一种空心涡轮叶片残余型芯中子射线照相检测方法与流程

本发明属于航空发动机铸造空心涡轮叶片残余型芯无损检测范围，具体为一种空心涡轮叶片型腔完全充水冷冻结冰后采用热中子射线照相检测残余型芯。

背景技术：

随着航空发动机空心涡轮叶片铸造技术的不断进步，叶片的外形和内腔越来越复杂，叶片内部具有复杂的冷却通道，叶片的质量要求也越来越高。制造空心涡轮叶片包括制芯、制模、制壳、浇注和脱芯等工序，氧化铝系列的陶瓷型芯得到了广泛应用，但叶片进行脱芯后，经常发现叶片的型腔上有型芯材料残留，这种残余型芯将阻碍冷却通道，降低冷却效果，并且残余的陶瓷型芯在高温下会与叶片发生化学反应，降低叶片的高温抗蠕变能力，所以空心叶片在制造和使用后必须进行残余型芯检查。

射线检测是异物检测的主要手段，但常规X射线检测方法检测空心叶片残余型芯时，其检出能力与叶片厚度、材料、残余型芯的材料、尺寸有关。叶片越厚，材料密度越大，残余型芯材料密度越小，尺寸越小，残余型芯越难被检出。

检测空心涡轮叶片残余型芯比较可行的检测方法有灌粉后进行X射线照相检测的方法、标记法、中子射线照相法和工业CT方法。

空心涡轮叶片残余型芯X射线灌粉检测技术是将与叶片材料密度相同或相近的金属粉(粒度大小为50μm-150μm)灌入空心叶片型腔中，型腔中有残余型芯的部位就填不上粉，有金属粉和残余型芯之间对X射线的吸收差异较大，从而可以检测出残余型芯。美国TRW公司Clyde R.Honeycutt等在1969年US Patent 3624397D:A中提出了灌粉法检测残余型芯的思想。灌粉检测技术中金属粉的彻底清除是技术重点和难点，对于单晶叶片，若内部残留有金属粉，残留的金属粉在高温环境下可能导致再结晶，可能导致叶片寿命缩短等危害。

中子射线照相方法是涡轮叶片内部检测的常用方法，美国GE公司的Wilkinson等在1968年US Patent 3617747中提出在型芯材料中混入氧化钆，利用钆对中子射线的强吸收能力，可以得到清晰的残余型芯图像。2012年，北京航空材料研究院利用中国工程物理研究院研制的反应堆中子成像系统，开展了航空发动机涡轮叶片残余型芯检测应用研究，在叶片陶瓷型芯中添加元素钆作为示踪剂，获得了质量极佳的叶片残余型芯图像。

由于中子照射叶片后叶片存在残余辐射，为了避免这种残余辐射的影响，Remmers等在1992年US Patent 5242007中提出了一种基于标记法的X光检测残余型芯方法，采用钨酸钠溶液浸渍空心涡轮叶片，如叶片中含残余型芯，钨酸钠将进入残余型芯材料中，进入型芯内部的钨酸钠将在随后的处理程序中被保留下来，当用X光检测叶片时，由于高原子序数元素钨构成的钨酸钠对X射线的吸收高于型芯材料，在X光的照射下得到清晰显示。

与上述射线照相方法不同，工业CT以三维成像的方法重构涡轮叶片的整体结构，可应用于叶片型腔残余型芯的检测，现有实验表明，工业CT可以发现0.2mm-0.5mm厚的残余型芯。但工业CT方法检测效率低，检测成本高，不适合大批量叶片快速检测。

技术实现要素：

本发明的目的是：设计一种不同于已有方法的空心涡轮叶片残余型芯热中子射线照相检测方法，用于航空发动机涡轮叶片脱芯后的残余型芯检测。

本发明的技术方案是，一种空心涡轮叶片残余型芯中子射线照相检测方法，该方法包括蒸馏水的制作、塑料盛水容器、空心涡轮叶片完全浸入蒸馏水中、冷冻室完全冷却结冰、表面冰清除、空心涡轮叶片中子射线照相、空心涡轮叶片解冻和干燥处理，其特征在于步骤如下：

