對(duì)于海洋或沿海地區(qū)工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其高溫結(jié)構(gòu)表面易沉積硫酸鹽（主要為NaCl、Na2SO4或V2O5等的混合物）。在高溫作用下，硫酸鹽容易引起一種被稱(chēng)為“熱腐蝕”的加速損傷模式，從而使得高溫合金表面容易萌生裂紋，最終導(dǎo)致高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降和壽命降低。最近幾年，連續(xù)出現(xiàn)多起因高溫結(jié)構(gòu)熱腐蝕導(dǎo)致的葉片斷裂故障。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，可通過(guò)考慮熱腐蝕因素的安全壽命設(shè)計(jì)或損傷容限設(shè)計(jì)來(lái)保障高溫結(jié)構(gòu)的安全性；在運(yùn)行維護(hù)階段，為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本并提高其可用性，需要提供經(jīng)濟(jì)和安全的外場(chǎng)維護(hù)方案。本文主要關(guān)注后者。目前，外場(chǎng)維護(hù)正處在由定時(shí)維護(hù)逐漸向視情維護(hù)轉(zhuǎn)變的階段。因此，亟待采用主動(dòng)積極的方式對(duì)含熱腐蝕缺陷的高溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)。視情維護(hù)是通過(guò)在線監(jiān)測(cè)或離線檢測(cè)手段獲取航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷程度，以此為發(fā)動(dòng)機(jī)提供最經(jīng)濟(jì)的維護(hù)方案。在線監(jiān)測(cè)的精度較低，難以監(jiān)測(cè)到熱腐蝕缺陷。因此，不得不通過(guò)離線檢測(cè)方法獲得熱腐蝕損傷信息，即在不損傷被檢對(duì)象的情況下，借助聲、電、磁、電磁波、中子、激光等手段檢出缺陷的形態(tài)、大小和數(shù)量，最終建立熱腐蝕損傷程度或其與失效因子（或剩余壽命）的映射關(guān)系。這種方法可以彌補(bǔ)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的不足，從而為航空發(fā)動(dòng)機(jī)視情維護(hù)的進(jìn)行提供更好的支撐。
發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)腐蝕
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10123-2001中對(duì)腐蝕的定義是金屬與環(huán)境間的物理-化學(xué)相互作用，其結(jié)果使金屬的性能發(fā)生變化，并常可導(dǎo)致金屬、環(huán)境或由它們作為組成部分的技術(shù)體系的功能受到損傷。
可從不同角度對(duì)腐蝕進(jìn)行分類(lèi)，若按腐蝕機(jī)理分類(lèi)，可分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、物理腐蝕和生物腐蝕；按是否受力分類(lèi)，可分為無(wú)應(yīng)力作用下的腐蝕和應(yīng)力作用下的腐蝕；按腐蝕形態(tài)分類(lèi)，可分為均勻腐蝕和局部腐蝕。
如圖1所示，均勻腐蝕是指整個(gè)金屬表面均發(fā)生腐蝕；而局部腐蝕即金屬表面局部位置發(fā)生腐蝕，主要包含點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、剝蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕等。
圖1 腐蝕形貌示意圖
航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)中的腐蝕問(wèn)題
航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的熱腐蝕通常可分為Ⅰ型熱腐蝕（高溫?zé)岣g）和Ⅱ型熱腐蝕（低溫?zé)岣g）。一般認(rèn)為Ⅰ型熱腐蝕發(fā)生在800~950 ℃的溫度范圍內(nèi)，此時(shí)沉積鹽為熔融態(tài)，因此，Ⅰ型熱腐蝕的損傷特征是在合金表面產(chǎn)生均勻的腐蝕層，屬于均勻腐蝕；而Ⅱ型熱腐蝕通常發(fā)生在650~800 ℃的溫度范圍內(nèi)，此時(shí)沉積鹽為固態(tài)和熔融態(tài)共存，其顯著特征是形成點(diǎn)蝕坑，屬于局部腐蝕中的點(diǎn)蝕。航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)的熱腐蝕與常溫下有所不同，無(wú)論是腐蝕產(chǎn)物、還是腐蝕機(jī)理均存在差異。如常溫下金屬腐蝕產(chǎn)物可以是金屬氧化物、氫氧化物、硫化物、鹵化物等，而熱腐蝕最終產(chǎn)物主要為金屬氧化物和硫化物。相比于一般腐蝕，熱腐蝕反應(yīng)復(fù)雜，目前典型的Ⅰ型熱腐蝕機(jī)理模型主要有硫化模型、酸堿熔融模型。其中，硫化模型認(rèn)為Ⅰ型熱腐蝕發(fā)生時(shí)，金屬中還原性組分與熔融鹽反應(yīng)還原成硫化物（MS），然后硫化物進(jìn)一步與金屬反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的金屬-金屬硫化物共晶（即M·MS），隨后金屬-金屬硫化物共晶又進(jìn)一步的氧化，生成氧化物（MO）和硫化物，硫化物再次與金屬基體組分形成共晶，形成自催化過(guò)程。酸堿熔融模型則認(rèn)為金屬發(fā)生熱腐蝕時(shí)，表面形成的具有保護(hù)作用的氧化膜在沉積的熔融鹽中發(fā)生酸性（O2-濃度低，熔融鹽呈酸性）或堿性（O2-濃度高，熔融鹽呈堿性）溶解，導(dǎo)致金屬的加速腐蝕。相比于Ⅰ型熱腐蝕，Ⅱ型熱腐蝕發(fā)生的溫度范圍“較低”，沉積鹽為固態(tài)或固液共存態(tài)，其腐蝕機(jī)理與Ⅰ型熱腐蝕存在差異。Luthra描述了幾種鈷基合金在不同溫度和SO3分壓（PSO3）下發(fā)生Ⅱ型熱腐蝕時(shí)腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物的傳輸過(guò)程與分布，提出了鈷基合金熱腐蝕機(jī)理，這一機(jī)理還被推廣到預(yù)測(cè)鎳基合金的Ⅱ型熱腐蝕行為。Ⅱ型熱腐蝕條件下涂敷在合金表面的Na2SO4為固態(tài)，大氣中如果有足夠的PSO3便可以使得NiO或者CoO硫化以生成NiSO4或CoSO4。兩種化合物將進(jìn)一步與表面上過(guò)量的Na2SO4反應(yīng)，形成液態(tài)共晶鹽Na2SO4-MSO4（M代表Ni和Co）。低熔點(diǎn)共晶鹽的存在使得合金表面出現(xiàn)熔融鹽，熔融的混合硫酸鹽通過(guò)溶解保護(hù)性的氧化層，并通過(guò)點(diǎn)蝕坑中的液體來(lái)傳輸反應(yīng)產(chǎn)物，加快了腐蝕速率。這一混合熔融硫酸鹽液相侵蝕的Ⅱ型熱腐蝕機(jī)理目前被廣泛接受。另外，有研究者用電化學(xué)機(jī)理對(duì)熱腐蝕反應(yīng)過(guò)程（包括硫化物生成、疏松金屬氧化物在熔融鹽中的沉積等）進(jìn)行了解釋。他們認(rèn)為引起熱腐蝕的沉積熔融鹽是離子導(dǎo)體，亦即是電解質(zhì)，熱腐蝕在幾何上與薄水溶液電解質(zhì)膜下的金屬和合金的腐蝕形式極為類(lèi)似，實(shí)際上是金屬和合金在薄熔鹽電解質(zhì)膜下發(fā)生的腐蝕破壞。
