Analiza technologii wykrywania defektów łopatki turbiny wysokociśnieniowej silnika lotniczego
Łopatka turbiny jest kluczowym elementem silnika lotniczego, a jej obróbka jest skomplikowana, co wymaga bardzo wysokiej kontroli jakości. Do produkcji łopatek turbin wysokociśnieniowych do użytku domowego stosuje się pisanie laserowe (LDM). Charakteryzuje się wysoką precyzją, dużą gęstością i wysoką rozdzielczością widmową i może być stosowany do pomiarów 3D, badań nieniszczących i rekonstrukcji 3D produktów 3D. Dzięki zastosowaniu technologii bezpośredniego zapisu laserowego u krajowych producentów łopatek turbin wysokociśnieniowych, łopatki turbin wysokociśnieniowych osiągnęły masową produkcję. W artykule przedstawiono proces bezpośredniego formowania zapisu laserowego i technologię wykrywania defektów łopatek turbin wysokociśnieniowych do użytku domowego, a także przeprowadzono analizę metody i oprogramowania do wykrywania defektów.
Wraz z szybkim rozwojem technologii silników lotniczych, silniki lotnicze stawiają wyższe wymagania dotyczące jakości łopatek. Wytrzymałość łopatek turbiny, trwałość zmęczeniowa i złożoność masy powierzchniowej to ważne wskaźniki mierzące jej wydajność. Ze względu na złożony proces produkcji łopatek turbin wysokociśnieniowych większość łopatek jest wytwarzana metodą bezpośredniego pisania laserowego. Technologia bezpośredniego pisania laserowego wykorzystuje laser półprzewodnikowy o dużej mocy do ciągłego naświetlania lasera w obszarze poddawanym obróbce, dzięki czemu tworzy się równomierny rozkład wiązek laserowych w obszarze poddawanym obróbce. Tradycyjne metody testowania obejmują obróbkę skrawaniem i badania nieniszczące, które wiążą się z pewnymi problemami, takimi jak wysokie koszty przetwarzania, niska skuteczność wykrywania i łatwość zakłócania przez człowieka. Dlatego, aby mieć pewność, że łopatki turbin charakteryzują się doskonałymi właściwościami mechanicznymi, odpornością na korozję i odpornością zmęczeniową, należy je dokładnie i szybko przetestować.
1. Wprowadzenie do procesu LDM
Bezpośrednie pisanie laserowe (LDM) to rodzaj wiązki laserowej o zmiennym natężeniu, która umożliwia narażenie zmiennej dawki na materiał oporowy na powierzchni podłoża i utworzenie wymaganego konturu reliefu na powierzchni oporowej po wywołaniu. Jego główne treści obejmują: wybór odpowiedniego materiału ceramicznego, wybór odpowiedniej metody obróbki, optymalizację parametrów obróbki laserowej. Technologia LDM to metoda wykorzystująca laser dużej mocy do zapisywania różnych wzorów na materiałach ceramicznych. Wytrawiono mikrostruktury na powierzchni materiałów ceramicznych, aby uzyskać złożoną morfologię, rozdzielczość hiperspektralną i cyfrowe modelowanie produktu, a następnie zintegrowano je z procesem LDM w celu wygenerowania bogatych szczegółów powierzchni w celu spełnienia wymagań wysokiej precyzji i wysokiej stabilności precyzyjnego sprzętu, takiego jak silniki lotnicze. Technologia bezpośredniego pisania laserowego to zestaw obróbki laserowej, badań nieniszczących, przetwarzania obrazu, CAD/CAM w jednej z nowych technologii produkcyjnych, w porównaniu z tradycyjnym procesem, technologia ma następujące zalety: ① wysoka dokładność przetwarzania; ② Duża prędkość przetwarzania; ③ Wysoki stopień wykorzystania materiału; ④ Dobra jakość powierzchni; ⑤ można spersonalizować. Technologia LDM wykorzystuje metodę bezpośredniego pisania laserowego