Analýza technologie detekce závad vysokotlaké turbínové lopatky leteckého motoru
Turbínová lopatka je klíčovou součástí leteckého motoru a její zpracování je složité, což vyžaduje velmi kvalitní kontrolu. Laserové přímé psaní (LDM) se používá k výrobě domácích vysokotlakých turbínových lopatek. Má vlastnosti vysoké přesnosti, vysoké hustoty a vysokého spektrálního rozlišení a lze jej použít pro 3D měření, nedestruktivní testování a 3D rekonstrukci 3D produktů. Díky použití technologie přímého laserového psaní u domácích výrobců vysokotlakých turbínových lopatek dosáhly vysokotlaké turbínové lopatky hromadné výroby. Tento článek představuje proces tváření laserového přímého psaní a technologii detekce defektů domácích vysokotlakých turbínových lopatek a analyzuje metodu a software detekce defektů.
S rychlým rozvojem technologie leteckých motorů klade aero-engine vyšší požadavky na kvalitu listů. Síla lopatek turbíny, únavová životnost a složitost povrchové hmotnosti jsou důležitými ukazateli pro měření jejího výkonu. Vzhledem ke složitému výrobnímu procesu vysokotlakých lopatek turbín je většina lopatek vyráběna přímým laserovým zápisem. Technologie přímého laserového zápisu využívá vysoce výkonný polovodičový laser k nepřetržitému ozařování laseru v oblasti, která má být zpracována, takže vytváří rovnoměrné rozložení laserových paprsků v oblasti, která má být zpracována. Tradiční testovací metody zahrnují obrábění a nedestruktivní testování, které mají některé problémy, jako jsou vysoké náklady na zpracování, nízká účinnost detekce a snadné rušení člověkem. Proto, aby lopatky turbín měly vynikající mechanické vlastnosti, odolnost proti korozi a únavě, musí být přesně a rychle testovány.
1. Úvod do procesu LDM
Laserové přímé psaní (LDM) je druh laserového paprsku s proměnlivou intenzitou pro realizaci expozice s proměnnou dávkou na materiálu rezistu na povrchu substrátu a vytvoření požadovaného reliéfního obrysu na povrchu rezistu po vyvolání. Jeho hlavní náplní je: výběr vhodného keramického materiálu, výběr vhodné metody zpracování, optimalizace parametrů laserového zpracování. Technologie LDM je metoda použití vysoce výkonného laseru k psaní různých vzorů na keramické materiály. Leptal mikrostruktury na povrchu keramických materiálů, aby dosáhl komplexní morfologie, hyperspektrálního rozlišení a digitálního modelování produktů, a integroval je s procesem LDM pro vytváření bohatých povrchových detailů, které splňují požadavky na vysokou přesnost a vysokou stabilitu přesných zařízení, jako jsou letecké motory. laserové přímé psaní technologie je soubor laserového zpracování, nedestruktivní testování, zpracování obrazu, CAD/CAM v jedné z nových výrobních technologií, ve srovnání s tradičním procesem, technologie má následující výhody: ① vysoká přesnost zpracování; ② Vysoká rychlost zpracování; ③ Vysoká míra využití materiálu; ④ Dobrá kvalita povrchu; ⑤ lze přizpůsobit přizpůsobení. Technologie LDM využívá k zápisu povrchu keramických materiálů metodu přímého laserového psaní a působením laseru dochází ve vnitřní mikrostruktuře materiálu (jako jsou atomy, molekuly atd.) k fotochemickým reakcím, které mění strukturu a vlastnosti materiálu. materiál. Existuje mnoho způsobů, jak dosáhnout technologie přímého laserového psaní, a pro keramické materiály existují především tři typy: prvním typem je tradiční metoda (jako je chemická depozice z plynné fáze, rychlé kalení tavením, plazmou zesílené CVD atd.); Za druhé, pokročilé technologie (jako je 3D tisk, laserové přímé psaní atd.); Třetí je 3D tisk + technologie laserového tavení pólů (jako např.: 3D tisk + technologie laserového tavení pólů atd.). Existují tři hlavní metody technologie laserového selektivního tavení. Jedním z nich je použití laseru k obnažení keramických materiálů, aby měly komplexní trojrozměrnou morfologii. Druhý je lept, lept; Třetím je použití metody přímého laserového leptání na povrch keramických materiálů pro grafické zpracování. Hustota energie laseru používaná v technologii LDM je vysoká a pro leptání keramických materiálů je vyžadována vysoká hustota energie. Zároveň musí být přesně řízena hloubka laserové ablace.