發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)
無(wú)損檢測(cè)技術(shù)種類(lèi)繁多，常見(jiàn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要包括超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)等。從文獻(xiàn)調(diào)研看，這些技術(shù)的大部分都已應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)維護(hù)之中。超聲檢測(cè)技術(shù)主要利用超聲波在界面（聲阻抗不同的兩種介質(zhì)的結(jié)合面）處的反射和折射以及超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)的衰減等性質(zhì)來(lái)檢測(cè)缺陷，是應(yīng)用最廣泛的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。超聲檢測(cè)技術(shù)可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)金屬或非金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于內(nèi)部缺陷的定位定量檢測(cè)較其他檢測(cè)方法有綜合優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)裂紋、未焊透等缺陷也有較高的檢測(cè)能力。超聲檢測(cè)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片、整體葉盤(pán)等結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中均有應(yīng)用。渦流檢測(cè)技術(shù)基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象對(duì)被檢對(duì)象的性質(zhì)或缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)。渦流檢測(cè)只適用于導(dǎo)電材料的檢測(cè)，并且由于趨膚效應(yīng)的存在，更適用于表面及近表面缺陷的檢測(cè)，不太適用于較厚工件的內(nèi)部缺陷檢測(cè)。它對(duì)結(jié)構(gòu)表面的缺陷比較敏感，且檢測(cè)時(shí)不需要清理涂層。渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、榫槽、篦齒盤(pán)等結(jié)構(gòu)表面裂紋的檢測(cè)均有文獻(xiàn)報(bào)道。磁粉檢測(cè)技術(shù)只適用于鐵磁性材料缺陷的檢測(cè)，它是利用被磁化工件表面或近表面缺陷形成的漏磁場(chǎng)吸附磁粉來(lái)顯示缺陷。磁粉檢測(cè)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片等結(jié)構(gòu)表面裂紋的檢測(cè)上有應(yīng)用。滲透檢測(cè)技術(shù)是基于毛細(xì)作用和顯影劑在一定條件下的發(fā)光現(xiàn)象對(duì)表面開(kāi)口缺陷進(jìn)行檢測(cè)的一種技術(shù)。它不受被檢對(duì)象材料的影響，但由于其檢測(cè)原理，無(wú)法對(duì)多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。有文獻(xiàn)報(bào)道了滲透檢測(cè)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜機(jī)匣表面缺陷檢測(cè)的應(yīng)用。射線檢測(cè)技術(shù)是利用X射線、γ射線和中子射線易于穿透物體，但在穿透物體過(guò)程中受到吸收和散射而衰減的性質(zhì)來(lái)檢測(cè)缺陷的技術(shù)。射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)較薄結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積型缺陷的檢測(cè)更有優(yōu)勢(shì)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、機(jī)匣、火焰筒等結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)均有應(yīng)用。光學(xué)檢測(cè)即利用光在傳播時(shí)的反射、折射、干涉和衍射等特性進(jìn)行直接觀察被檢對(duì)象形貌或間接測(cè)量其在加載時(shí)的表面變形來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)象缺陷或性質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)維護(hù)中，孔探儀是最常用的光學(xué)檢測(cè)手段之一。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上的探視孔，不用拆解發(fā)動(dòng)機(jī)便可有效發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)、渦輪、燃燒室的腐蝕、裂紋等損傷缺陷情況。
聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)接收聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生的信號(hào)并進(jìn)行一定的處理分析來(lái)對(duì)材料或結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和存在的缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。聲發(fā)射檢測(cè)的缺陷是動(dòng)態(tài)的，且發(fā)射源為缺陷本身，對(duì)于缺陷發(fā)展過(guò)程中伴隨著聲發(fā)射現(xiàn)象的檢測(cè)對(duì)象，它都是潛在的檢測(cè)方法。目前聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)上已有應(yīng)用，同時(shí)研究人員也在研究和探索其在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用。
腐蝕的無(wú)損檢測(cè)研究現(xiàn)狀
No.1 點(diǎn)蝕無(wú)損檢測(cè)研究現(xiàn)狀
