空心涡轮叶片中残芯的定量评价
高祥熙 1,2,3， 尹 伟 4， 顾国红 1， 张鸣雷 1
（1. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；
3. 中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室，北京 100095；
4. 中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900）
[摘 要]航空发动机空心涡轮叶片的铸造成形过程中的每个步骤都需要极其严格的质量控制，残芯评价也是必不可少的环节。基于浸泡法深入研究空心涡轮叶片中残芯的结构特征及其中子检测能力。结果表明：冷中子照相可以清晰分辨0.2 mm 厚、经Gd 元素标记的残芯，这种高灵敏度检测特性取决于残芯所吸收Gd 元素的含量，与残芯的疏松多孔性、浸泡溶液的可达性及内腔的复杂性密切相关；单面胶片的图像质量最优，有利于残芯定量评价的准确性；浸泡法存在一定的可靠性问题，但适用于脱芯后疏松残芯的中子照相。[关键词]空心涡轮叶片； 残芯； 浸泡法； 中子照相
[中图分类号] TG115.28；TG115.21 [文献标志码] A doi ：10.3969/j.issn.1673-6214.2021.02.007[文章编号] 1673-6214(2021)02-0119-05
Quantitative Evaluation on Residual Cores in
Hollow Turbine Blades
GAO Xiang-xi 1,2,3，YIN Wei 4，Gu Guo-hong 1，ZHANG Ming-lei 1
(1. AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China ；
2. Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China ；
3. Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Aero Engine Corporation of China, Beijing 100095, China ；
4. Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621900, China)Abstract: Stringent quality control is required necessarily in each step of casting process of aeroengine hollow turbine blade, where an evaluation on residual cores is also an indispensable link. Bad on the immersion method, the structure characteristics and neutron detection ability of residual cores in hollow turbine blades were studied in this paper. The results show that residual cores with thickness of 0.2 mm and marked by Gd element can be clearly distinguished for cold neutron radiography. This high-nsitivity detection characteristic depends on t
he content of Gd element absorbed by residual cores, which is cloly related to the porosity of residual cores, the accessibility of immersion solution and the complexity of inner cavity. The single-sided film shows the best image quality that is favorable to the accuracy of quantitative evaluation on residual cores. The immersion method does have some reliability problems, whereas it is suitable for neutron photography of porous residual cores after leaching.Key words: hollow turbine blades; residual cores; immersion method; neutron radiography
