内无论在叶片残芯检测的标准化, 还是工程化应用                            梯状模拟试样用于确定模拟残芯的检测灵敏度; 叶
            等方面均比较落后。                                          片对比试样除了获得残芯的真实检测灵敏度外, 还
                 文章首先验证中子源和和单面乳化胶片组合方                          用于分析叶片结构对检测灵敏度的影响。
            式的最优空间分辨力, 其次采用 DD5 镍基高温合金                             图 1 为阶梯状模拟试样的制备流程, 基体材料
            材料设计制作不同厚度残芯的阶梯状模拟试样和叶                             为 DD5 单晶高温合金, 台阶厚度分别为 2 , 3 , 4 , 5 ,

            片对比试样, 研究了空心涡轮叶片残芯的检测灵敏                           6 , 7 , 8mm , 每个台阶上采用电火花加工了一系列不


            度及其与各影响因素的关系, 为残芯的中子检测提                            同深度的    ϕ 2mm 圆孔, 如图1 ( a ) 所示, 孔深依次为
            供参考依据。                                            0.10 , 0.15 , 0.20 , 0.25 , 0.30 , 0.35 , 0.40 , 0.50 , 0.60 ,

                                                              0.70 , 0.80 , 0.90mm 。所有圆孔经三坐标测量后, 实
            1  中子衰减
                                                               际孔深约为 0.14~0.95mm 。采用掺杂法将纯度为
               中子与物质的相互作用非常复杂                  [ 9 ] , 表现为中   99.9% 的 Gd 2O 3  粉 末 与 陶 瓷 型 芯 浆 料 混 合 均 匀,
              2
                   2021 年 第 43 卷 第 6 期


                   无损检测
   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45