金屬點(diǎn)蝕發(fā)生時(shí)，常會(huì)伴隨聲發(fā)射現(xiàn)象。早在1984年，Arora便對(duì)鋁合金點(diǎn)蝕過(guò)程產(chǎn)生的聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明數(shù)字化記錄的聲發(fā)射頻率和波形分析有助于識(shí)別主動(dòng)腐蝕過(guò)程。Idrissi等以聲發(fā)射作為評(píng)估方法，研究了2024T351鋁合金點(diǎn)蝕不同階段的聲發(fā)射活動(dòng)特征，并與氯離子濃度進(jìn)行了相關(guān)性分析，得到了如下重要結(jié)論：在點(diǎn)蝕萌生的初始階段無(wú)法被聲發(fā)射檢測(cè)到；但是，金屬表面微氣泡或大氣泡氣體釋放時(shí)釋放的能量是聲發(fā)射探測(cè)的發(fā)射源，即當(dāng)H3O+還原形成第一個(gè)氫微泡時(shí)，通過(guò)聲發(fā)射可以立即檢測(cè)到鋁合金的點(diǎn)蝕現(xiàn)象。Fregonese等對(duì)316L不銹鋼點(diǎn)蝕過(guò)程的研究同樣表明聲發(fā)射源來(lái)自點(diǎn)蝕生長(zhǎng)過(guò)程，而在點(diǎn)蝕萌生過(guò)程無(wú)明顯聲發(fā)射現(xiàn)象。這些研究揭示了點(diǎn)蝕過(guò)程中聲發(fā)射現(xiàn)象的特點(diǎn)，體現(xiàn)了聲發(fā)射技術(shù)用于金屬材料點(diǎn)蝕檢測(cè)的潛力。聲發(fā)射信號(hào)可分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種基本類(lèi)型，一般以信號(hào)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短進(jìn)行區(qū)分。點(diǎn)蝕的聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中受到各種隨機(jī)因素的影響，既有連續(xù)型信號(hào)，也有突發(fā)型信號(hào)，屬于非平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)。典型的點(diǎn)蝕聲發(fā)射信號(hào)如圖2所示。對(duì)于不同類(lèi)型的聲發(fā)射信號(hào)，常采用不同的信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行描述。突發(fā)型信號(hào)特征參數(shù)主要有撞擊計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等，連續(xù)型信號(hào)特征參數(shù)有振鈴計(jì)數(shù)、平均信號(hào)電平和有效電壓。
圖2 典型聲發(fā)射信號(hào)
在點(diǎn)蝕發(fā)生過(guò)程中，兩種聲發(fā)射信號(hào)占比受到材料類(lèi)型、溶液濃度等因素的影響。且在點(diǎn)蝕的三個(gè)階段（點(diǎn)蝕萌生、生長(zhǎng)、穩(wěn)定）中，點(diǎn)蝕萌生階段幾乎沒(méi)有信號(hào)（撞擊計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)）發(fā)出，聲發(fā)射信號(hào)是在點(diǎn)蝕萌生后一段時(shí)間才出現(xiàn)。相對(duì)于點(diǎn)蝕萌生階段，生長(zhǎng)階段聲發(fā)射信號(hào)較多且增長(zhǎng)較快，而穩(wěn)定階段增長(zhǎng)變緩。點(diǎn)蝕聲發(fā)射信號(hào)的這些特征是對(duì)金屬點(diǎn)蝕進(jìn)行檢測(cè)的基礎(chǔ)。
由于點(diǎn)蝕過(guò)程會(huì)伴隨聲發(fā)射現(xiàn)象，聲發(fā)射技術(shù)在點(diǎn)蝕的監(jiān)測(cè)上有較多研究與應(yīng)用。王光卿等研究了儲(chǔ)罐底板鋼點(diǎn)蝕過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)特征，對(duì)評(píng)估金屬儲(chǔ)罐罐底腐蝕程度，鑒別腐蝕類(lèi)型具有一定的指導(dǎo)意義。Tang等在碳鋼的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過(guò)程中采用開(kāi)路電位測(cè)量并通過(guò)光學(xué)顯微鏡原位觀察腐蝕形貌，開(kāi)發(fā)了聲發(fā)射信號(hào)處理和腐蝕類(lèi)型識(shí)別方法。該方法能有效區(qū)分點(diǎn)蝕與均勻腐蝕，表明聲發(fā)射技術(shù)可用于不同行業(yè)碳鋼或不銹鋼容器腐蝕的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中。Wu等分析了單個(gè)點(diǎn)蝕坑在萌生和生長(zhǎng)過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)，認(rèn)為腐蝕產(chǎn)物的開(kāi)裂或流出可能是除氫氣泡以外的另一聲發(fā)射源。
聲發(fā)射技術(shù)的點(diǎn)蝕檢測(cè)效果顯著，為人們進(jìn)一步了解金屬點(diǎn)蝕機(jī)理提供了手段。目前的研究主要集中在聲發(fā)射機(jī)理探索和溶液環(huán)境中點(diǎn)蝕的檢測(cè)，對(duì)于非溶液以及高溫環(huán)境中點(diǎn)蝕的檢測(cè)，聲發(fā)射技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)。
通有交變電流的渦流檢測(cè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)使試樣表面產(chǎn)生渦流，試樣表面的點(diǎn)蝕缺陷會(huì)導(dǎo)致渦流分布發(fā)生變化。渦流分布變化會(huì)影響線圈磁場(chǎng)分布從而使檢測(cè)線圈阻抗發(fā)生變化，最終反映在輸出信號(hào)發(fā)生變化。將帶點(diǎn)蝕試樣信號(hào)與對(duì)比試樣輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)點(diǎn)蝕損傷進(jìn)行評(píng)估。
樊明亮等用不同半徑不同深度的人工圓孔缺陷模擬奧氏體不銹鋼點(diǎn)蝕損傷，通過(guò)建立的脈沖渦流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提取缺陷出現(xiàn)的峰值來(lái)分析其響應(yīng)特性用于點(diǎn)蝕缺陷的評(píng)估。李鵬改變帶圓孔型腐蝕缺陷管道的包覆層厚度，發(fā)現(xiàn)渦流檢測(cè)差分電壓信號(hào)峰值隨厚度的增大而增大，當(dāng)包覆層厚度小于20 mm，信號(hào)峰值呈線性增加趨勢(shì)，當(dāng)超過(guò)這個(gè)厚度信號(hào)幅值增加變緩并在30 mm時(shí)趨于穩(wěn)定。Yin等通過(guò)對(duì)傳感器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種基于解析優(yōu)化的電渦流傳感器的點(diǎn)蝕坑檢測(cè)方法，結(jié)合數(shù)字電感測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法，檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的靈敏度，能夠檢測(cè)百微米級(jí)別的點(diǎn)蝕坑。
