增材制造發(fā)動機(jī)燃燒室流道多余物X射線成像檢出能力研究

來源：特種鑄造及有色合金2024年第44卷第9期

燃燒室是高馬赫數(shù)超燃沖壓發(fā)動機(jī)中技術(shù)難度最大的部件之一，其內(nèi)部有復(fù)雜的燃料流道，一般采用激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術(shù)制造，材料為 GH3625 高溫合金。由于增材制造工藝復(fù)雜，燃燒室成形后容易產(chǎn)生孔隙、裂紋、未熔粉末顆粒、熔合不良等內(nèi)部缺陷，流道內(nèi)還可能存在多余物，影響燃燒室使用性能。此外，燃燒室高溫工作時筒壁還可能變形導(dǎo)致壁厚變化。

【研究亮點】
采用CR和CT技術(shù)對燃燒室模擬件內(nèi)部流道的多余物缺陷進(jìn)行檢測，研究了X射線成像方法在增材制造件內(nèi)部流道多余物檢測中的能力。結(jié)果表明，CR技術(shù)可檢測到最小尺寸為0.15mm的凸出立方體多余物，而顯微CT技術(shù)可檢測到最小尺寸為0.08mm的凸出立方體多余物。

【全文導(dǎo)讀】
南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室聯(lián)合中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司研究團(tuán)隊在2024年第44卷第9期《特種鑄造及有色合金》期刊上發(fā)表了題為“增材制造流道多余物X射線成像檢出能力研究”的文章，作者采用激光選區(qū)熔化工藝增材制造了含復(fù)雜流道的燃燒室模擬件，流道內(nèi)部預(yù)制了不同尺寸的凸出立方體多余物，并放置一組標(biāo)準(zhǔn)尺寸金屬絲模擬線形多余物。采用計算機(jī)射線照相（Computed radiology， CR）和顯微計算機(jī)層析成像（Computed tomography， CT）對試樣進(jìn)行檢測，研究X射線成像方法對增材制件內(nèi)部流道多余物的檢測能力，并采用顯微CT對流道壁厚進(jìn)行分析與評估。結(jié)果表明，CR可檢出最小設(shè)計尺寸為0.15 mm的凸出立方體多余物和最小絲徑為0.1 mm的線形多余物；顯微CT可檢出最小設(shè)計尺寸為0.08 mm的凸出立方體多余物和最小絲徑為0.1 mm的線形多余物。顯微CT尺寸測量結(jié)果顯示，線形多余物測量尺寸與標(biāo)準(zhǔn)尺寸一致，凸出立方體多余物測量尺寸普遍大于設(shè)計尺寸，最大絕對誤差不超過50 μm。通過顯微CT壁厚分析發(fā)現(xiàn)，寬段流道均勻性良好。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料
以GH3625粉末為原材料，采用自主設(shè)計的S310型激光選區(qū)熔化增材制造系統(tǒng)制備內(nèi)部流道試樣，模擬超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室流道結(jié)構(gòu)。表1為GH3625合金的化學(xué)成分，圖1為增材制造內(nèi)部流道試樣CAD設(shè)計剖面圖與實物圖。試樣尺寸：外徑為80mm，壁厚為5mm，高為100mm；內(nèi)部分為寬窄兩段不同尺寸的流道，窄段流道為2mm×1.5mm×50mm，寬段流道為3 mm×2mm×50mm；窄段每條流道內(nèi)部預(yù)制10個凸出立方體多余物，尺寸分別為0.2、0.2、0.15、0.15、0.1、0.1、0.1、0.08、0.08和0.08mm，編號依次為1~10；寬段流道內(nèi)部放置7根鎳標(biāo)準(zhǔn)絲型像質(zhì)計（HB7684-2000）模擬線形多余物，絲徑分別為0.4、0.32、0.25、 0.20、0.16、0.125 和 0.1 mm，絲號分別對應(yīng)10~16。

圖1 流道試樣設(shè)計圖與實物圖

1.2 透照分析與試驗

圖2為流道增材制件CT透照布置示意圖。當(dāng)焦距為765mm檢測時，X射線對窄段流道最小和最大透照厚度分別為7mm和35mm，寬段流道最小和最大透照厚度分別為6mm和31mm，兩種情況下最大透照厚度均約為最小透照厚度的5倍。針對上述情況，采用小焦點射線機(jī)進(jìn)行CR檢測，可有效檢測出其內(nèi)部缺陷；采用顯微CT檢測流道多余物并進(jìn)行尺寸測量。

