Análise da tecnologia de detecção de defeitos da lâmina da turbina de alta pressão do motor aeronáutico
A lâmina da turbina é um componente chave do motor aeronáutico e seu processamento é complicado, o que requer inspeção de altíssima qualidade. A escrita direta a laser (LDM) é usada para fabricar pás de turbinas domésticas de alta pressão. Possui características de alta precisão, alta densidade e alta resolução espectral, podendo ser usado para medição 3D, testes não destrutivos e reconstrução 3D de produtos 3D. Com a aplicação da tecnologia de escrita direta a laser em fabricantes nacionais de pás de turbina de alta pressão, as pás de turbina de alta pressão alcançaram a produção em massa. Este artigo apresenta o processo de formação de escrita direta a laser e a tecnologia de detecção de defeitos de pás de turbinas domésticas de alta pressão e analisa o método e software de detecção de defeitos.
Com o rápido desenvolvimento da tecnologia de motores aeronáuticos, os motores aeronáuticos impõem requisitos mais elevados à qualidade das pás. A resistência das pás da turbina, a vida em fadiga e a complexidade da massa superficial são indicadores importantes para medir seu desempenho. Devido ao complexo processo de fabricação das pás da turbina de alta pressão, a maioria das pás é produzida por escrita direta a laser. A tecnologia de escrita direta a laser usa um laser semicondutor de alta potência para irradiar continuamente o laser na área a ser processada, de modo que forme uma distribuição uniforme dos feixes de laser na área a ser processada. Os métodos de teste tradicionais incluem usinagem e testes não destrutivos, que apresentam alguns problemas como alto custo de processamento, baixa eficiência de detecção e facilidade de serem perturbados por humanos. Portanto, para garantir que as pás da turbina tenham excelentes propriedades mecânicas, resistência à corrosão e resistência à fadiga, elas devem ser testadas com precisão e rapidez.
1. Introdução ao processo LDM
A escrita direta a laser (LDM) é um tipo de feixe de laser com intensidade variável para implementar exposição de dose variável no material resistente na superfície do substrato e formar o contorno de relevo necessário na superfície resistente após o desenvolvimento. Seu conteúdo principal inclui: selecionar o material cerâmico apropriado, selecionar o método de processamento apropriado, otimizar os parâmetros de processamento a laser. A tecnologia LDM é um método de uso de laser de alta potência para escrever diferentes padrões em materiais cerâmicos. Ele gravou microestruturas na superfície de materiais cerâmicos para obter morfologia complexa, resolução hiperespectral e modelagem digital de produtos, e integrou-as ao processo LDM para gerar detalhes de superfície ricos para atender aos requisitos de alta precisão e alta estabilidade de equipamentos de precisão, como motores de aeronaves. A tecnologia de escrita direta a laser é um conjunto de processamento a laser, testes não destrutivos, processamento de imagem, CAD/CAM em uma das novas tecnologias de fabricação, em comparação com o processo tradicional, a tecnologia tem as seguintes vantagens: ① alta precisão de processamento; ② Velocidade de processamento rápida; ③ Alta taxa de utilização de materiais; ④ Boa qualidade de superfície; ⑤ pode ser personalização personalizada. A tecnologia LDM usa o método de escrita direta a laser para escrever a superfície de materiais cerâmicos, e reações fotoquímicas ocorrem na microestrutura interna do material (como átomos, moléculas, etc.) sob a ação do laser, alterando assim a estrutura e as propriedades do material. Existem muitas maneiras de obter a tecnologia de escrita direta a laser e existem principalmente três tipos de materiais cerâmicos: o primeiro tipo é o método tradicional (como deposição química de vapor, têmpera rápida de fusão, CVD aprimorado por plasma, etc.); Em segundo lugar, tecnologia avançada (como impressão 3D, escrita direta a laser, etc.); A terceira é a impressão 3D + tecnologia de pólo de fusão a laser (como: impressão 3D + tecnologia de mudança de pólo de fusão a laser, etc.). Existem três métodos principais de tecnologia de formação por fusão seletiva a laser. Uma delas é usar o laser para desnudar materiais cerâmicos e fazê-los ter uma morfologia tridimensional complexa. A segunda é gravura, gravura; A terceira é usar o método de gravação direta a laser na superfície de materiais cerâmicos para processamento gráfico. A densidade de energia do laser usada na tecnologia LDM é alta e uma alta densidade de energia é necessária para gravar materiais cerâmicos. Ao mesmo tempo, a profundidade da ablação a laser deve ser controlada com precisão.