目前，研究者們?cè)谔嵘郎u流檢測(cè)技術(shù)對(duì)點(diǎn)蝕缺陷檢測(cè)能力的研究上取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，主要體現(xiàn)在對(duì)隱藏點(diǎn)蝕缺陷和微小尺寸點(diǎn)蝕缺陷的檢測(cè)上。
超聲導(dǎo)波和非線性超聲表面波由于特殊的傳播性質(zhì)常應(yīng)用于檢測(cè)點(diǎn)蝕。超聲導(dǎo)波檢測(cè)點(diǎn)蝕和通用的超聲檢測(cè)原理類(lèi)似，主要是利用超聲導(dǎo)波在試樣中傳播時(shí)遇到點(diǎn)蝕缺陷時(shí)的反射、散射等線性特征，并通過(guò)聲速、衰減系數(shù)等進(jìn)行表征，以判斷點(diǎn)蝕的位置和大小。其本質(zhì)是利用缺陷和材料聲阻抗的差別來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。非線性超聲表面波對(duì)點(diǎn)蝕的檢測(cè)則是利用點(diǎn)蝕缺陷與大幅度超聲表面波相互作用產(chǎn)生的非線性效應(yīng)（表現(xiàn)為產(chǎn)生高次諧波）來(lái)對(duì)點(diǎn)蝕缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)。
超聲導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)按照檢測(cè)方式的不同可分為A型顯示和超聲成像顯示。A型顯示是沿聲傳播方向的一維波形顯示，表示的是超聲信號(hào)的幅值和傳播時(shí)間的關(guān)系，一般橫坐標(biāo)代表傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)代表信號(hào)幅值。圖3為無(wú)缺陷（圖a）和有缺陷（圖b）超聲導(dǎo)波的A型顯示信號(hào)。超聲成像顯示信號(hào)是綜合了沿著試樣截面某一方向（B顯示）或沿著整個(gè)截面掃描（C型顯示）得到的A型信號(hào)，能夠顯示缺陷的深度或形狀等信息。圖4為典型的超聲成像C型顯示，坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的為掃查位置，坐標(biāo)系中信號(hào)幅值以灰度顯示。
圖3 超聲導(dǎo)波A型顯示信號(hào)：(a)無(wú)缺陷；(b)有缺陷
圖4 超聲導(dǎo)波C型顯示信號(hào)：(a)濾波前；(b)濾波后非線性超聲表面波表征點(diǎn)蝕損傷的參數(shù)為超聲非線性系數(shù)，其定義公式如下：
其中，k為波數(shù)；x為超聲波傳播距離；A1與A2分別為頻域信號(hào)基波與二次諧波幅值。圖5為帶有不同點(diǎn)蝕坑尺寸試樣的超聲非線性系數(shù)曲線圖，當(dāng)凹坑尺寸增加時(shí)，非線性系數(shù)也增加。
圖5 超聲非線性系數(shù)
點(diǎn)蝕在萌生和發(fā)展時(shí)具有較大隨機(jī)性，其數(shù)量、位置分布、形貌等難以預(yù)測(cè)。數(shù)值模擬能夠建立任意數(shù)量，任意分布、任意形貌點(diǎn)蝕坑模型，是研究點(diǎn)蝕缺陷對(duì)超聲波影響的有效方法，可為點(diǎn)蝕的超聲檢測(cè)技術(shù)研究提供參考。對(duì)超聲波傳播過(guò)程的數(shù)值模擬，合理設(shè)置模型網(wǎng)格尺寸、邊界條件和積分時(shí)間步長(zhǎng)等參數(shù)是關(guān)鍵。為了保證模擬精度，網(wǎng)格尺寸需根據(jù)超聲波波長(zhǎng)來(lái)確定，最大網(wǎng)格尺寸必須滿足：
其中，λmin為最小超聲波長(zhǎng)，Δx、Δy、Δz為節(jié)點(diǎn)間距。超聲波在遇到邊界會(huì)發(fā)生反射，為了消除反射信號(hào)的干擾，常采用吸收邊界或適當(dāng)擴(kuò)大模型尺寸的方法。積分時(shí)間步長(zhǎng)是數(shù)值模擬的另外一個(gè)重要參數(shù)，決定模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性及精確度。超聲檢測(cè)模擬積分時(shí)間步長(zhǎng)的選擇需遵循Nyquist定律和Moser定律。Shivaraj等采用高階圓柱超聲導(dǎo)波對(duì)管道隱蔽位置點(diǎn)蝕進(jìn)行檢測(cè)，并建立帶針孔型缺陷的圓環(huán)二維有限元模型，觀察了波在圓環(huán)中的傳播方式，得到了含缺陷圓管的反射波紋圖和反射能量值，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者吻合較好。王曉娟等針對(duì)管道常見(jiàn)的點(diǎn)蝕缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)問(wèn)題，通過(guò)有限元仿真對(duì)其反射回波信號(hào)進(jìn)行分析，提出了確定仿真參數(shù)最優(yōu)設(shè)置的優(yōu)化策略，保證建模仿真的準(zhǔn)確和高效。王騰騰構(gòu)建了非線性表面波檢測(cè)模型，模擬研究了蝕坑形貌參數(shù)對(duì)表面波傳播行為的影響。
數(shù)值模擬是研究超聲波在介質(zhì)中傳播行為的有效手段，為點(diǎn)蝕的超聲檢測(cè)研究提供了新思路。但是，由于超聲波模擬需滿足最大網(wǎng)格尺寸小于八分之一波長(zhǎng)的要求，常導(dǎo)致過(guò)大網(wǎng)格數(shù)量的和過(guò)高的計(jì)算成本，這尤其限制了其在三維有限元分析中的應(yīng)用。
No.2 均勻腐蝕無(wú)損檢測(cè)研究現(xiàn)狀
均勻腐蝕是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的腐蝕形貌之一，往往導(dǎo)致構(gòu)件大面積減薄。各種工程結(jié)構(gòu)（如管道、儲(chǔ)罐等）內(nèi)部發(fā)生均勻腐蝕時(shí)常常難以及時(shí)察覺(jué)，為能減少這種隱蔽性損傷引起的結(jié)構(gòu)破壞，研究者們對(duì)均勻腐蝕的無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行了研究。Jirarungsatian等將均勻腐蝕過(guò)程聲發(fā)射源分為三類(lèi)：腐蝕開(kāi)始時(shí)金屬表面損傷源；腐蝕在金屬表面的形核和發(fā)展；腐蝕過(guò)程中氣泡破裂，并選取信號(hào)持續(xù)時(shí)間和共振頻率作為聲發(fā)射參數(shù)對(duì)均勻腐蝕與點(diǎn)蝕進(jìn)行分類(lèi)。李偉等分析了低碳鋼均勻腐蝕過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)特性，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)條件下低碳鋼腐蝕聲發(fā)射信號(hào)與實(shí)際條件下儲(chǔ)罐罐底腐蝕聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)特征，為低碳鋼均勻腐蝕過(guò)程聲發(fā)射特征研究和儲(chǔ)罐在線聲發(fā)射檢測(cè)提供參考。