do zapisywania powierzchni materiałów ceramicznych, a reakcje fotochemiczne zachodzą w wewnętrznej mikrostrukturze materiału (takiej jak atomy, cząsteczki itp.) pod działaniem lasera, zmieniając w ten sposób strukturę i właściwości materiału tworzywo. Istnieje wiele sposobów osiągnięcia technologii bezpośredniego zapisu laserowego, a w przypadku materiałów ceramicznych istnieją głównie trzy typy: pierwszy typ to metoda tradycyjna (taka jak chemiczne osadzanie z fazy gazowej, szybkie hartowanie w topieniu, CVD wzmocnione plazmą itp.); Po drugie, zaawansowana technologia (taka jak druk 3D, bezpośrednie pisanie laserowe itp.); Trzeci to druk 3D + technologia bieguna topienia laserowego (taka jak: druk 3D + technologia przesuwania bieguna topienia lasera itp.). Istnieją trzy główne metody technologii formowania laserowego selektywnego topienia. Jednym z nich jest użycie lasera do usuwania materiałów ceramicznych w celu nadania im złożonej trójwymiarowej morfologii. Drugi to trawienie, trawienie; Trzecim jest wykorzystanie metody bezpośredniego trawienia laserowego na powierzchni materiałów ceramicznych do obróbki graficznej. Gęstość energii lasera stosowana w technologii LDM jest wysoka, a do wytrawiania materiałów ceramicznych wymagana jest duża gęstość energii. Jednocześnie należy dokładnie kontrolować głębokość ablacji laserowej.
2. Technologia wykrywania defektów
Obecnie przemysłowe wykrywanie wad ostrzy to głównie metoda rentgenowska, metoda ultradźwiękowa i metoda perspektywy rentgenowskiej. Metoda rentgenowska, metoda ultradźwiękowa jest metodą badań nieniszczących, pozwala wykryć wady wewnętrzne materiału, metoda perspektywy rentgenowskiej polega na wykorzystaniu promieni rentgenowskich lub gamma emitowanych przez źródło do naświetlania obrabianego przedmiotu, aby wykryć drobne defekty wewnątrz materiału, ale zdolność penetracji promieni jest ograniczona, nie można wykryć drobnych defektów. Dlatego w zastosowaniach praktycznych głównymi środkami detekcyjnymi są metoda rentgenowska i metoda ultradźwiękowa. Jednakże wraz z rozwojem technologii, przemysłowa detekcja CT z mikroogniskiem znalazła szerokie zastosowanie w produkcji łopatek turbin ze względu na jej nieniszczącą, wysoką wydajność i wysoką precyzję.
(a) Prześwietlenie radiograficzne krawędzi wlotowej
(b) Penetracja radiograficzna krawędzi wydechu
(c) Krawędź wlotowa jest oświetlana metodą radiografii cyfrowej
2.1 Wykrywanie promieni rentgenowskich Wykrywanie promieni rentgenowskich polega na wykorzystaniu lampy rentgenowskiej do emisji promieni rentgenowskich na powierzchni badanego obiektu, obserwacji defektów na powierzchni badanego obiektu, a następnie wykorzystaniu rejestracji obrazu do oceny ilościowej i zlokalizuj obiekt. W zależności od głębokości penetracji promieniowanie rentgenowskie można podzielić na trzy metody: głębokość penetracji, szerokość penetracji i grubość penetracji. Metoda transiluminacyjna wykorzystuje lampę rentgenowską do naświetlania powierzchni badanego materiału w celu wykrycia wewnętrznych defektów materiału. Ze względu na ograniczenia sprzętu i technologii, metoda ta jest trudna do dokładnego określenia ilościowego wad wewnętrznych złożonych części konstrukcyjnych. Ta metoda jest odpowiednia dla przedmiotu obrabianego o gładkiej powierzchni i jednolitej gęstości, ale nie pozwala na dokładne zlokalizowanie i określenie ilościowe złożonych elementów wewnętrznych.