2. Tecnologia de detecção de defeitos
Atualmente, a detecção industrial de defeitos nas lâminas é principalmente o método de raios X, o método ultrassônico e o método de perspectiva de raios X. Método de raios X, método ultrassônico é um método de teste não destrutivo, pode detectar os defeitos internos do material, o método de perspectiva de raios X é um uso de raios X ou raios gama emitidos pela fonte para irradiar o objeto processado, de modo a detectar os pequenos defeitos dentro do material, mas a capacidade de penetração do raio é limitada, não consegue detectar os pequenos defeitos. Portanto, em aplicações práticas, o método de raios X e o método ultrassônico são os principais meios de detecção. Porém, com o desenvolvimento da tecnologia, a detecção industrial de TC com microfoco tem sido amplamente utilizada na área de fabricação de pás de turbinas devido à sua não destrutiva, alta eficiência e alta precisão.
(a) Transiluminação radiográfica da borda de entrada
(b) Penetração radiográfica da borda de exaustão
(c) A borda de entrada é transiluminada por radiografia digital
2.1 Detecção de raios X A detecção de raios X consiste em usar um tubo de raios X para emitir raios X na superfície do objeto em teste, observar os defeitos na superfície do objeto em teste e, em seguida, usar a gravação de imagem para quantificar e localize o objeto. De acordo com as diferentes profundidades de penetração, os raios X podem ser divididos em três métodos: profundidade de penetração, largura de penetração e espessura de penetração. O método de transiluminação utiliza tubo de raios X para irradiar a superfície do material testado para detectar os defeitos internos do material. Devido à limitação de equipamentos e tecnologia, o método é difícil de conseguir uma quantificação precisa dos defeitos internos de peças estruturais complexas. Este método é adequado para peças com superfície lisa e densidade uniforme, mas não pode localizar e quantificar com precisão os componentes internos complexos.
2.2 Detecção ultrassônica O princípio básico da detecção ultrassônica é usar o detector ultrassônico e a sonda para emitir ondas ultrassônicas, e a sonda recebe o eco para posicionamento. A tecnologia de detecção ultrassônica é amplamente utilizada em campos industriais devido às suas vantagens de alta sensibilidade, alta penetração, alta precisão e detecção contínua. Para materiais metálicos, geralmente usam dois métodos de cabeça reta e cabeça oblíqua, a profundidade de detecção da cabeça reta é geralmente de 1 mm, a profundidade de detecção da cabeça inclinada é geralmente de 5 mm, em aplicações práticas, dispositivo de detecção ultrassônica de acordo com os diferentes objetos a serem medidos, usando diferentes sondas. A condutividade térmica do material das pás da turbina é alta, portanto, a sonda com bom desempenho térmico deve ser selecionada para detecção ultrassônica. Para sinal ultrassônico de baixa intensidade, como haste de cerâmica de vidro à temperatura ambiente, devido às suas boas propriedades térmicas, pode atender totalmente aos requisitos de detecção. Para materiais contendo defeitos ou inclusões de alta densidade, uma sonda com forte penetração e alta sensibilidade deve ser selecionada, e para materiais contendo defeitos de grande tamanho, o método de emissão contínua e o método de reflexão de pulso podem ser usados para detectar. Na aplicação prática, o método de acoplamento de onda longitudinal única, onda de cisalhamento dupla e onda longitudinal pode ser usado, e é viável usar detecção de onda longitudinal única para materiais contendo trincas e outros defeitos. Atualmente, a tecnologia de teste ultrassônico tem sido amplamente utilizada, mas devido ao seu equipamento de teste caro, não é adequada para testes de campo.