張春輝建立了一套提取均勻腐蝕聲發(fā)射信號(hào)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)均勻腐蝕各個(gè)過(guò)程進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，分析了Q235均勻腐蝕氣泡產(chǎn)生和金屬溶解過(guò)程的聲發(fā)射特征，運(yùn)用小波分析相關(guān)理論對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種腐蝕模式的識(shí)別。Yang等通過(guò)數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，研究了均勻腐蝕對(duì)導(dǎo)波傳播規(guī)律的影響。結(jié)果表明均勻腐蝕會(huì)產(chǎn)生相干噪聲，使導(dǎo)波能量衰減，腐蝕層越厚，相干噪聲越大，導(dǎo)波衰減速率越大。而使用較高的導(dǎo)波頻率能降低相干噪聲，但也會(huì)降低導(dǎo)波傳播的能量。實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，研究獲得的結(jié)果有助于檢查人員區(qū)分管道均勻腐蝕區(qū)域內(nèi)的局部腐蝕，管道均勻腐蝕的有限元模型如圖6所示。Shim等發(fā)現(xiàn)690合金蒸汽發(fā)生管均勻腐蝕行為與渦流檢測(cè)旋轉(zhuǎn)探頭測(cè)量的管道噪聲密切相關(guān)，因此，可將管道噪聲用于預(yù)測(cè)其均勻腐蝕行為。與點(diǎn)蝕相比，均勻腐蝕的無(wú)損檢測(cè)研究較少。這些研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)或仿真探索了均勻腐蝕對(duì)各種檢測(cè)技術(shù)信號(hào)的影響，找到合適的信號(hào)特征是將這些技術(shù)應(yīng)用于均勻腐蝕檢測(cè)的關(guān)鍵。
圖 6 管道均勻腐蝕有限元模型
No.3 對(duì)腐蝕缺陷的識(shí)別與定位
在檢測(cè)到缺陷后，有必要進(jìn)一步的對(duì)缺陷類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別并大致對(duì)缺陷進(jìn)行定位。對(duì)于腐蝕缺陷的識(shí)別，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)特征，可分辨處于不同階段的點(diǎn)蝕，或?qū)Ωg嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷。另外，通過(guò)結(jié)合各種算法及信號(hào)處理方法建立的基于特征識(shí)別的腐蝕類(lèi)型分類(lèi)方法已能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種腐蝕類(lèi)型的分類(lèi)，如Tang等通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)的二維模式識(shí)別方法有效區(qū)分了低碳鋼的均勻腐蝕與點(diǎn)蝕，Van等則利用小波分析及機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)腐蝕、均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂四種腐蝕模式的分類(lèi)，分類(lèi)準(zhǔn)確度可達(dá)75.7%。雖然腐蝕缺陷的危害性不同于一般的表面缺陷，但是目前基于聲發(fā)射檢測(cè)的缺陷類(lèi)型識(shí)別的研究還較少，如在對(duì)于分辨腐蝕缺陷與其他類(lèi)型缺陷（如外物打傷等）的研究幾乎沒(méi)有。常規(guī)的超聲檢測(cè)對(duì)缺陷的識(shí)別主要通過(guò)人工判別試塊和被檢工件超聲信號(hào)波形的差異來(lái)進(jìn)行的，隨著各種模式識(shí)別與分類(lèi)方法的發(fā)展，超聲檢測(cè)對(duì)缺陷識(shí)別的研究與應(yīng)用已趨于自動(dòng)化，有效提高了缺陷識(shí)別的效率及準(zhǔn)確性。在腐蝕缺陷識(shí)別的研究上，Ghodsi等通過(guò)離散小波變換和離散傅里葉變換從超聲Lamb波信號(hào)中提取基頻頻帶作為信號(hào)特征對(duì)裂紋、局部減薄（厚度減薄程度與腐蝕試樣近似，由電火花加工而成）、均勻腐蝕三種缺陷進(jìn)行了識(shí)別與分類(lèi)，分類(lèi)準(zhǔn)確度達(dá)到95%。圖7所示為傅里葉變換后的三種缺陷信號(hào)。
圖7 三種缺陷信號(hào)的FFT輸出
Deng等利用分段主成分分析（S-PCA）法對(duì)實(shí)驗(yàn)和有限元法獲得的鐵軌超聲導(dǎo)波信號(hào)特征進(jìn)行提取后，利用支持向量機(jī)算法實(shí)現(xiàn)了裂紋缺陷和腐蝕缺陷的高準(zhǔn)確率分類(lèi)。
研究者們?cè)谘芯砍暀z測(cè)的缺陷識(shí)別時(shí)，常使用機(jī)械加工的缺陷來(lái)代替真實(shí)的腐蝕缺陷，如禹化民用多種人工缺陷來(lái)模擬點(diǎn)蝕和腐蝕穿孔等缺陷。這種方法雖然簡(jiǎn)便，但只是真實(shí)缺陷的幾何近似，圖7中真實(shí)均勻腐蝕缺陷試樣和人工減薄試樣信號(hào)的差異在一定程度上說(shuō)明了這種近似處理方法的局限性。
目前，已經(jīng)有一些對(duì)于腐蝕缺陷厚度測(cè)量和重構(gòu)的研究，Liu等發(fā)現(xiàn)合金基體與腐蝕層界面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微弱的回波信號(hào)，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)頻域信號(hào)后提高了信號(hào)對(duì)比度，通過(guò)測(cè)量信號(hào)飛行時(shí)間實(shí)現(xiàn)了對(duì)100 μm以下腐蝕層厚度的測(cè)定。這些研究表面了超聲檢測(cè)應(yīng)用于更精確的腐蝕缺陷識(shí)別的潛力。
實(shí)際應(yīng)用中，渦流檢測(cè)對(duì)缺陷的識(shí)別同樣需要通過(guò)比較被檢工件與對(duì)比試樣的信號(hào)差異。對(duì)渦流檢測(cè)缺陷識(shí)別技術(shù)的研究中，大部分都是通過(guò)提取渦流信號(hào)的時(shí)域或頻域特征，然后選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法及識(shí)別分類(lèi)算法來(lái)識(shí)別缺陷。
目前，對(duì)腐蝕識(shí)別的渦流檢測(cè)研究中同樣使用了人工缺陷模擬腐蝕層或點(diǎn)蝕缺陷，如有文獻(xiàn)用不同深度盲孔近似點(diǎn)蝕，也有文獻(xiàn)用激光加工的不同厚度人工缺陷模擬多層結(jié)構(gòu)中腐蝕導(dǎo)致的金屬損失。這些研究很好地識(shí)別了缺陷的幾何特征，但忽視了除幾何特征外的腐蝕特征（如腐蝕層）的識(shí)別。