0 引言
在这个科技爆炸的时代，国防科技工业和武器装备建设取得飞速的跃升。随着航空发动机技术的发展，高温合金叶片的工作环境越来越苛刻，单晶空心叶片用陶瓷型芯的制备成为高性能发动机涡轮空心零件的瓶颈技术，也是航空发动机发展的关键技术之一[1-2]
。熔模铸造制备高温合金空心涡轮叶片时使用陶瓷型芯形成叶片的内腔。当叶片成形后，采用物理、化学或物理-化学相结合
的脱芯方法对陶瓷型芯进行脱除[3-4]
。无论采用何种方法，脱芯液组成、脱芯时间长短及脱芯操作循环次数等常常是由经验决定的，在脱
芯过程中很难确定叶片内腔的陶瓷型芯是否已经全部脱除。为了确认脱芯效果，并决定哪些叶片需要继续作
[收稿日期] 2020 年 12 月 2 日 [修订日期] 2021 年 1 月 11 日
[基金项目] 国家自然科学基金（51505449）；中国航发自主创新专项基金（CXPT-2019-039）
[作者简介] 高祥熙（1986年−），男，工程师，主要从事高温合金等中的残芯无损检测以及增材制造材料的缺陷表征等方面的研究。
2021 年 4 月第 16 卷 第 2 期
失效分析与预防
April ，2021Vol.16，No.2
脱芯处理，必须对残芯进行评价。此外，残芯还会影响叶片工作过程中气流的正常流动，并且可能堵塞叶身上用于冷却的气膜孔，造成叶片局部超温而导致叶片失效，对发动机造成致命损伤。针对叶片的质量控制，内窥镜法操作便捷，柔性探头便于探入内腔中观察残芯的形貌及位置，但复杂结构叶片的迂回内腔限制了该方法的进一步应用。X射线照相法[5-6]和中子照相法[7]作为残芯检测的2种适用方
法，其检测能力受到射线衰减材料、残芯材料、叶片厚度及成像技术等多种因素影响，其中射线衰减材料的引入至关重要。射线衰减材料的引入通常有2种方式：1）采用衰减材料的水溶液浸泡对残芯进行标记（浸泡法）；2）采用衰减材料的氧化物直接掺入型芯坯料（掺杂法）。对于X射线照相法，引入的衰减材料要达到相当高的含量才能实现残芯的高灵敏度检测[8]，这种衰减材料相当于杂质，对型芯铸造性能的影响不可预见，更难以实现工程化应用。而中子照相法花费的代价微乎其微，只需要引入少量中子射线高衰减材料（如Gd元素）就可以实现残芯的高灵敏度检测，该方法目前已被证明是残芯检测最有效的方法[9-10]。
1956年，Thewlis[11]利用核反应堆、铟转换屏和胶片照相技术获得了第一批飞机发动机零件的中子照片。随着中子照相法推广到航空发动机空心涡轮叶片的检测领域，引入衰减材料的浸泡和掺杂技术获得了研究及广泛应用，并实现了毫米级残芯的热中子成像[12]。基于掺杂法的对比试样法在残芯的定量评价方面可靠性高，达到了厚度为0.2 mm的残芯检测能力，而采用浸泡法标记处理0.2 mm小钢球用于热中子成像，解决了其余2个方向上残芯的定量评价难题[13]，但是这2种残芯定量评价的准确性都必须基于优异的图像质量。另外，浸泡法无需改变陶瓷型芯成分，相比于掺杂法具有较大的应用潜力，但该方法的可靠性受制于多种因素，例如溶液浓度及清洗等，影响机理并未开展深入研究。
本研究采用浸泡标记的型芯开展冷中子照相研究，分析残芯结构特征对Gd元素吸收和检测能力的影响，同时观察不同成像技术下的图像质量，实现基于脱芯工艺的真实残芯的定量评价。
1 实验材料与方法
图1a为用于中子照相的型芯，硅基材料的型芯分别采用磨具压制和3D打印成形，左侧为压制型芯，右侧为打印型芯，该型芯在质量分数为10%的Gd(NO3)3溶液中浸泡6 h，烘干后破碎，采用铝胶带粘贴在尺寸结构差异较大的2种空心涡轮叶片（WS1、WS2）表面（图1b），用于模拟叶片内腔中的残芯。每种叶片表面包含3列型芯，分别位于叶身不同的结构和壁厚上，用于验证中子照相的检测盲区，其中每一列包含3个型芯，厚度分别为0.2、0.3、0.4 mm。图1c为二次脱芯后的批量空心涡轮叶片，用于验证经过脱芯工艺后真实残芯的中子照相结果及其解剖形貌特征。图1d 为空心涡轮叶片试样WS2的X射线透照结果，电压为125 kV，电流为30 mA，曝光时间为1 min，并未发现任何型芯显示。
2 空心涡轮叶片试样的中子照相
