王倩妮 1,2， 郭广平 1,2， 顾国红 1， 唐 彬 3， 尹 伟 3， 陈子木 1,2， 张建合 1,2
（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. 中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900）
[摘 要]空心涡轮叶片是航空发动机最重要的热端部件之一，叶片内腔若存在残余型芯将严重影响冷却效果，导致叶片过热而提前失效，对发动机造成致命损伤。常用无损检测方法由于检测范围无法覆盖完整叶片或检测灵敏度不足等原因，无法有效检出叶片内腔残芯。中子照相检测与X 射线照相检测原理类似，但衰减特性迥异，使其检测叶片残余型芯成为可能。国外叶片制造企业自1970年代就开始采用中子照相技术检测叶片残芯，并建立企业标准；我国相关研究工作不足10 a ，虽然目前已在某些发动机叶片上开展试验性应用，但缺少检测标准和中子源资源不足等问题亟待解决。
[关键词]航空发动机； 涡轮叶片； 残余型芯； 中子照相； 无损检测
[中图分类号] TG115.28 [文献标志码] A doi ：10.3969/j.issn.1673-6214.2021.01.008[文章编号] 1673-6214(2021)01-0076-07
Neutron Radiography Detection of Residual Core in Turbine Blades
WANG Qian-ni 1,2，GUO Guang-ping 1,2，GU Guo-hong 1，TANG Bin 3，
YIN Wei 3，CHEN Zi-mu 1,2，ZHANG Jian-he 1,2
小型航空发动机(1. AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China ；
2. Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and evaluation, Beijing 100095, China ；
3. CAEP Institute of Nuclear Physics and Chemistry, Sichuan Mianyang 621900, China)
Abstract: Hollow turbine blade is one of the most important hot end components of aero-engine. The residual core produced in the blade manufacturing process will seriously affect the cooling effect, which will lead to blade overheating and premature failure,causing fatal damage to the engine. The common non-destructive testing methods cannot detect the residual core in hollow blades effectively because the detectable area cannot cover the whole blade or the detection sensitivity is insufficient. The principle of neutron radiography is similar to that of X-ray radiography, but the attenuation characteristics are quite different, which makes it possible to detect the residual cores. Neutron radiography has been used to detect the residual core in turbine blades s
ince 1970s abroad and related company standards have been established. The research work in China is less than 10 years, although experimental application has been carried out on some blades, the problems of lack of inspection standards and neutron source resources need to be solved.
Key words: aero engine; turbine blade; residual core; neutron radiography; nondestructive testing
0 引言