無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)包括腐蝕缺陷在內(nèi)的各種缺陷識(shí)別的研究上大都是基于信號(hào)特征的識(shí)別，更優(yōu)的信號(hào)處理技術(shù)、特征相關(guān)性算法和分類(lèi)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷高準(zhǔn)確度的識(shí)別。但是，對(duì)于多類(lèi)型缺陷的識(shí)別上研究較少，且研究過(guò)程中預(yù)制的人工缺陷不能很好的反映真實(shí)缺陷的特征。
缺陷定位是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的另外一個(gè)重要能力。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)缺陷的定位即聲發(fā)射源定位，主要是通過(guò)分析檢測(cè)過(guò)程中傳感器陣列接收到的信號(hào)來(lái)確定缺陷的位置。對(duì)于突發(fā)型信號(hào)可采用時(shí)差定位或區(qū)域定位等方法，對(duì)于連續(xù)型信號(hào)則可采用互相關(guān)式定位或衰減測(cè)量式定位法。
渦流檢測(cè)對(duì)缺陷的定位主要依靠探頭在工件表面移動(dòng)時(shí)阻抗變化來(lái)確定。另外，由于渦流的趨膚效應(yīng)，不同深度不同大小的缺陷信號(hào)幅值可能相同，此時(shí)需要利用相位分析來(lái)確定缺陷深度。
超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷的定位是通過(guò)超聲波飛行時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)超聲波發(fā)射后，通過(guò)接收到缺陷回波的時(shí)間來(lái)計(jì)算缺陷位置，這種可以根據(jù)信號(hào)飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算缺陷位置的方法被稱(chēng)為脈沖反射法。另外相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的成像，從而直接顯示出缺陷的位置。
目前，各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷識(shí)別的研究具有一定的局限性。大量研究未能考慮到腐蝕缺陷的特殊性，僅考慮了其幾何特征。超聲檢測(cè)技術(shù)在進(jìn)一步的腐蝕特征識(shí)別上表現(xiàn)了不錯(cuò)的效果，具有打破缺陷識(shí)別技術(shù)困境的潛力。各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)于缺陷的定位方法有一點(diǎn)差異。
總的來(lái)說(shuō)，聲學(xué)手段的檢測(cè)技術(shù)主要通過(guò)計(jì)算信號(hào)飛行時(shí)間對(duì)缺陷定位，光學(xué)手段的檢測(cè)技術(shù)主要通過(guò)成像顯示缺陷位置，電磁手段的檢測(cè)技術(shù)則依靠了傳感器相對(duì)缺陷位置變化時(shí)檢測(cè)信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定位。
No.4 腐蝕缺陷的檢測(cè)技術(shù)比較
各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，光學(xué)檢測(cè)、超聲檢測(cè)和渦流檢測(cè)常應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷無(wú)損評(píng)估，而對(duì)于管道、壓力容器等運(yùn)輸和儲(chǔ)存液體的結(jié)構(gòu)，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)也有廣泛應(yīng)用和研究。對(duì)于腐蝕的檢測(cè)，每種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)都有一定的優(yōu)勢(shì)和局限性，表1對(duì)其優(yōu)勢(shì)與局限性做了總結(jié)。不同技術(shù)不同的方法在不同類(lèi)型的缺陷檢測(cè)上將有不同的表現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)檢測(cè)需求結(jié)合技術(shù)或方法的特點(diǎn)選擇合適的檢測(cè)手段。
表 1 幾種技術(shù)腐蝕檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)與局限性
基于無(wú)損手段的強(qiáng)度評(píng)估方法
無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在獲得結(jié)構(gòu)的損傷信息后，為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)劣化程度，一些研究者通過(guò)無(wú)損檢測(cè)獲得的損傷信息對(duì)結(jié)構(gòu)的剩余壽命進(jìn)行了評(píng)估。這些壽命評(píng)估方法大致可分成三類(lèi)。第一類(lèi)方法通過(guò)無(wú)損信號(hào)特征直接與壽命聯(lián)系來(lái)評(píng)估壽命。早在1956年，Truell等已經(jīng)發(fā)現(xiàn)疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)鋁試樣中超聲波信號(hào)的衰減與循環(huán)數(shù)存在聯(lián)系。Joshi等基于這一現(xiàn)象測(cè)量了疲勞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鋁和鋼試樣的超聲波信號(hào)衰減，結(jié)果表明超聲信號(hào)衰減對(duì)疲勞損傷非常敏感，可用于預(yù)測(cè)實(shí)際應(yīng)用中的早期疲勞損傷和疲勞壽命。Birt等使用超聲C掃描和渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)試樣的點(diǎn)蝕與縫隙腐蝕進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)信號(hào)與試樣疲勞壽命有很好的相關(guān)性。閻紅娟研究了超聲非線性系數(shù)隨金屬構(gòu)件彎曲疲勞壽命的變化趨勢(shì)，提出了基于超聲非線性綜合參數(shù)與疲勞壽命的曲線，形成基于超聲非線性和概率分析預(yù)測(cè)金屬構(gòu)件疲勞壽命的P-α-F方法。第一類(lèi)方法是最容易實(shí)現(xiàn)的方法，其壽命評(píng)價(jià)的精度取決于選擇的信號(hào)特征是否合適。第二類(lèi)方法通過(guò)智能算法建立信號(hào)特征與壽命之間的聯(lián)系。