2.2 Detekcja ultradźwiękowa Podstawową zasadą detekcji ultradźwiękowej jest wykorzystanie detektora ultradźwiękowego i sondy do emisji fal ultradźwiękowych, a sonda odbiera echo w celu pozycjonowania. Technologia detekcji ultradźwiękowej jest szeroko stosowana w przemyśle ze względu na jej zalety, takie jak wysoka czułość, wysoka penetracja, wysoka precyzja i ciągłe wykrywanie. W przypadku materiałów metalowych zwykle stosuje się dwie metody z głowicą prostą i głowicą ukośną, głębokość wykrywania głowicy prostej wynosi zazwyczaj 1 mm, głębokość wykrywania głowicy nachylonej wynosi zazwyczaj 5 mm, w praktycznych zastosowaniach ultradźwiękowe urządzenie wykrywające w zależności od różnych mierzonych obiektów przy użyciu różnych sond. Przewodność cieplna materiału łopatki turbiny jest wysoka, dlatego do wykrywania ultradźwiękowego należy wybrać sondę o dobrych parametrach cieplnych. W przypadku sygnału ultradźwiękowego o niskim natężeniu, takiego jak pręt szklano-ceramiczny o temperaturze pokojowej, ze względu na dobre właściwości termiczne, może w pełni spełnić wymagania wykrywania. W przypadku materiałów zawierających defekty lub wtrącenia o dużej gęstości należy wybrać sondę o silnej penetracji i dużej czułości, natomiast w przypadku materiałów zawierających defekty o dużych rozmiarach można do wykrywania zastosować metodę emisji ciągłej i metodę odbicia impulsowego. W praktyce można zastosować metodę łączenia pojedynczej fali podłużnej, podwójnej fali poprzecznej i fali podłużnej, a w przypadku materiałów zawierających pęknięcia i inne defekty możliwe jest zastosowanie detekcji pojedynczej fali podłużnej. Obecnie technologia badań ultradźwiękowych jest szeroko stosowana, ale ze względu na kosztowny sprzęt badawczy nie nadaje się ona do badań w terenie.
2.3 Przemysłowa detekcja CT z mikroogniskiem Do przemysłowej detekcji CT z mikroogniskiem wykorzystuje się głównie transmisję i odbicie promieni rentgenowskich lub gamma w substancji w celu utworzenia wiązki promieni, a następnie detektor odbiera wiązkę promieni promieniotwórczych na wykryty obiekt w celu absorpcji energii, zamienionej na promieniowanie rentgenowskie promienie gamma lub gamma, a następnie detektor przetwarza tę energię na sygnały elektryczne i wtedy po obróbce można uzyskać obraz struktury obiektu. Podczas detekcji obiekt umieszczany jest najpierw na źródle promieniowania rentgenowskiego, a następnie sygnał powstający w wyniku przejścia wiązki promieni rentgenowskich przez obiekt odbierany jest metodą skaningową. Gdy wykrywany obiekt jest w stanie nieprzezroczystym, sygnał odbierany przez detektor będzie nierówny; Plamka jest generowana przez sygnał odbierany przez detektor podczas transmisji wykrytego obiektu. Jeśli obszar plamki jest duży, oznacza to, że w wykrytym obiekcie występuje duży defekt. Gdy obszar plamki jest mały, oznacza to, że w wykrytym obiekcie występuje niewielka defekt. Aby wyeliminować wpływ plamek na jakość obrazu, można zastosować specjalne metody eliminowania efektu plamek i poprawy jakości obrazu. Na przykład przed detektorem można dodać filtr barwny, aby wyeliminować plamy, dodatkowo można stłumić plamki poprzez zmianę parametrów detektora, a w przypadku defektów o małych rozmiarach można wykonać skanowanie liniowe; W przypadku wad o dużych rozmiarach możliwe jest skanowanie powierzchniowe. Do wykrywania łopatek turbin wysokociśnieniowych należy dobrać odpowiednie metody badań i parametry badań w zależności od konkretnych warunków pracy. Zwykle stosuje się wielowiązkową detekcję światła, a detektory liniowe są używane jako główna jednostka detekcyjna w systemie akwizycji obrazu. Promienie rentgenowskie i gamma są wykorzystywane głównie do wykrywania w zależności od różnych materiałów ostrza.