（1）对纯净水进行蒸馏得到蒸馏水，通过蒸馏减少水中的杂质，用带压力阀门的盛水容器收集蒸馏水。

（2）通过压力阀门将蒸馏水输送到塑料盛水容器，塑料盛水容器内含多个水槽，水槽深度以叶片平放高度的2-3倍为准，水槽水位达到2/3满。

（3） 将多个空心涡轮叶片分别平放浸入不同的水槽中，保证每个叶片能完全浸入蒸馏水中，浸水时间5-10min。

（4）将塑料盛水容器送入冷冻室进行冷却结冰，冷冻温度为零下10-30度，冷冻时间为蒸馏水完全结冰时间的2倍以上。

（5）从冷冻室取出塑料盛水容器，取下叶片和冰块，采用锯齿刀具清除叶片表面冰块，并用干燥吸水布清理叶片表面水迹，这样空心涡轮叶片的冷却通道填满了冰，如果有残余型芯，冷却通道填充物为冰和残余型芯材料。

（6）对空心涡轮叶片进行热中子射线照相，如果叶片内部有残余型芯，由于残余型芯对热中子射线的衰减很小，叶片基体材料对热中子射线的衰减较大，而冰(H₂O)对热中子射线的衰减最大，这样，与正常情形相比，有残余型芯的部位透射过来的热中子射线强度更大，有残余型芯的部位在影像上不同于其它正常部位。

（7）中子射线照相结束后，将叶片置于较高温度环境中解冻和干燥处理。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1) 与灌粉法相比，不存在金属粉需要完全清除的问题，(2) 与中子射线照相法相比，因不掺杂钆等示踪剂，中子射线照射后叶片残余辐射更小，(3) 与标记法相比，没有复杂的操作工序，(4) 与工业CT法相比，可以批量一次检测，检测效率更高，(5) 操作简单，残余型芯检出率更高。

附图说明

图1为空心涡轮叶片批量处理塑料水槽设计示意图。

图2为空心涡轮叶片外形结构与截面示意图。

图3为冷却通道残留残余型芯充水冷却结冰后截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述，包括如下步骤：

(1) 对所有待检叶片先进行X光检测，排除铸造缺陷和冷却通道堵塞情形。

(2) 对纯净水进行蒸馏得到蒸馏水，用带压力阀门的盛水容器收集足够的蒸馏水。

(3) 准备一个塑料盛水容器，内含多个水槽，单个水槽长度为叶片长度的1.2倍，宽度为叶片宽度的1.2倍，深度为叶片平放高度的2-3倍，通过压力阀门将蒸馏水输送到塑料盛水容器的多个水槽中，水位达到2/3满。

(4) 将多个空心涡轮叶片分别平放浸入不同的水槽中，保证每个叶片1能完全浸入蒸馏水中，浸水时间控制在5-10min，保证叶片冷却通道完全充满水。

(5) 将塑料盛水容器整体送入冷冻室进行冷却结冰，冷冻温度为零下10-30度，冷冻时间为蒸馏水完全结冰时间的2倍以上。

(6) 从冷冻室取出塑料盛水容器后，取下叶片和冰块，采用锯齿刀具清除叶片表面冰块，不能损坏型腔冰块，并用干燥吸水布充分清理叶片表面冰屑和水迹，清理过后只有空心涡轮叶片的冷却通道3填满了冰。如果冷却通道残留有残余型芯，冷却通道填充物为冰4和残余型芯材料5。

(7) 对清理后的空心涡轮叶片进行热中子射线照相，如果叶片内部有残余型芯，由于残余型芯5(氧化铝)对热中子射线的衰减很小，叶片基体材料2(镍基高温合金)对热中子射线的衰减较大，而冰4(主要成分为H₂O，密度略小于液态水)对热中子射线的衰减最大，热中子射线照相后有残余型芯的部位在影像上明显不同于其它正常部位，一般呈现暗斑和亮斑，从而实现残余型芯的检测，三种主要物质的热中子线衰减系数见下表。

取平均散射和吸收截面为2200m/s的天然元素的热中子线衰减系数

(8) 热中子射线照相结束后，按规定操作将叶片置于较高温度环境中解冻和干燥处理。