Shell等使用超聲波測(cè)試、白光干涉顯微鏡和顯微放射照相對(duì)試樣進(jìn)行檢查來(lái)量化試樣腐蝕損傷水平，為壽命預(yù)測(cè)模型提供輸入，使用多元線性回歸（MLR）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）探究了無(wú)損信號(hào)和剩余疲勞壽命之間的相關(guān)性。Carson在自適應(yīng)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)（ALN）中使用從超聲信號(hào)特征（幅值、時(shí)間、頻譜）中選擇的特征來(lái)檢測(cè)早期疲勞損傷并對(duì)剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。Ibekwe使用24組低周疲勞實(shí)驗(yàn)的聲發(fā)射幅值數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練和測(cè)試用于預(yù)測(cè)壽命的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN），最終得到一個(gè)能夠預(yù)測(cè)失效壽命的網(wǎng)絡(luò)。Spivey通過(guò)Kohonen自組織映射網(wǎng)絡(luò)和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)收集的7075-T6鋁合金試件的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行了失效機(jī)理分類(lèi)和疲勞循環(huán)次數(shù)預(yù)測(cè)。Okur拓展了Ibekwe和Spivey等的工作，利用聲發(fā)射數(shù)據(jù)對(duì)鋁合金缺口試樣的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行識(shí)別并預(yù)測(cè)其失效。第二類(lèi)方法通過(guò)相關(guān)算法找到信號(hào)特征中與壽命相關(guān)性最好的特征，是基于第一類(lèi)方法的改進(jìn)。盡管這兩種方法所用的具體的分析模型不同，但都是引入能夠反映熱腐蝕缺陷尺寸的檢測(cè)信號(hào)。因此，對(duì)于應(yīng)力和載荷歷程相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是有效的。然而，對(duì)于渦輪葉片等來(lái)說(shuō)，其幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、應(yīng)力分布不均勻，且應(yīng)力分布和載荷歷程的影響則顯得尤為重要，采用第一、二類(lèi)方法無(wú)法有效地進(jìn)行評(píng)估。第三類(lèi)方法結(jié)合了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和損傷力學(xué)的剩余壽命評(píng)估方法。朱旭程等提出一種基于力殘差向量的損傷檢測(cè)和結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估方法，即采用力殘差向量進(jìn)行槳葉的損傷定位和損傷大小估計(jì)，利用腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律建立槳葉剩余壽命預(yù)測(cè)模型。程興根據(jù)埋地燃?xì)夤艿栏g深度發(fā)展規(guī)律建立了腐蝕發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型。
這種方法突破了前兩種方法無(wú)法考慮腐蝕缺陷損傷過(guò)程的物理機(jī)制或規(guī)律的局限性。但是，無(wú)損檢測(cè)得到的通常是局部損傷，因此，通過(guò)檢測(cè)信息的反演與結(jié)構(gòu)損傷演化過(guò)程的正演相結(jié)合才有可能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。
發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)腐蝕損傷
無(wú)損檢測(cè)的難點(diǎn)
當(dāng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于缺陷檢測(cè)時(shí)，需了解該技術(shù)在檢測(cè)中的靈敏度或檢測(cè)能力。可檢測(cè)到的最小缺陷尺寸越小，則檢測(cè)靈敏度越高，檢測(cè)能力越強(qiáng)。圖8顯示了在合適的應(yīng)用場(chǎng)景下光學(xué)檢測(cè)、超聲檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)和渦流檢測(cè)在檢測(cè)點(diǎn)蝕缺陷的能力。其中，當(dāng)點(diǎn)蝕坑尺寸生長(zhǎng)到某一尺寸時(shí)將發(fā)展為裂紋。
圖 8 幾種技術(shù)檢測(cè)能力對(duì)比
光學(xué)檢測(cè)能在點(diǎn)蝕萌生時(shí)便檢測(cè)到點(diǎn)蝕坑；對(duì)于聲發(fā)射檢測(cè)，聲發(fā)射信號(hào)通常出現(xiàn)在點(diǎn)蝕萌生后一段時(shí)間，對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)中點(diǎn)蝕坑萌生后的尺寸進(jìn)行測(cè)量，尺寸約為60 μm。對(duì)于渦流檢測(cè)，有文獻(xiàn)使用渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)單個(gè)點(diǎn)蝕坑進(jìn)行了檢測(cè)，所能檢測(cè)到的點(diǎn)蝕坑直徑最小約為592 μm，最小坑深約為148 μm。還有文獻(xiàn)利用非線性超聲表面波對(duì)單個(gè)點(diǎn)蝕坑進(jìn)行檢測(cè)，點(diǎn)蝕坑直徑最小約為280 μm，最小坑深約為60 μm。
發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)腐蝕損傷檢測(cè)的應(yīng)用難點(diǎn)
發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)服役環(huán)境惡劣，容易產(chǎn)生熱腐蝕損傷。雖然各種無(wú)損技術(shù)已大量應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)腐蝕的檢測(cè)，但對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)腐蝕的檢測(cè)仍存在一些難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，結(jié)構(gòu)幾何形狀復(fù)雜導(dǎo)致技術(shù)難以應(yīng)用。雖然實(shí)際結(jié)構(gòu)大都幾何形狀簡(jiǎn)單或可由簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)組成，在各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究上，對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究已能夠滿足大部分工程應(yīng)用的需求，但發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)（典型的如渦輪葉片）大都具有復(fù)雜幾何形狀和結(jié)構(gòu)。