2. Technologie detekce defektů
V současné době je průmyslová detekce vad čepele především rentgenovou metodou, ultrazvukovou metodou a rentgenovou perspektivní metodou. rentgenová metoda, ultrazvuková metoda je nedestruktivní testovací metoda, dokáže detekovat vnitřní vady materiálu, rentgenová perspektivní metoda je využití rentgenového nebo gama záření emitovaného zdrojem k ozáření zpracovávaného předmětu, tak, aby detekoval drobné vady uvnitř materiálu, ale schopnost pronikání paprsku je omezená, nemůže detekovat drobné vady. Proto jsou v praktických aplikacích hlavními detekčními prostředky rentgenová metoda a ultrazvuková metoda. S rozvojem technologie se však průmyslová CT detekce s mikrofokusem široce používá v oblasti výroby turbínových lopatek díky své nedestruktivní, vysoké účinnosti a vysoké přesnosti.
(a) Radiografické prosvícení vstupní hrany
(b) Rentgenový průnik okraje výfuku
(c) Vstupní hrana je prosvětlena digitální radiografií
2.1 Detekce rentgenového záření Detekce rentgenového záření je použití rentgenové trubice k vyzařování rentgenového záření na povrch testovaného objektu, pozorování defektů na povrchu testovaného objektu a poté použití záznamu obrazu ke kvantifikaci a lokalizujte objekt. Podle různé hloubky průniku lze rentgenové záření rozdělit do tří metod: hloubka průniku, šířka průniku a tloušťka průniku. Transiluminační metoda využívá rentgenovou trubici k ozařování povrchu testovaného materiálu pro detekci vnitřních defektů materiálu. Vzhledem k omezenému vybavení a technologii je metodou obtížné dosáhnout přesné kvantifikace vnitřních defektů složitých konstrukčních dílů. Tato metoda je vhodná pro obrobek s hladkým povrchem a rovnoměrnou hustotou, ale nedokáže přesně lokalizovat a kvantifikovat složité vnitřní součásti.
2.2 Ultrazvuková detekce Základním principem ultrazvukové detekce je použití ultrazvukového detektoru a sondy k vyzařování ultrazvukových vln a sonda přijímá echo pro polohování. Ultrazvuková detekční technologie je široce používána v průmyslových oblastech, protože má výhody vysoké citlivosti, vysoké penetrace, vysoké přesnosti a kontinuální detekce. U kovových materiálů se obvykle používají dvě metody přímé hlavy a šikmé hlavy, hloubka detekce přímé hlavy je obecně 1 mm, hloubka detekce nakloněné hlavy je obecně 5 mm, v praktických aplikacích ultrazvukové detekční zařízení podle různých objektů, které mají být měřeny, pomocí různých sond. Tepelná vodivost materiálu turbínových lopatek je vysoká, takže pro ultrazvukovou detekci musí být vybrána sonda s dobrým tepelným výkonem. Pro nízkou intenzitu ultrazvukového signálu, jako je sklokeramická tyč pokojové teploty, může díky svým dobrým tepelným vlastnostem plně splnit požadavky na detekci. Pro materiály obsahující defekty nebo vměstky s vysokou hustotou by měla být vybrána sonda se silnou penetrací a vysokou citlivostí a pro materiály obsahující defekty velkých rozměrů lze k detekci použít metodu kontinuální emise a metodu pulzního odrazu. V praktické aplikaci lze použít spojovací metodu jednoduché podélné vlny, dvojité smykové vlny a podélné vlny a je možné použít detekci jediné podélné vlny pro materiály obsahující trhliny a jiné vady. V současné době je technologie ultrazvukového testování široce používána, ale kvůli drahému testovacímu zařízení není vhodná pro testování v terénu.
