增材制造發(fā)動機燃燒室流道多余物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)動機中技術難度最大的部件之一，其內部有復雜的燃料流道,，一般采用激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting,， SLM）技術制造，材料為 GH3625 高溫合金,。由于增材制造工藝復雜,，燃燒室成形后容易產生孔隙、裂紋,、未熔粉末顆粒,、熔合不良等內部缺陷，流道內還可能存在多余物,，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致壁厚變化,。

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

【全文導讀】
南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室聯(lián)合中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司研究團隊在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雜流道的燃燒室模擬件,，流道內部預制了不同尺寸的凸出立方體多余物,，并放置一組標準尺寸金屬絲模擬線形多余物。采用計算機射線照相（Computed radiology,， CR）和顯微計算機層析成像（Computed tomography,， CT）對試樣進行檢測，研究X射線成像方法對增材制件內部流道多余物的檢測能力,，并采用顯微CT對流道壁厚進行分析與評估,。結果表明，CR可檢出最小設計尺寸為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尺寸測量結果顯示，線形多余物測量尺寸與標準尺寸一致,，凸出立方體多余物測量尺寸普遍大于設計尺寸,，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，采用自主設計的S310型激光選區(qū)熔化增材制造系統(tǒng)制備內部流道試樣,，模擬超燃沖壓發(fā)動機燃燒室流道結構,。表1為GH3625合金的化學成分，圖1為增材制造內部流道試樣CAD設計剖面圖與實物圖,。試樣尺寸：外徑為80mm,，壁厚為5mm，高為100mm,；內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,；窄段每條流道內部預制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,；寬段流道內部放置7根鎳標準絲型像質計（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10~16,。

圖1 流道試樣設計圖與實物圖

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,，采用小焦點射線機進行CR檢測，可有效檢測出其內部缺陷,；采用顯微CT檢測流道多余物并進行尺寸測量,。

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 ，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°范圍內共獲得3059張投影圖像，成像分辨率為30μm,。

2 試驗結果與分析

2.1 CR結果與分析

對GH3625高溫合金SLM增材制造流道試樣進行CR試驗,，結果見圖3，其中圖3a箭頭處為識別出的預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,。可以看出,，CR試驗能夠檢出最小設計尺寸為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部結構，有利于多余物缺陷的定位和定量,，同時可對流道壁厚進行分析,。

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果，圖4b中箭頭處為凸出立方體多余物,�,？梢钥闯觯�設計尺寸為0.08～0.20mm,，所有預制立方體多余物均被檢出,。

為了進一步分析顯微CT對立方體多余物缺陷檢出能力，選取圖4a中4個流道進行多余物尺寸分析,，對其凸出方向的最大距離進行測量,。表2為4個流道內部1～10號凸出立方體多余物設計尺寸、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計尺寸,，1～10號立方體多余物的絕對誤差在20～50μm范圍內,，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絲號,。可以看出,，CT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)，且當金屬絲緊貼內壁時,，尺寸小的線形多余物檢測困難,，需要將多張切片圖像進行對比和圖像處理才能觀察到。線形多余物測量值與標準絲徑基本保持一致,，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 和內部流道容易產生變形，需要進行壁厚均勻性分析,。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)內壁輪廓不清晰，主要是GH3625合金密度高,、復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致。對外徑和流道進行尺寸測量,，外徑為79.4mm,，不同流道CT測量結果存在差異。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 分析復雜流道壁厚。

圖7 內部流道壁厚均勻性分析

【主要結論】
（1）采用 SLM 工藝制造含復雜流道的燃燒室模擬件,，材質為 GH3625 高溫合金,，內部預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行 CR 檢測,，按 GB/T 26642-2022 標準 A 級檢測要求進行透照,。結果表明，最小可檢出設計尺寸為 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行顯微CT 檢測，成像分辨率達到 30 μm,。結果表明,，設計尺寸為 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 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準尺寸一致,，可檢出最小絲徑為 0.1 mm。

（4）通過 CT 進行流道壁厚測量與均勻性分析,，結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。

【作者團隊介紹】

劉玲玲,，女,，1989年9月出生，博士畢業(yè)于天津大學儀器科學與技術專業(yè),，講師,，碩士生研究生導師。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.