图2为空心涡轮叶片试样的冷中子照相结果，采用D3-SC型单面胶片曝光30 min。图2a、图2c中白色箭头所指为经过浸泡的压制型芯，在叶身的透照图像上均能发现位于不同结构和壁厚
(a) Presd cores (left) and printed cores (right)
(c) Batch hollow turbine blades
after condary core leaching
(d) X-ray radiography of
blade WS2
(b) Reference specimens of
hollow turbine blade
WS1
WS2
图 1 试验用空心涡轮叶片及X射线照相结果
Fig.1 Hollow turbine blades for testing and X-ray radiographic result
120失效分析与预防第 16 卷
上的型芯显示，表明空心涡轮叶片残芯的检测灵敏度达到了0.2 mm ，同时不存在检测盲区。但是，图中不同厚度型芯之间的对比度不尽相同，这与型芯结构及其所吸收Gd 元素含量密不可分。型芯中Gd 、Si 元素的中子吸收系数分别为1190、
0.096 cm −1
，二者吸收系数的差异将在中子图像上形成明显的对比度差异，考虑到基体中Ni 元素的
中子吸收系数为0.42 cm −1
；因此，中子图像中型芯的对比度差异取决于Gd 元素含量。
图3为压制型芯的结构和Gd 元素分析结果。由此可知，压制成形的型芯内部为疏松的连通性多孔结构（图3b ），且表面粗糙不平、含有大量开口的孔洞（图3c ），这种结构增加了表面的活性，有利于Gd 元素的吸附和扩散。图3d 为型芯表面的Gd 元素分布，表明该浸泡工艺使得Gd 元
素得到了较好的吸附，但是在型芯不同表面位置上Gd 元素的扩散程度差异较大，例如，图3a 中Gd 层的最大厚度和最小厚度分别约为80、30 μm ，这种情况无法避免，也是导致中子图像上型芯对比度差异的关键因素。另外，图2c 中有2处型芯显示未发现，这可能是由于浸泡过程中型芯之间的互相遮挡导致型芯表面未接触到Gd(NO 3)3溶液。
图2b 、图2d 中均未发现打印型芯的任何显示，表明型芯中不含Gd 元素。经过对打印型芯的结构和表面元素分析可知，该型芯内部较为密实，只含有少量的分散性孔洞（图4b ），且表面较为光滑、平整（图4c ），该结构阻碍了Gd 元素的表面吸附及扩散。另外，在工业CT 检测中发现型芯中存在密集的
亮点（图4a ），经过能谱分析可知，该亮点中Zr 的质量分数达到37.35%（图4d ），表明这2种
(a) Presd cores blade (WS1)(b) Printed cores blade (WS1)(c) Presd cores blade (WS2)(d) Printed cores blade (WS2)
图 2 空心涡轮叶片试样的中子照相结果
Fig.2 Neutron radiographic results of reference specimens of Hollow Turbine Blade
(a) Longitudinal ction 80 μm 30 μm 150 μm
(b) Cross ction of Surface holes
20 μm
(c) SEM image of (d) Gd element distribution
core via μCT
core surface
图 3 压制型芯的结构及Gd 元素分析结果
Fig.3 Structure of presd core and analysis results of Gd element
(d) Zr element distribution
20 μm
(a) Longitudinal ction 150 μm
Disperd holes
(b) Cross ction of of core via μCT
core via μCT
(c) SEM image of core surface
图 4 打印型芯的结构及表面元素分析结果
Fig.4 Structure of printed core and analysis results of surface element
第 2 期
高祥熙，尹 伟，顾国红，等: 空心涡轮叶片中残芯的定量评价121
工艺成形的型芯之间化学成分存在差异，考虑到Zr元素的中子吸收系数为0.346 cm−1，所以并不会对中子照相结果产生影响。
综上所述，空心涡轮叶片进行中子照相时，需要采用浸泡工艺对残芯进行Gd标记，残芯的检测能力取决于所吸收的Gd元素含量，这与残芯自身结构密不可分，文献[13]中所述检测能力受到溶液浓度和清洗的影响，二者存在一定差异。另外，浸泡工艺中多种叠加因素不可避免（如浸泡工艺及残芯结构等），降低检测可靠性。