對(duì)于這類(lèi)復(fù)雜構(gòu)件，一些無(wú)損檢測(cè)技術(shù)難以較理想的應(yīng)用。如用反射法對(duì)不規(guī)則的變厚度工件進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，各掃描點(diǎn)的界面波和底波位置隨工件形狀變化而變化，難以確定缺陷位置；超聲波在進(jìn)入復(fù)雜幾何構(gòu)件后，存在波束變形、方向偏移、靈敏度損失等問(wèn)題，導(dǎo)致檢測(cè)性能下降；另外，復(fù)雜幾何形狀導(dǎo)致的換能器接觸不良、換能器移動(dòng)時(shí)的定向障礙都會(huì)使檢測(cè)靈敏度下降，導(dǎo)致無(wú)法正確表征缺陷。其次，對(duì)于高溫結(jié)構(gòu)使用的各向異性材料（如定向凝固高溫合金、單晶高溫合金），材料的各向異性還會(huì)導(dǎo)致超聲檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生散射、模式耦合、能量聚焦和衰減，對(duì)缺陷檢測(cè)帶來(lái)不利影響。不少研究者為改善這種狀況已經(jīng)做了一些努力。Putkis等選擇具有更優(yōu)分辨率與靈敏度的檢測(cè)信號(hào)頻率和傳感器位置來(lái)減弱碳纖維復(fù)合材料各向異性對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)的影響。Wang等則使用帶雙矩陣陣列探頭的自動(dòng)相控陣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各向異性焊縫中缺陷更高準(zhǔn)確度的識(shí)別。最后，檢測(cè)能力不足將導(dǎo)致小缺陷無(wú)法被有效檢測(cè)。圖9所示為CF6發(fā)動(dòng)機(jī)斷裂渦輪葉片上的點(diǎn)蝕坑截面形貌，該點(diǎn)蝕坑尺寸約83 μm。對(duì)于非承力或承力較小結(jié)構(gòu)，腐蝕在較嚴(yán)重時(shí)才會(huì)影響其功能，此時(shí)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)能力綽綽有余，在腐蝕威脅結(jié)構(gòu)安全前缺陷已被檢出。而對(duì)于承受巨大疲勞載荷的發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)（如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片），類(lèi)似圖9所示的小尺寸腐蝕缺陷難以在維修維護(hù)時(shí)被有效檢出，此時(shí)該缺陷已經(jīng)足夠威脅到結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。有文獻(xiàn)報(bào)道了CF6發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片斷裂的事故便是維修時(shí)未檢測(cè)到低溫?zé)岣g產(chǎn)生的小尺寸腐蝕坑導(dǎo)致的。
圖9 渦輪葉片點(diǎn)蝕坑形貌
對(duì)于均勻熱腐蝕和點(diǎn)蝕兩種典型腐蝕的檢測(cè)，光學(xué)檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、渦流檢測(cè)和超聲檢測(cè)最為常用。對(duì)比了這幾種檢測(cè)技術(shù)對(duì)腐蝕的檢測(cè)能力、技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及局限，其中光學(xué)檢測(cè)具有最高的檢測(cè)能力，但是難以檢測(cè)隱藏的腐蝕；聲發(fā)射技術(shù)具有較高靈敏度，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腐蝕，但是只適合在溶液環(huán)境中應(yīng)用；渦流檢測(cè)和超聲檢測(cè)技術(shù)都可實(shí)現(xiàn)百微米級(jí)別點(diǎn)蝕坑的檢測(cè)，對(duì)于隱蔽腐蝕有不錯(cuò)的檢測(cè)能力。
在實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷檢測(cè)的同時(shí)，研究者們更進(jìn)一步的探索了無(wú)損檢測(cè)信號(hào)特征與結(jié)構(gòu)疲勞壽命的聯(lián)系，或結(jié)合無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與損傷力學(xué)方法建立了剩余壽命模型，對(duì)結(jié)構(gòu)剩余壽命進(jìn)行了評(píng)價(jià)。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用為結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)提供了新思路。
然而，由于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、材料的各向異性等，當(dāng)前的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)雖然能夠檢測(cè)管道、壓力容器等結(jié)構(gòu)的腐蝕，但是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)腐蝕的檢測(cè)仍存在難點(diǎn)。
在腐蝕的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用上仍然有巨大的進(jìn)步空間，基于本文的綜述，以后的研究重點(diǎn)應(yīng)該在以下幾個(gè)方面：即對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)；實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的檢測(cè)能力；同時(shí)采用多種檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面精確的檢測(cè)。
此外，一方面應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注無(wú)損檢測(cè)與其他技術(shù)（如信號(hào)處理、人工智能等）的結(jié)合；另一方面，無(wú)損檢測(cè)獲得了結(jié)構(gòu)的損傷信息后，如何利用固體力學(xué)知識(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的剩余壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)，這是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)走向無(wú)損評(píng)估研究的一個(gè)重要方向。
