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涡轮盘用高温合金材料的超声检测方法研究

作　者: 刘述煌
导　师: 陆铭慧
学　校: 南昌航空大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 小波阈值超声相控阵技术特征扫描成像动态聚焦
分类号: TG115.285
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 44次
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内容摘要

随着高性能及大推重比航空发动机的研制、生产及使用，对涡轮盘材料的承温能力和质量要求越来越高。目前主要采用高温合金材料，特点是晶粒粗大，容易产生裂纹、偏析等缺陷，因此，从原材料、坯料到成品的各个阶段，均需要进行无损检测。高温合金涡轮盘验收标准等级非常高，通常不允许存在几百微米、甚至几十微米大小的缺陷，这样的特点给无损检测提出了挑战。超声方法是主要的检测方法，用聚焦探头进行水浸C扫描检测，但聚焦深度有限，对厚大构件检测困难，加之材料晶粒粗大，散射严重，信噪比低，因此检测效果并不理想。研究新的超声检测方法改善检测效果势在必行。本论文针对高温合金材料超声检测出现的问题，采用相控阵动态聚焦方法和时间反证法结合，解决信噪比低、检测厚度受限、小缺陷识别困难等问题。研究的内容如下：首先，设计并制作了不同尺寸、含不同孔径平底孔的高温合金样品，最厚样品80mm，最小孔径0.5mm。其次，采用低频宽带平面探头和信号处理的方法提高信噪比。采用小波阈值处理超声信号，分析了小波阈值降噪的原理和过程。结果表明：小波阈值去噪后的信号比原始信号信噪比有所改善，可以从信号中识别出缺陷信号，基本达到了降噪的目的。第三，采用聚焦探头和特征提取的方法解决小缺陷的识别问题。利用聚焦探头进行特征扫描成像检测，形成多种特征像。结果表明：无需进行降噪处理，特征扫描检测出埋深10mmΦ0.8mm的底孔人工缺陷，检测结果直观可辩。第四，采用超声动态聚焦技术和时间反转自适应聚焦技术解决厚大的高温合金材料中微小缺陷的检测问题。研究了环形相控阵阵列的动态聚焦原理和方法，从声场分布、指向性以及延时等方面分析了环形相控阵的聚焦特点，并研究了焦距、频率、阵元间距等因素对声场的影响，利用Labview编制了计算分析软件，利用Field Ⅱ对相控阵聚焦进行了模拟仿真，为换能器的设计提供理论依据。研究结果表明：采用多种措施、方法能有效提高涡轮盘用高温合金材料的检测信号信噪比，成功检测出φ0.8平底孔当量，信噪比可达6dB以上，其中采用聚焦方式可明显提高信噪比，而用小波等信号处理方法仅能改善信噪比。今后的发展方向仍需在提高检测系统的性能上开展工作。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-15
  1.1 涡轮盘用高温合金材料的研究概况  8-12
    1.1.1 高温合金材料的概述  8-9
    1.1.2 涡轮盘用高温合金的发展  9-10
    1.1.3 高温合金材料晶粒度对超声检测的影响  10-12
  1.2 涡轮盘用高温合金材料现有检测手段  12-13
  1.3 超声成像技术  13-14
  1.4 课题的主要内容  14-15
第2章高温合金涡轮盘材料超声检测的几种方法概述  15-32
  2.1 常规超声检测方法及信号处理  15-28
    2.1.1 检测方法及信号特点  15-17
    2.1.2 粗晶材料超声检测信号处理技术  17-19
    2.1.3 小波分析理论  19-28
  2.2 超声特征扫描成像技术  28-29
  2.3 超声相控阵成像技术  29-31
    2.3.1 相控阵发射和接收  29-31
    2.3.2 相控阵扫查方式  31
  2.4 本章小结  31-32
第3章线性相控换能器阵的聚焦特性分析  32-43
  3.1 线性换能器延时聚焦原理  32-33
  3.2 线性换能器聚焦延时计算  33
  3.3 线性相控阵聚焦声场分析  33-36
    3.3.1 线阵辐射声场  33-34
    3.3.2 线阵指向函数  34-36
  3.4 线阵换能器计算机辅助设计  36-40
    3.4.1 阵元间距的影响  38-39
    3.4.2 阵元数的影响  39-40
  3.5 线性相控阵聚焦模拟仿真  40-42
  3.6 本章小结  42-43
第4章环形相控换能器阵设计与延时分析  43-59
  4.1 圆形活塞声源的辐射声场  43-47
    4.1.1 圆形活塞辐射声场的推导  43-46
    4.1.2 圆形活塞声场指向性函数  46-47
  4.2 环形阵列辐射声场和指向性分析  47-51
    4.2.1 环形阵列辐射声场的推导  47-49
    4.2.2 环形阵列声场分析  49-50
    4.2.3 圆环声场指向性函数  50-51
  4.3 环形相控阵换能器设计  51-58
    4.3.1 换能器各环参数设置  51-54
    4.3.2 环形相控阵列声场计算  54-56
    4.3.3 环形相控阵列声场影响因素  56-58
  4.4 本章小结  58-59
第5章涡轮盘用高温合金材料的超声实验研究  59-67
  5.1 高温合金材料试样  59-60
  5.2 实验设备  60-61
  5.3 实验结果  61-66
    5.3.1 直接接触手动扫查检测结果分析  61-63
    5.3.2 F 扫描检测结果分析  63-65
    5.3.3 线阵相控阵检测结果分析  65-66
  5.4 本章小结  66-67
第6章总结与展望  67-69
  6.1 总结  67-68
  6.2 展望  68-69
参考文献  69-71
攻读硕士期间发表论文  71-72
致谢  72-73

涡轮盘用高温合金材料的超声检测方法研究

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