圖2 流道增材制件CT掃描布置示意圖

1.2.1 X射線CR試驗

采用ISOVOLT320Titan E射線機(jī) ，焦點尺寸為0.4mm×0.4mm，CR掃描儀采用CRx25P，激光焦點為12.5μm，配套超高分辨率IPU成像板。采用源在外單壁透照，試驗焦距為900mm，管電壓為130kV，管電流為6mA，曝光時間為120s，鎳絲像質(zhì)計放置在寬流道源測表面。

1.2.2 顯微CT試驗

采用YXLON FF85顯微CT成像系統(tǒng)，其中微焦點射線源為Microfocus tube 225kV，最大管電壓為225kV，焦點尺寸最小為6μm；平板探測器為VAREX 4343HE型非晶硅平板探測器，其閃爍體材料為碘化銫，探測器單元尺寸為139μm×139μm，成像矩陣為3072×3072，A/D位數(shù)為16 bit。CT掃描試驗參數(shù)：源到試樣旋轉(zhuǎn)中心距離為165mm，源到探測器距離為765mm，管電壓為220kV，管電流為360μA，單張投影圖像積分時間為2.31s，在360°范圍內(nèi)共獲得3059張投影圖像，成像分辨率為30μm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 CR結(jié)果與分析

對GH3625高溫合金SLM增材制造流道試樣進(jìn)行CR試驗，結(jié)果見圖3，其中圖3a箭頭處為識別出的預(yù)制凸出立方體多余物缺陷，每個流道均能檢出4個立方體多余物，箭頭1～4是尺寸分別為0.2、0.2、0.15和0.15mm的凸出立方體多余物。從檢測靈敏度方面，圖3b中可識別像質(zhì)計16號絲，滿足GB/T 26642-2022的A級要求。從線形多余物檢出能力方面，可檢出的最小線形多余物為第16號絲，絲徑為0.1mm�？梢钥闯�，CR試驗?zāi)軌驒z出最小設(shè)計尺寸為0.15mm的凸出立方體多余物和最小絲徑為0.1 mm的線形多余物，但受檢測靈敏度的影響，設(shè)計尺寸≤0.1 mm的凸出立方體多余物容易漏檢。

圖3 流道多余物CR圖像

2.2 CT結(jié)果與分析

根據(jù)顯微CT重建圖像，可在不同切片圖像上觀察缺陷及流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有利于多余物缺陷的定位和定量，同時可對流道壁厚進(jìn)行分析。

2.2.1 多余物檢測

圖4為窄段流道多余物切片圖像分析結(jié)果，圖4b中箭頭處為凸出立方體多余物。可以看出，設(shè)計尺寸為0.08～0.20mm，所有預(yù)制立方體多余物均被檢出。

為了進(jìn)一步分析顯微CT對立方體多余物缺陷檢出能力，選取圖4a中4個流道進(jìn)行多余物尺寸分析，對其凸出方向的最大距離進(jìn)行測量。表2為4個流道內(nèi)部1～10號凸出立方體多余物設(shè)計尺寸、4個流道處測量尺寸、平均測量尺寸及絕對誤差�？梢钥闯觯�凸出立方體多余物實測尺寸普遍大于設(shè)計尺寸，1～10號立方體多余物的絕對誤差在20～50μm范圍內(nèi)，CT 最小可測量的立方體多余物尺寸為0.1mm。

(a) Z軸切片圖像    (b) 含凸出立方體多余物Y軸切片圖像

圖4 窄段流道多余物切片圖像分析

圖5為寬段流道內(nèi)部線形多余物第52層Z軸切片圖像檢測效果，方框處為CT檢出的線形多余物的位置與對應(yīng)絲號�？梢钥闯觯珻T能夠檢出絲號為10～16的所有線形多余物。

圖6為含直徑0.1mm線形多余物的第2088層X軸切片圖像及檢測效果，圖像放大后可觀察到線形多余物沿流道方向的影像。由于影像橫跨多幅切片圖像，線形多余物形態(tài)在該切片圖像上不能完整呈現(xiàn)，且當(dāng)金屬絲緊貼內(nèi)壁時，尺寸小的線形多余物檢測困難，需要將多張切片圖像進(jìn)行對比和圖像處理才能觀察到。線形多余物測量值與標(biāo)準(zhǔn)絲徑基本保持一致，絕對誤差≤5μm，最小可測量線形多余物尺寸為0.1mm。