2.3 Detecção de TC industrial de microfoco A detecção de TC industrial de microfoco usa principalmente transmissão e reflexão de raios X ou raios gama na substância para formar um feixe de raios e, em seguida, o detector recebe a irradiação do feixe de raios no objeto detectado para absorver energia, convertida em X- raios ou raios gama, e então o detector converte a energia em sinais elétricos, e então a imagem da estrutura do objeto pode ser obtida após o processamento. Durante a detecção, o objeto é primeiro colocado na fonte de raios X e, em seguida, o sinal formado pelo feixe de raios X que passa pelo objeto é recebido pelo método de varredura. Quando o objeto de detecção estiver em um estado não transparente, o sinal recebido pelo detector será irregular; Speckle é gerado pelo sinal recebido pelo detector quando o objeto detectado é transmitido. Quando a área do ponto é grande, indica que há um grande defeito no objeto detectado. Quando a área do ponto é pequena, indica que há um pequeno defeito no objeto detectado. Para eliminar o efeito de manchas na qualidade da imagem, métodos especiais podem ser usados para eliminar o efeito de manchas e melhorar a qualidade da imagem. Por exemplo, um filtro de cor pode ser adicionado na frente do detector para eliminar manchas, além disso, manchas podem ser suprimidas alterando os parâmetros do detector e a varredura linear pode ser realizada para defeitos de tamanho pequeno; Para defeitos de grandes dimensões, é possível a digitalização de superfície. Para a detecção de pás de turbina de alta pressão, métodos de teste e parâmetros de teste apropriados devem ser selecionados de acordo com as condições específicas de trabalho. A detecção de luz multifeixe é geralmente adotada e detectores de arranjo linear são usados como a principal unidade de detecção no sistema de aquisição de imagem. Os raios X e os raios gama são usados principalmente para detecção de diferentes materiais de lâmina.
3. Introdução ao software de detecção de defeitos
Este artigo apresenta um software de tomografia computadorizada microfocal adequado para detecção de defeitos em pás de turbinas de alta pressão. O software executa principalmente as seguintes funções: (1) leitura de dados de varredura; ② Medição e análise de imagens; ③ Detecção automática de defeitos; ④ Gerenciamento de dados; ⑤ Controle de qualidade; ⑥ Reconstrução tridimensional. Dentre eles, a leitura dos dados digitalizados é um dado muito importante, que determina o número, posição, forma, tamanho e outras informações do ponto médio da imagem. Com base nos resultados da detecção, os resultados da tomografia computadorizada podem ser ajustados de acordo com diferentes requisitos. Para processamento de dados de digitalização, o software possui classificação de defeitos, filtragem de defeitos, registro de defeitos, correção de defeitos, reconstrução de defeitos e outras funções. Tabela 1 Parâmetros da tomografia computadorizada.
4. Pesquisa de teste de detecção de lâmina LDM
Os dados reais de operação antes e depois da mistura são mostrados na Tabela 6. Pode-se observar na Tabela 6 que, sob condições de teste, quando 100% de gás natural é queimado, a potência de saída da turbina a gás é de 179,8 MW. e a eficiência é de 35,49%. A potência de saída da turbina a gás é de 169,0 MW e a eficiência é de 35,81%, o que é basicamente consistente com o valor calculado.