2.3 Microfocus Průmyslová CT detekce Mikrofokusová průmyslová CT detekce využívá hlavně rentgenový nebo gama paprskový přenos a odraz v látce k vytvoření paprsku a poté detektor přijme záření paprsku na detekovaný objekt, aby absorboval energii, přeměněnou na rentgenový paprsek. paprsky nebo paprsky gama a poté detektor přemění energii na elektrické signály a poté lze po zpracování získat obraz struktury objektu. Při detekci je předmět nejprve umístěn na zdroj rentgenového záření a následně je skenovací metodou přijímán signál tvořený rentgenovým paprskem procházejícím objektem. Když je detekční objekt v neprůhledném stavu, signál přijímaný detektorem bude skvrnitý; Skvrny jsou generovány signálem přijatým detektorem při přenosu detekovaného objektu. Když je oblast místa velká, znamená to, že v detekovaném objektu je velká vada. Když je oblast místa malá, znamená to, že v detekovaném objektu je malá vada. Aby se eliminoval vliv skvrn na kvalitu obrazu, lze použít speciální metody pro odstranění efektu skvrn a zlepšení kvality obrazu. Například lze před detektor přidat barevný filtr pro eliminaci skvrn, navíc lze potlačit skvrnitost změnou parametrů detektoru a pro malé velikosti defektů lze provádět lineární skenování; U velkých vad je možné povrchové skenování. Pro detekci vysokotlakých lopatek turbíny by měly být zvoleny vhodné zkušební metody a zkušební parametry podle konkrétních pracovních podmínek. Obvykle se používá vícepaprsková detekce světla a jako hlavní detekční jednotka v systému snímání obrazu se používají detektory s lineárním polem. Rentgenové a gama záření se používá hlavně pro detekci podle různých materiálů čepele.
3. Představení softwaru pro detekci defektů
Tento článek představuje mikrofokální CT skenovací software vhodný pro detekci vad lopatek vysokotlaké turbíny. Software provádí především následující funkce: (1) čtení dat skenování; ② Měření a analýza obrazu; ③ Automatická detekce závad; ④ Správa dat; ⑤ Kontrola kvality; ⑥ Trojrozměrná rekonstrukce. Mezi nimi je čtení skenovaných dat velmi důležitým údajem, který určuje počet, polohu, tvar, velikost a další informace o středu obrazu. Na základě výsledků detekce lze výsledky CT vyšetření upravit podle různých požadavků. Pro zpracování skenovacích dat má software klasifikaci defektů, filtrování defektů, registraci defektů, opravu defektů, rekonstrukci defektů a další funkce. Tabulka 1 Parametry CT vyšetření.
4. Výzkum testů detekce lopatek LDM
Skutečné provozní údaje před a po smíchání jsou uvedeny v tabulce 6. Z tabulky 6 je vidět, že za testovacích podmínek, kdy je spalováno 100% zemního plynu, je výstupní výkon plynové turbíny 179,8MW a účinnost je 35,49 %. Výstupní výkon plynové turbíny je 169,0 MW a účinnost 35,81 %, což v podstatě odpovídá vypočtené hodnotě.