3. Wprowadzenie do oprogramowania do wykrywania defektów
W artykule przedstawiono oprogramowanie do mikrofokalnej tomografii komputerowej odpowiednie do wykrywania defektów łopatek turbin wysokociśnieniowych. Oprogramowanie realizuje głównie następujące funkcje: (1) odczyt danych skanowania; ② Pomiar i analiza obrazu; ③ Automatyczne wykrywanie defektów; ④ Zarządzanie danymi; ⑤ Kontrola jakości; ⑥ Rekonstrukcja trójwymiarowa. Wśród nich bardzo ważnymi danymi jest odczyt danych skanu, który określa liczbę, położenie, kształt, rozmiar i inne informacje dotyczące punktu środkowego obrazu. Na podstawie wyników wykrywania wyniki tomografii komputerowej można dostosować do różnych wymagań. Do przetwarzania danych skanowania oprogramowanie posiada klasyfikację defektów, filtrowanie defektów, rejestrację defektów, korekcję defektów, rekonstrukcję defektów i inne funkcje. Tabela 1 Parametry tomografii komputerowej.
4. Badania testowe wykrywania ostrzy LDM
Rzeczywiste dane pracy przed i po mieszaniu przedstawiono w tabeli 6. Z tabeli 6 można zobaczyć, że w warunkach testowych, przy spalaniu 100% gazu ziemnego, moc wyjściowa turbiny gazowej wynosi 179,8 MW a wydajność wynosi 35,49%. Moc wyjściowa turbiny gazowej wynosi 169,0 MW, a sprawność 35,81%, co w zasadzie jest zgodne z wartością obliczoną.
4.1 Wady w procesie przetwarzania wtórnego Obróbka wtórna odnosi się do naprawy ostrza, szlifowania, polerowania i innych procesów przetwarzania. W procesie przetwarzania wtórnego mogą pojawić się następujące problemy: (1) chropowatość powierzchni nie jest zgodna ze standardem: w procesie polerowania sprzęt polerski wytworzy pewien hałas, tak że chropowatość powierzchni po polerowaniu nie może spełniać wymagań. Aby wyeliminować tego rodzaju hałas, producenci zazwyczaj stosują ultradźwięki, elektrolizę i inne metody jego usuwania, ultradźwiękowe, elektroliza może usunąć chropowatość powierzchni, ale ultradźwięki są bardziej podatne na wpływ kurzu lub oleju na powierzchnię ostrza, dlatego też, czy to ultradźwiękowe, czy elektrolityczne, nie nadają się do usuwania chropowatości powierzchni ostrza. W rzeczywistej produkcji, gdy chropowatość powierzchni ostrza nie spełnia wymagań, można zastosować szlifowanie. Chociaż wady można skutecznie wyeliminować, po szlifowaniu nadal konieczna jest wtórna obróbka. (2) Niewłaściwa jakość powierzchni: W procesie produkcji łopatek turbin wysokociśnieniowych, jeśli jakość powierzchni łopatek nie spełnia normy, w celu rozwiązania problemu można podjąć środki takie jak polerowanie i polerowanie. Chociaż ta metoda może wyeliminować defekty, zmniejsza wydajność ostrzy. Aby poprawić jego wydajność, producenci często wielokrotnie go polerują i polerują w procesie produkcyjnym, ale podczas szlifowania i polerowania łatwo jest wytworzyć wtórne wady technologiczne.