航空发动机是飞机的“心脏”，涡轮叶片在发动机工作时承受高温、高载荷、高转速、复杂应力、燃气腐蚀，是发动机中工作条件最为苛刻的核心和关键的部件。航空发动机涡轮叶片采用近净
形熔模精密铸造工艺[1]
，包括制芯、制模、制壳和浇注等工序[2]
（图1）。首先制作与叶片内部空腔结构一致的陶瓷型芯，蜡模包裹型芯并压制成叶片的形状；蜡模与浇道系统组成模组，其上涂覆多层耐高温的陶瓷浆料，固化干燥后，结成铸型；然后使熔模熔化流出，铸型经高温焙烧，注入液态金属并冷却成形，再使用物理和化学的方法去除型壳和内腔的陶瓷型芯，得到叶片铸件。
随着发动机前口温度的不断提高，为了达到
[收稿日期] 2020 年 12 月 2 日 [修订日期] 2021 年 1 月 25 日
[作者简介] 王倩妮（1984年−），女，工程师，主要从事航空零件射线检测等方面的研究。
2021 年 2 月第 16 卷 第 1 期
失效分析与预防
February ，2021Vol.16，No.1
良好的冷却效果，航空发动机空心叶片内腔越来越复杂[3]，当前普遍采用的脱芯方法都无法保证型芯的完全去除，导致残余型芯的产生[4]。残余型芯影响涡轮叶片工作过程中气流的正常流动，降低冷却效果；在高温下可能与叶片发生化学反应，降低叶片的高温抗蠕变能力[3]；可能堵塞叶身上用于冷却的气膜孔（数以百计，直径为0.3~0.5 mm），造成叶片局部超温而导致工作叶片失效；因此，叶片上的残余型芯是航空发动机运行的重大安全隐患，残余型芯能否有效检测对发动机的安全服役至关重要。
1 航空发动机叶片残余型芯检测难题幻世录2隐藏物品
由于残余型芯对航空发动机叶片安全使用影响巨大，因此叶片技术条件中通常要求不允许存在残余型芯。目前，叶片残余型芯常用检测手段包括内窥镜目视检测法和X射线照相检测法，有时也用工业CT检测，但以上方法均存在一定的局限性。
内窥镜目视检测法是将柔性的光纤内窥镜伸入叶片内部腔道，一部分光导纤维将照明光传输至光纤镜的末端，照亮检测区域，其他光导纤维将观测到的图像传回，检测者可以通过目镜或是显示器看到这些图像（图2）。该检测方法适用于检测内腔结构简单的空心叶片，对于内腔结构复杂的叶片，光导纤维只能到达有限的区域进行检测，存在较多检测“盲区”。
X射线照相检测是利用X射线对于不同成分、密度、厚度的被检工件存在吸收或散射特性差异，胶片接收穿透工件后的X射线进行成像，由此判断被检工件的质量、尺寸、特性。使用X射线照相检测技术检测叶片残余型芯时，是否可检出与叶片厚度、型芯的密度和尺寸相关。目前，航空发动机熔模铸造空心叶片常用陶瓷型芯材料为氧化硅系列和氧化铝系列，密度较小，通常为2.1~ 3.0 g/cm3[5]，理论上10 mm厚的DD6单晶高温合金试块上大概能够分辨出0.5 mm厚的残余型芯[6]，但是实际检测中，由于零件厚度变化较大，残余型芯的大小、位置、厚薄是千变万化的，用普通的X射线照相检测在底片上很难产生残余型芯显示[7]。在叶片内腔填充金属粉末后再进行X射线检测，可明显提高底片上残型显示的对比度[3]（图3）。
(a) Core (b) Investment pattern
(c) Module(d) Shell
(e) Casting
图 1 发动机高压涡轮叶片的型芯、蜡模、模组、壳型和铸件[3]
Fig.1 Core, investment pattern, Module, shell and casting of high-pressure turbine blade of and aeroengine[3]
图 2 工业内窥镜得到的叶片内部残余型芯影像
Fig.2 Image of residual core in blade obtained by industrial endoscope
第 1 期王倩妮，郭广平，顾国红，等: 航空发动机叶片残余型芯中子照相检测77
但是这种射线检测补偿技术仅适用于内腔结构相对简单的叶片，对于内腔复杂，特别是整铸堵盖的叶片，金属粉末的充分填充和清除均存在困难，限制了该方法的使用。
工业CT 检测技术是射线检测技术的一种，通过获取多幅射线穿透物体后的投影图像、进行图像重建，可以得到物体截面的密度分布图像（图4）。工业CT 检测使用的射线源多为X 射线，受型芯密度低的影响，小尺寸（小于0.5 mm ）残余型芯难以检测；另外，工业CT 图像的叶片边缘存在部分体积效应，使紧贴于叶片内壁的残余型芯的识别存在困难。
因此，寻有效检测航空发动机叶片残余型芯的无损检测方法，是困扰国内航空叶片制造业多年的难题。
2 中子照相检测残余型芯的原理
中子照相检测属于射线检测一种，与传统的X 射线检测类似，利用中子穿过被检测物体后强
度发生衰减，成像装置（胶片或探测器）接收变化后的中子，得到被检测物体内部结构或缺陷的图像。中子与物质的相互作用，其衰减也服从指数衰减规律，即：
I 0I T µ式中：为入射射线强度，为透射射线强度，为射线穿透检测零件的厚度，为线衰减系数。
中子穿透物质时衰减系数的变化完全不同于X 射线，在穿透能力、对原子序数相近元素的检测分辨能力有其他无损检测方法所不具备的独特优势，得到的检测图像也与X 射线完全不同[9]