3 不同成像技术的图像质量
残芯的检测能力越高，越有利于空心涡轮叶片的质量控制，但在透照图像上残芯定量评价的准确性取决于优异的图像质量。中子图像的获取离不开核反应堆、检测参数及成像系统等，在其他因素可固定的情况下，中子图像的质量主要取决于成像技术。目前，成像技术主要包括胶片照相和CCD 数字成像。试验采用上述反应堆冷中子照相装置，在其他条件保持一致的前提下，分别采用单面胶片、双面胶片及CCD相机对空心涡轮叶片试样WS1进行成像，结果如图5所示。采用直接曝光法分别在单面胶片和双面胶片成像（图5a、图5b），曝光时间分别为30、20 min。2种胶片在颗粒度上虽然存在差异，但在图像上均能观察到型芯显示，颗粒度较细的单面胶片图像上叶片细节结构和型芯的清晰度都
略优于双面胶片。然而CCD相机的像素尺寸较大，约为200 μm，在优化参数下获得的数字图像（图5c）上，叶片细节结构和型芯显示更加模糊，直接影响了结果判断，同时型芯与材料的边界难以分割，降低了尺寸测量的准确性。
4 中子图像上残芯的结构特征
经过脱芯后的空心涡轮叶片中残芯的存在现状非常复杂，无论怎样定量评价对比试样，都不能完全复现所有实际情况。试验采用2次脱芯后的批量空心涡轮叶片，经过浸泡工艺对残芯进行Gd标记，获得典型残芯的中子照相及解剖结果，见图6、图7。由此可知，残芯多存在于不利于脱除的内腔拐角位置，对于狭窄且复杂的内腔（WS1叶片）同样不利于型芯的脱除，特定腔道中型芯残留较多，在实际脱芯工艺中可能需要更多次有效的脱芯；另外，中子图像上残芯的对比度也存在一定的差异，这与残芯结构及浸泡程度导致所吸收Gd元素含量相关，与前述证明的结果一致。在脱芯后，中空的贴壁残芯（图6c、图6d、图6g）或腔底的疏松残芯（图7）便于Gd(NO3)3溶液可达，达到了Gd元素充分吸附及扩散目的，实现了残芯的高灵敏度检测，但对于大块残芯可能堵死整个内腔（图6h），浸泡后只有边缘清晰显示（图6a），降低了检测的可靠性。
5 结论
1）采用浸泡工艺对残芯进行Gd元素标记有利于提高残芯的中子照相检测灵敏度，实现了厚度为0.2 m
m的残芯定量评价，该检测能力取决于残芯所吸收的Gd元素含量，浸泡参数、溶液浓度及清洗等固然会对Gd元素的吸收产生影响，但残芯结构起着决定性作用。
2）浸泡法适用于脱芯后疏松残芯的中子照相检测，但存在检测可靠性问题，脱芯后残芯多存在于
(a) D3-SC single-emulsion film(b) MX125 double coated film(c) CCD camera
图 5 不同成像技术获得空心涡轮叶片试样WS1的中子照相结果
Fig.5 Neutron radiographic results of hollow turbine blade specimen WS1 obtained by various imaging techniques
122失效分析与预防第 16 卷
内腔的拐角部位，在脱芯和检测过程中应重点关注。
3）胶片的图像质量优于CCD 数字成像，有利于残芯定量评价的准确性。
参 考 文 献
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[13] 1 mm
1 mm
5 mm
I II
1 mm
1 mm
5 mm III IV
(a) Neutron radiography (WS1-1)
(b) Cross ction
(c) Section I
(d) Section II
(e) Neutron radiography (WS1-2)
(f) Cross ction
(g) Section III
(h) Section IV
图 6 空心涡轮叶片WS1的中子照相及解剖结果
Fig.6 Neutron radiography and machined results of hollow turbine blades WS1
1 mm
1 mm
5 mm I
II (a) Neutron radiography (WS1-1)
(b) Cross ction
(c) Section I
(d) Section II
图 7 空心涡轮叶片WS2的中子照相及解剖结果
Fig.7 Neutron radiography and machined results of hollow turbine blades WS2
第 2 期
高祥熙，尹 伟，顾国红，等: 空心涡轮叶片中残芯的定量评价123