4.2 Rozwarstwienie materiału W procesie produkcyjnym łopatek turbin wysokociśnieniowych, na skutek niedopasowania parametrów procesu, do wnętrza łopatek przedostaje się jeden lub więcej surowców lub zanieczyszczeń, co powoduje rozwarstwienie materiału. W rzeczywistym teście łopatkę turbiny wysokociśnieniowej z defektami rozwarstwienia można umieścić na dysku próbki, a dysk próbki można porównać ze zwykłym dyskiem próbki, aby znaleźć defekty rozwarstwienia materiału. Jeśli podczas procesu pozycjonowania wystąpi problem, konieczna jest dalsza kontrola w celu ustalenia jego konkretnej lokalizacji, aby określić konkretny rodzaj wady.
4.3 Porowatość i wtrącenia żużlowe, takie jak porowatość i wtrącenia żużlowe, są powszechnymi problemami jakościowymi występującymi przy produkcji łopatek turbin wysokociśnieniowych. Wada porowatości jest główną przyczyną spadku wytrzymałości materiału, co ma istotny wpływ na pracę łopatek turbin wysokociśnieniowych. W rzeczywistej produkcji wady często charakteryzują się obecnością małych pęcherzyków wewnątrz. W porównaniu z innymi substancjami stałymi, rozmiar pęcherzyka jest bardzo mały w porównaniu z innymi substancjami stałymi, gdy wewnętrzna ściana pęcherzyka zostanie poddana dużym naprężeniom, pojawią się pęknięcia, ponadto wewnętrzna ściana pęcherzyka jest stosunkowo słaba, łatwo pęknąć pod wpływem naprężeń zewnętrznych. Podczas obróbki łopatek turbin wysokociśnieniowych występują pewne problemy z przenoszeniem ciepła, które w pewnym stopniu powodują zjawisko spalania. Jeśli część ablacyjna nie zostanie usunięta na czas, mogą powstać wtrącenia. Wtrącenia żużla są powszechną formą wtrąceń, a defekty wtrąceń żużla są poważniejsze niż defekty porowatości, które nie tylko poważnie wpływają na wydajność eksploatacyjną i żywotność łopatek turbin wysokociśnieniowych, ale także mogą prowadzić do spadku wytrzymałości łopatek, a nawet awarii. W rzeczywistej produkcji, jeśli obszar wtrącenia żużla w łopatkach turbiny wysokociśnieniowej nie jest duży, do jego wykrycia można zastosować konwencjonalną przemysłową metodę CT; jeśli obszar żużla jest duży lub występują oczywiste defekty, do wykrywania i analizy należy zastosować przemysłową tomografię mikrokoksową. Aby zapobiec rozmyciu obrazu, w procesie przemysłowej detekcji tomografii komputerowej z mikroogniskiem, obraz można poddać wstępnej obróbce i segmentacji w celu uzyskania jasnych i dokładnych informacji o defektach.
Podsumowując, wraz z ciągłym rozwojem technologii silników lotniczych, wykrywanie jakości łopatek turbin wysokociśnieniowych staje się coraz ważniejsze. W artykule przedstawiono kilka popularnych technologii wykrywania defektów łopatek turbin wysokociśnieniowych. W zastosowaniach praktycznych różne technologie wykrywania defektów są różne. Stosując różne technologie wykrywania defektów, należy je dobierać i łączyć w zależności od specyficznych warunków ostrzy. Rozwój technologii wykrywania defektów łopatek turbin wysokociśnieniowych w dalszym ciągu napotyka wiele wyzwań i trudności. W przyszłości należy jeszcze bardziej ulepszyć dokładność sprzętu, możliwości przetwarzania danych i wydajność algorytmów, aby lepiej spełniać wymagania dotyczące wykrywania defektów łopatek turbin wysokociśnieniowych w silnikach lotniczych.