4.1 Defeitos de processamento secundário O processamento secundário refere-se ao reparo da lâmina, retificação, polimento e outros processos de processamento. No processo de processamento secundário podem aparecer os seguintes problemas: (1) a rugosidade da superfície não está de acordo com o padrão: no processo de polimento o equipamento de polimento produzirá um certo ruído, de modo que a rugosidade da superfície após o polimento não atenda aos requisitos. Para eliminar esse tipo de ruído, os fabricantes geralmente usam ultrassom, eletrólise e outros métodos para removê-lo, ultrassônico, a eletrólise pode remover a rugosidade da superfície, mas o ultrassônico é mais suscetível ao impacto de poeira ou óleo na superfície da lâmina, portanto, sejam ultrassônicos ou eletrólise, não são adequados para remover a rugosidade da superfície da lâmina. Na produção real, quando a rugosidade da superfície da lâmina não atende aos requisitos, a retificação pode ser usada. Embora os defeitos possam ser eliminados de forma eficaz, o processamento secundário ainda é necessário após a retificação. (2) Qualidade superficial não qualificada: No processo de produção de pás de turbina de alta pressão, se a qualidade superficial das pás não atender ao padrão, medidas como polimento e polimento podem ser tomadas para resolver o problema. Embora este método possa eliminar defeitos, reduz o desempenho das lâminas. Para melhorar seu desempenho, os fabricantes costumam polir e polir muitas vezes no processo de produção, mas ao lixar e polir é fácil produzir defeitos secundários de processamento.
4.2 Estratificação de materiais No processo de fabricação de pás de turbinas de alta pressão, devido à incompatibilidade dos parâmetros do processo, uma ou mais matérias-primas ou impurezas entram no interior das pás, resultando na estratificação do material. No teste real, a lâmina da turbina de alta pressão com defeitos de delaminação pode ser colocada no disco de amostra, e o disco de amostra pode ser comparado com o disco de amostra comum para encontrar os defeitos de delaminação do material. Se houver algum problema durante o processo de posicionamento, será necessária uma inspeção adicional para determinar sua localização específica, de modo a determinar o tipo específico de defeito.
4.3 Porosidade e defeitos de inclusão de escória, como porosidade e inclusão de escória, são problemas de qualidade comuns na produção de pás de turbina de alta pressão. O defeito de porosidade é a principal causa do declínio da resistência do material, o que tem um impacto importante no desempenho das pás da turbina de alta pressão. Na produção real, os defeitos são frequentemente caracterizados por pequenas bolhas no interior. Comparado com outras substâncias sólidas, o tamanho da bolha é muito pequeno em comparação com outras substâncias sólidas, quando a parede interna da bolha é submetida a grande tensão, ocorrerão rachaduras, além disso, a parede interna da bolha é relativamente fraca, fácil de romper sob a ação de tensões externas. Existem alguns problemas de transferência de calor no processamento de pás de turbinas de alta pressão, o que causará até certo ponto o fenômeno de queima. Se a parte de ablação não for removida a tempo, podem formar-se inclusões. A inclusão de escória é uma forma comum de inclusões, e os defeitos de inclusão de escória são mais graves do que os defeitos de porosidade, que não só afetam seriamente o desempenho de serviço e a vida útil das pás da turbina de alta pressão, mas também podem levar ao declínio da resistência das pás ou mesmo à falha. Na produção real, se a área de inclusão de escória das pás da turbina de alta pressão não for grande, o método CT industrial convencional pode ser usado para detectá-la; se a área de escória for grande ou houver defeitos óbvios, o CT industrial de microcoque deve ser usado para detectar e analisar. No processo de detecção de TC industrial com microfoco, para evitar desfoque de imagem, a imagem pode ser pré-processada e segmentada para obter informações claras e precisas sobre defeitos.
Em resumo, com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de motores aeronáuticos, a detecção de qualidade de pás de turbinas de alta pressão está se tornando cada vez mais importante. Este artigo apresenta várias tecnologias comuns de detecção de defeitos em pás de turbinas de alta pressão. Em aplicações práticas, diferentes tecnologias de detecção de defeitos são diferentes. Ao aplicar diferentes tecnologias de detecção de defeitos, é necessário selecioná-las e combiná-las de acordo com as condições específicas das lâminas. O desenvolvimento da tecnologia de detecção de defeitos nas pás das turbinas de alta pressão ainda enfrenta muitos desafios e dificuldades. No futuro, a precisão do equipamento, a capacidade de processamento de dados e o desempenho do algoritmo precisam ser melhorados para melhor atender aos requisitos de detecção de defeitos nas pás das turbinas de alta pressão em motores aeronáuticos.