。X 射线与物质的相互作用，是X 射线光子与原子、原子的电子或原子核的相互作用，其衰减系数除与射线能量相关外，与射线所穿过物质的原子序数有关，通常物质的原子序数越大，密度越大，其衰减系数越大。中子与物质的相互作用，最基本、最重要的是中子与物质原子核的相互作用；由于中子不带电，不受原子电场的影响，在与原子核发生相互作用之前，都不会受到阻碍，所以中子的穿透力很强；不同元素原子核对不同能量中子的反应（截面）关系非常复杂，因此中子的衰减系数与原子序
数没有确定的函数关系，也没有明显的规律性[10-11]
。
中子按能量可以分为冷中子（<0.01 eV ）、热中子（0.01~0.50 eV ）、慢中子（0.50~10.00 eV ）、快
中子（10.00~2.00×106
第一次世界大战地图
eV ）和相对论中子（>2.00×106 eV ）[9]
，通常用于照相检测的是快中子、热中子和冷中子，其中以热中子照相检测应用最为广泛。常见的热中子源的性质和特征见表1。图5为不同元素的热中子和X 射线的质量衰减系数对比，其中中子能量为0.025 eV ，X 射线能量为125 kV 。可以看出，热中子对H 、B 、Li 等轻元素和Gd 、Sm 、Eu 等稀土元素的质量衰减系数很大，而对Fe 、Pb 、Cu 、Ni 等大部分金属质量衰减系数较小。
航空发动机叶片常用材料为镍基或钴基高温合金，型芯材料主要为Al 2O 3 或SiO 2，Al 、Si 的热中子质量衰减系数均不大，直接进行中子照相残芯检测灵敏度不高。在使用中子照相技术检测叶片残芯时，检测前须使用对热中子衰减系数较大的元素（通常为Gd ）对型芯材料进行标记，以提高型芯材料的质量衰减系数，提高其在图像上的对比度。
常用的“标记”方法有掺杂法和浸泡法。掺杂法是在叶片型芯中混入一定质量分数（通常不高
图 3 填充铁粉后空心叶片残余型芯X 射线检测图像
[8]
Fig.3 X-ray image of residual core in hollow
blade filled
wiley期刊
with iron
powder
[8]
图 4 工业CT 检测叶片残余型芯图像Fig.4 CT Image of residual core in turbine blade
78
失效分析与预防第 16 卷
于3%）的Gd 2O 3作为示踪剂；浸泡法是使用Gd 盐溶液浸泡叶片，使Gd 盐渗入松散的残余型芯中作为示踪剂。为了对比2种“标记”方法对残芯检测
效果的影响，TSUKIMURA 等[13]
设计试验，使用反应堆中子源对型芯材料和高温合金材料试块进行中子照相。实验结果表明，与未经“标记”的型芯、掺杂质量分数为1%的Gd 2O 3型芯和浸泡法处理的型芯相比，掺杂质量分数为3%的Gd 2O 3型芯在中子照相底片上对比度提高最明显（图6）；同时指出，经掺杂法或浸泡法标记后，中子照相检测最小可检出尺寸为0.033 cm 的型芯，相当于50 mg 的型芯材料球体。
3 中子照相检测残余型芯技术的发
展和应用
1932年，剑桥大学的Chadwick 发现中子射线；1935年Ra-Be 中子源和小型加速器中子源相继出现；1946年至1947年中子照相图片开始出现；1956年，在英国Harwell 的8MW BEPO 反应堆
上Thewlis 等才得到了优质的中子照相图片[11]
，并在1965年前后开始进行早期的应用探索，如检测
放射性核燃料；1968年开始，国外的一些公司或试验室的设施就开始提供中子照相检测的商业服务，最早提供此类服务的是通用电气公司的Vallecitos
中心和Aerotest 公司的TRIGA 型反应堆[14]
，欧洲一些国家实验室的反应堆也提供中子照相服务，比如法国的Fontenay-Aux-Roses 和英国的Harwell 无损检测中心等；1970年开始美国航天局、美国海军、美国空军开始使用中子照相技术进行产品检测。
在1976年之前，通用汽车公司就将中子照相技术用于铸造涡轮叶片的残余型芯检测，图7为
表 1 热中子源的性质和特征
[12]
Table 1 Properties and characteristics of thermal-neutron sources
[12]
Type of source
Typical radiographic
intensity /(n•cm −2
•s −1
)Spatial resolution
Exposure time Characteristics
Radioisotope 101
~
104
Poor to medium Long
Stable operation, low-to-medium investment cost, possibly movable
Accelerator 103~106Medium Average On-off operation, medium cost, possibly movable
Subcritical assembly 104~106Good Average Stable operation, medium-to-high investment cost, movement difficult Nuclear reactor
105~10
8
Excellent
