基于激光测量的航发叶片表面几何缺陷识别技术.docx
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2023-02-23
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叶片作为航空发动机或燃气轮机的关键部件, 使用的是十分昂贵的镍基和钴基高温合
金材料来制造, 并且运用了复杂的制造工艺, 例如采用定向凝固叶片和单晶叶片, 需要铣
削、磨抛甚至手工打磨等多种加工手段, 以航空发动机某三级压气机叶片为例, 仅磨序就需
要 8 个小时才能加工完成一个叶片, 因此生产制造成本非常昂贵
[1-3]
.叶片在高温高压环境下
工作, 容易产生扭转、折边、磨损、凹坑、掉块等各种几何缺陷.如果能够对这些缺陷进行
准确的检测识别, 然后再由专业技术进行修复, 不仅可以使叶片得到二次利用延长发动机的
使用寿命, 也可以节约成本减少损耗达到可持续制造的目的
[4-6]
.因此叶片的修复技术已经得
到国内外学者的高度重视, 那么有必要针对修复前的叶片进行检测, 以便准确找到缺陷区域
及尺寸, 为后续叶片型面修复提供可靠支持.
1. 国内外研究现状
英、美、法等航空工业先进的国家, 都在对航机叶片的修复技术、工艺研究以及装备
研制等方面, 投入了大量资金当然也取得了巨大的成果
[7-8]
.其中美国 Optomec Design 公司利
用激光熔覆修复技术(Laser powder cladding)实现了对军用航空发动机零件 T700 的快速、高
效的再制造
[9]
.德国霍夫曼(Huffman)公司开发了一种基于二维视觉系统的五轴激光粉末融化
焊接系统
[10]
.该系统可以根据被测工件的几何外形如材料的高度、宽度、弯曲度等信息自动
生成数控(Computer numerical control, CNC)代码, 还也可以指导操作人员根据待修复区域信
息及时调整输入激光的功率, 以便准确地在缺陷区域表面生成金属沉积层.国内对燃气轮机
叶片及航空发动机叶片的缺陷修复研究已经有近 30 年的历史
[11-13]
, 西安交通大学、中国科
学院金属研究所、中航沈阳黎明发动机公司、东方汽轮机公司等单位在该领域都有技术突
破, 并且也有应用范例, 其中西安交通大学先进制造研究团队采用激光增材制造(Laser
additive manufacturing)技术, 通过超声振动辅助激光熔覆沉积对 IN718 沉积态组织与性能的
影响研究, 实现了感应辅助激光熔覆沉积 DD4 定向晶来修复 DZ125L 叶片
[14]
.华中科技大学
尹周平团队, 基于相邻测轴弹簧模型构造了五轴原位检测路径优化目标函, 实现了对闭式叶
轮的原位检测
[15]
.尽管国内科研机构取得了一定成果, 但是均为较低端技术, 如:手工焊接以
及半自动焊接等修复工程, 因为缺乏核心技术, 尤其在自动化智能化修复方面的研究与应
用, 国内与发达国家相比还有一定差距.
针对零件的表面几何缺陷识别研究, 国内外多集中在基于非接触测量方式如激光扫描
法、射线无损检测法以及机器视觉法等研究, Anoshkin 等
[16]
利用 X 射线微焦点法对航空产
品进行无损检测的优势, 对叶片型面在制造过程中形成的孔隙和裂纹等缺陷特征进行了检
测, 取得一定效果. GomATOS II 扫描仪具有较为成熟的光学扫描测量技术, Gao 等
[17]
对此进
行叶片损伤区域的数据采集及重建研究, 对叶片型面缺陷区域实现了准确识别.在机器视觉
的几何缺陷自动检测方面
[18-19]
, Ali 等
[20]
采用减轻视觉测量系统, 根据基于颜色的跟踪算法,
对齿轮的轮廓进行了精密检测. Mehran 等
[21]
开发了一种高效模糊模型, 将视觉技术应用在
汽车零部件检测中, 实现了在线检测应用. Jung 等
[22]
根据镜头畸变校正和透视畸变校正原
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