4.1 Sekundární vady zpracování Sekundární zpracování se týká opravy čepele, broušení, leštění a další procesy zpracování, v procesu sekundárního zpracování se mohou objevit následující problémy: (1) drsnost povrchu není na standardní úrovni: v procesu leštění bude zařízení produkovat určitý hluk, takže drsnost povrchu po leštění nemůže splňovat požadavky. Aby se eliminoval tento druh hluku, výrobci obecně používají k jeho odstranění ultrazvuk, elektrolýzu a další metody, ultrazvuk, elektrolýza může odstranit drsnost povrchu, ale ultrazvuk je náchylnější k dopadu prachu nebo oleje na povrch čepele, proto, ať už ultrazvuk nebo elektrolýza, nejsou vhodné pro odstranění drsnosti povrchu čepele. Při skutečné výrobě, kdy drsnost povrchu čepele neodpovídá požadavkům, lze použít broušení. I když lze vady účinně eliminovat, po broušení je stále zapotřebí sekundární zpracování. (2) Nekvalifikovaná kvalita povrchu: Pokud ve výrobním procesu vysokotlakých turbínových lopatek kvalita povrchu lopatek nesplňuje normu, lze k vyřešení problému přijmout opatření, jako je leštění a leštění. I když tato metoda může odstranit vady, snižuje výkon lopatek. Aby se zlepšil jeho výkon, výrobci jej často ve výrobním procesu mnohokrát leští a leští, ale při broušení a leštění je snadné vytvořit druhotné vady zpracování.
4.2 Stratifikace materiálu Při výrobním procesu vysokotlakých turbínových lopatek se v důsledku nesouladu procesních parametrů dostává dovnitř lopatek jedna nebo více surovin nebo nečistot, což má za následek stratifikaci materiálu. Při skutečné zkoušce může být lopatka vysokotlaké turbíny s defekty delaminace umístěna na disk vzorku a disk se vzorky může být porovnán s běžným diskem vzorku, aby se našly defekty delaminace materiálu. Pokud se během procesu určování polohy vyskytne problém, je nutná další kontrola, aby se určilo jeho konkrétní umístění, aby se určil konkrétní typ defektu.
4.3 Poréznost a vady vměstků strusky, jako je pórovitost a vměstky strusky, jsou běžnými problémy s kvalitou při výrobě vysokotlakých lopatek turbín. Poréznost je hlavní příčinou poklesu pevnosti materiálu, což má významný dopad na výkon vysokotlakých lopatek turbíny. Ve skutečné výrobě se vady často vyznačují malými bublinkami uvnitř. Ve srovnání s jinými pevnými látkami je velikost bubliny velmi malá ve srovnání s jinými pevnými látkami, když je vnitřní stěna bubliny vystavena velkému namáhání, dojde k prasklinám, navíc je vnitřní stěna bubliny relativně slabá, snadno se protrhne působením vnějšího napětí. Při zpracování vysokotlakých lopatek turbíny dochází k určitým problémům s přenosem tepla, které do určité míry způsobí jev hoření. Pokud není ablační část včas odstraněna, mohou se vytvořit inkluze. Struskové vměstky jsou běžnou formou vměstků a defekty struskových vměstků jsou závažnější než defekty poréznosti, které nejenže vážně ovlivňují provozní výkon a životnost vysokotlakých lopatek turbíny, ale mohou také vést k poklesu pevnosti lopatek nebo dokonce k jejich selhání. Ve skutečné výrobě, pokud oblast vměstků strusky vysokotlakých lopatek turbíny není velká, lze k její detekci použít konvenční průmyslovou metodu CT; pokud je plocha strusky velká nebo jsou zde zjevné vady, měl by být k detekci a analýze použit průmyslový mikrokoksový CT. V procesu mikrofokusové průmyslové CT detekce, aby se zabránilo rozmazání obrazu, může být obraz předzpracován a segmentován, aby se získaly jasné a přesné informace o defektech.
Stručně řečeno, s neustálým vývojem technologie leteckých motorů se kvalita detekce vysokotlakých lopatek turbíny stává stále důležitější. Tento článek představuje několik běžných technologií detekce vad lopatek vysokotlaké turbíny. V praktických aplikacích se různé technologie detekce defektů liší. Při aplikaci různých technologií detekce defektů je nutné je vybírat a kombinovat podle konkrétních podmínek lopatek. Vývoj technologie detekce vad lopatek vysokotlaké turbíny stále čelí mnoha výzvám a potížím. V budoucnu je třeba dále zlepšit přesnost zařízení, schopnost zpracování dat a výkon algoritmu, aby lépe vyhovovaly požadavkům na detekci defektů lopatek vysokotlakých lopatek leteckých motorů.