Short
Medium-to-high investment cost, movement difficult
210−1−2−3−4
102030405060708090100
Atomic number
Neutrons (λ=1.08 A)
°
X-rays (λ=0.098 A)°
H B Li
Be N C O F Cl Na
Mg Al S Cr V Cu Fe Ni Co Sc Zn Zr Mo Sn Ag Rh In Xe Ru
Y
Kr
A Ne
Bao Ce
Ho Os W Tl Bi Pt Pb Th
珍妮特 李U
Hg Au Dy Cd
Gd Sm Eu
图 5 不同元素的中子射线和X 射线的质量衰减系数
[12]
Fig.5 Mass attenuation coefficients of neutron and X-ray for different
elements
[12]
0.1
0.20.30.40.50.6
Wedge thickness /cm
Untreated Tagged
3%Gd 2O 3
图 6 中子照相底片上楔形型芯不同厚度的黑度变化
[13]
Fig.6 Optical density of wedge cores with different thickness on
neutron radiographs
[13]
图 7 通用汽车公司使用中子照相检测残芯的叶片
[15]
Fig.7 Blade using neutron radiography to detect residual cores of
General Motors
[15]
第 1 期王倩妮，郭广平，顾国红，等: 航空发动机叶片残余型芯中子照相检测
79
当时检测的叶片照片，图8为中子照相检出的残余型芯，而这些残余型芯X射线照相均未检测出[15]。美国Aerotest公司从上世纪80年代开始也一直使用中子照相检测涡轮叶片的残余型芯[16]。
台湾核能研究院自1989年起开始在反应堆上进行中子照相检测，该研究院最初使用掺杂法对叶片型芯进行“标记”，在型芯材料中添加1.5%~3%（质量分数）的Gd2O3（99.9%纯度）；后来研究了多种浸泡“标记”工艺，如在高温高压下使用硝酸钆溶液浸泡叶片，取得了较好的效果，并有效将检测周期从10 d缩短至2 d。该研究院对其超过1000件经掺杂法处理和5000件经浸泡法处理叶片的中子照相检测结果进行统计，掺杂法的残余型芯实际检测灵敏度为0.3 mm，浸泡法则为0.1 mm[17]。印度Indira Gandhi原子研究中心采用
掺杂法对型芯进行标记后，使用反应堆中子源进行叶片残余型芯检测，取得了较好的检测效果[18]。
经过数十年的发展，中子照相检测叶片残芯的技术日趋成熟，世界主要发动机公司，如GE公司、普惠公司、霍尼韦尔公司均建立了相关的企业标准，要求使用反应堆中子源检测叶片残芯。加拿大NRAY公司通过了GE公司、普惠公司、霍尼韦尔公司的认证，并长期提供中子照相检测航空发动机涡轮叶片残芯的服务。图9为该公司检测涡轮叶片的中子照相图像，其中左侧叶片内腔有残余型芯，在底片上为白显示[19]。
我国的中子照相技术研究工作始于20世纪60年代初，但是很长一段时间都未用于航空叶片检测；2011年，杨芬芬等对使用中子照相检测空心叶片内部微量残余型芯开展了探索性研究[20]。2012年起，北京航空材料研究院得到国家科技部重大仪器专项项目的支持，利用绵阳中国工程物理研究院的中子成像系统，开展叶片残余型芯中子成像检测技术研究，并取得了一定的成果。
北京航空材料研究院对比了掺杂法和浸泡法2种示踪剂添加方法的检测效果，分析了型芯中掺杂不同质量分数的Gd2O3对型芯性能的影响，认为在型芯中掺杂1.5%~3%（质量分数）的Gd2O3可以达到比较好的残芯检出效果，同时不对型芯性能产生明显影响。随后以型芯材料中掺杂了Gd2O3的叶片作为典型件，分别使用反应堆和加速器中子源、搭配成像装置CCD相机进行中子照相检测试验；反应堆由于其中子注量率高，单次曝光时间仅为20 s，采集了10幅图像进行均值滤波处理后获得质量极佳的叶片残芯图像（图10）；加速器中子源由于注量率比较低，在平衡残余型芯检出效果和检测效率之后，将单帧图像曝光时间设置为8 min，采用多帧时间滤波技术优化图像质量，总的曝光时间约2 h，最终
获得了残芯清晰的图像（图11）；图12是同一叶片分别使用反应堆和加速器中子源得到的图像，加速器中子源检测图像噪声较大，
长女的婚事第二部
图 8 通用汽车公司中子照相检测叶片残芯的图像[16]
Fig.8 Neutron radiograph of residual core in blade of General Motors[16]
图 9 加拿大NRAY公司叶片中子照相检测图像[19]
Fig.9 Neutron radiograph of residual core in blade from NRAY in
Canada[19]
80失效分析与预防第 16 卷
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