圖5 線形多余物Z軸切片檢測效果圖

圖6 X軸CT圖像中最小絲徑線形多余物的檢測

2.2.2 壁厚分析

由于燃燒室工作環(huán)境溫度為600～1300℃，筒體 和內(nèi)部流道容易產(chǎn)生變形，需要進(jìn)行壁厚均勻性分析。圖7為寬段流道Z軸方向切片圖像壁厚分析效果圖。可以看出，寬段流道整體均勻性良好，但環(huán)內(nèi)壁輪廓不清晰，主要是GH3625合金密度高、復(fù)雜流道試樣透照厚度比大、射束硬化以及散射線等因素所導(dǎo)致。對外徑和流道進(jìn)行尺寸測量，外徑為79.4mm，不同流道CT測量結(jié)果存在差異。寬段流道寬度為1.90～2.00mm，長度為2.86～2.93mm。窄段流道寬度為1.31～1.67mm，長度為1.75～1.94mm。同時采用最小精度為0.01mm的千分尺進(jìn)行測量，外徑為79.5mm，寬段流道寬度為1.80～1.90mm，長度為2.76～2.86mm；窄段流道寬度為1.30～1.58mm，長度為1.78～2.10mm。與CT測量相比，誤差小于0.16mm，表明CT能夠有效 分析復(fù)雜流道壁厚。

圖7 內(nèi)部流道壁厚均勻性分析

【主要結(jié)論】
（1）采用 SLM 工藝制造含復(fù)雜流道的燃燒室模擬件，材質(zhì)為 GH3625 高溫合金，內(nèi)部預(yù)制了不同尺寸凸出立方體多余物和線形多余物。

（2）對 GH3625 高溫合金燃燒室模擬件進(jìn)行 CR 檢測，按 GB/T 26642-2022 標(biāo)準(zhǔn) A 級檢測要求進(jìn)行透照。結(jié)果表明，最小可檢出設(shè)計尺寸為 0.15 mm 的凸出立方體多余物和絲徑為 0.1 mm 的線形多余物，設(shè)計尺寸≤0.1 mm 凸出立方體多余物存在漏檢。

（3）對 GH3625 高溫合金燃燒室模擬件進(jìn)行顯微CT 檢測，成像分辨率達(dá)到 30 μm。結(jié)果表明，設(shè)計尺寸為 0.08～0.20 mm 的凸出立方體多余物均被檢出，并對多余物進(jìn)行尺寸測量分析，凸出立方體多余物平均測量 尺 寸 普 遍 大 于 設(shè) 計 尺 寸 ，絕 對 誤 差 最 大 不 超 過

50 μm，凸 出 立 方 體 多 余 物 缺 陷 最 小 檢 出 尺 寸 為0.1 mm，線形多余物缺陷測量值基本與標(biāo)準(zhǔn)尺寸一致，可檢出最小絲徑為 0.1 mm。

（4）通過 CT 進(jìn)行流道壁厚測量與均勻性分析，結(jié)果顯示寬段流道均勻性良好，CT 測量尺寸與實際測量尺寸誤差小于 0.16 mm。

【作者團(tuán)隊介紹】

劉玲玲，女，1989年9月出生，博士畢業(yè)于天津大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，講師，碩士生研究生導(dǎo)師。2019年3月入?yún)⒓庸ぷ�，一直從事射線檢測與人工智能交叉融合、太赫茲無損檢測的教學(xué)和科研工作。主持國家自然基金1項，主持省部級課題1項，橫向課題多項。

【引用格式】
中文：布樹鵬, 敖波, 宋鴻玉, 劉玲玲, 劉海強.增材制造流道多余物X射線成像檢出能力研究[J].特種鑄造及有色合金，2024，44（9）：1213-1217.

英文：BU Shupeng1, AO Bo1, SONG Hongyu1, LIU Lingling1, LIU Haiqiang2.X-ray Imaging Detection Capability of Residues in Additive Manufactured Channels[J].Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（9）：1213-1217.