Análisis de la tecnología de detección de defectos en álabe de turbina de alta presión de motor aeronáutico.
La pala de turbina es un componente clave del motor aeronáutico y su procesamiento es complicado, lo que requiere una inspección de muy alta calidad. La escritura directa por láser (LDM) se utiliza para fabricar álabes de turbinas domésticas de alta presión. Tiene las características de alta precisión, alta densidad y alta resolución espectral, y puede usarse para mediciones 3D, pruebas no destructivas y reconstrucción 3D de productos 3D. Con la aplicación de la tecnología de escritura directa por láser en los fabricantes nacionales de palas de turbinas de alta presión, las palas de turbinas de alta presión han logrado una producción en masa. Este artículo presenta el proceso de formación de escritura directa por láser y la tecnología de detección de defectos de álabes de turbinas de alta presión domésticas, y analiza el método y el software de detección de defectos.
Con el rápido desarrollo de la tecnología de motores aeronáuticos, los motores aeronáuticos plantean requisitos más altos en cuanto a la calidad de las palas. La resistencia de las palas de la turbina, la vida a la fatiga y la complejidad de la masa superficial son indicadores importantes para medir su rendimiento. Debido al complejo proceso de fabricación de los álabes de las turbinas de alta presión, la mayoría de los álabes se producen mediante escritura directa por láser. La tecnología de escritura directa por láser utiliza un láser semiconductor de alta potencia para irradiar continuamente el láser en el área a procesar, de modo que forme una distribución uniforme de los rayos láser en el área a procesar. Los métodos de prueba tradicionales incluyen el mecanizado y las pruebas no destructivas, que tienen algunos problemas como un alto costo de procesamiento, una baja eficiencia de detección y una fácil alteración por parte de los humanos. Por lo tanto, para garantizar que las palas de la turbina tengan excelentes propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y resistencia a la fatiga, deben probarse con precisión y rapidez.
1.Introducción al proceso LDM
La escritura directa por láser (LDM) es un tipo de rayo láser con intensidad variable para implementar una exposición de dosis variable en el material resistente en la superficie del sustrato y formar el contorno de relieve requerido en la superficie resistente después del desarrollo. Sus contenidos principales incluyen: seleccionar el material cerámico apropiado, seleccionar el método de procesamiento apropiado, optimizar los parámetros de procesamiento láser. La tecnología LDM es un método que utiliza un láser de alta potencia para escribir diferentes patrones en materiales cerámicos. Grabó microestructuras en la superficie de materiales cerámicos para lograr una morfología compleja, resolución hiperespectral y modelado digital de productos, y lo integró con el proceso LDM para generar ricos detalles de superficie para cumplir con los requisitos de alta precisión y alta estabilidad de equipos de precisión como los motores de aviones. La tecnología de escritura directa por láser es un conjunto de procesamiento láser, pruebas no destructivas, procesamiento de imágenes y CAD/CAM en una de las nuevas tecnologías de fabricación. En comparación con el proceso tradicional, la tecnología tiene las siguientes ventajas: ① alta precisión de procesamiento; ② Velocidad de procesamiento rápida; ③ Alta tasa de utilización de material; ④ Buena calidad superficial; ⑤ se puede personalizar. La tecnología LDM utiliza un método de escritura directa con láser para escribir la superficie de los materiales cerámicos, y se producen reacciones fotoquímicas en la microestructura interna del material (como átomos, moléculas, etc.) bajo la acción del láser, cambiando así la estructura y las propiedades del material. Hay muchas formas de lograr la tecnología de escritura directa con láser, y existen principalmente tres tipos para materiales cerámicos: el primer tipo es el método tradicional (como deposición química de vapor, enfriamiento rápido por fusión, CVD mejorado con plasma, etc.); En segundo lugar, la tecnología avanzada (como la impresión 3D, la escritura directa con láser, etc.); El tercero es la impresión 3D + tecnología de polo de fusión por láser (como: impresión 3D + tecnología de cambio de polos de fusión por láser, etc.). Hay tres métodos principales de tecnología de conformación por fusión selectiva por láser. Una es utilizar láser para desnudar materiales cerámicos y darles una morfología tridimensional compleja. El segundo es el grabado, el grabado; El tercero es utilizar el método de grabado directo con láser en la superficie de materiales cerámicos para el procesamiento gráfico. La densidad de energía del láser utilizada en la tecnología LDM es alta y se requiere una alta densidad de energía para grabar materiales cerámicos. Al mismo tiempo, se debe controlar con precisión la profundidad de la ablación con láser.
2. Tecnología de detección de defectos
En la actualidad, la detección industrial de defectos en las palas se realiza principalmente mediante el método de rayos X, el método ultrasónico y el método de perspectiva de rayos X. El método de rayos X, el método ultrasónico es un método de prueba no destructivo, puede detectar los defectos internos del material, el método de perspectiva de rayos X es un uso de rayos X o rayos gamma emitidos por la fuente para irradiar el objeto procesado. para detectar los pequeños defectos dentro del material, pero la capacidad de penetración de los rayos es limitada, no puede detectar los pequeños defectos. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, el método de rayos X y el método ultrasónico son los principales medios de detección. Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología, la detección industrial por CT con microenfoque se ha utilizado ampliamente en el campo de la fabricación de palas de turbinas debido a su alta eficiencia, alta precisión y no destructividad.
(a) Transiluminación radiográfica del borde de entrada.
(b) Penetración radiográfica del borde de escape.
(c) El borde de entrada se transilumina mediante radiografía digital.
2.1 Detección de rayos X La detección de rayos X consiste en utilizar un tubo de rayos X para emitir rayos X en la superficie del objeto bajo prueba, observar los defectos en la superficie del objeto bajo prueba y luego usar la grabación de imágenes para cuantificar. y localizar el objeto. Según las diferentes profundidades de penetración, los rayos X se pueden dividir en tres métodos: profundidad de penetración, ancho de penetración y espesor de penetración. El método de transiluminación utiliza un tubo de rayos X para irradiar la superficie del material probado para detectar los defectos internos del material. Debido a la limitación del equipo y la tecnología, el método es difícil de lograr una cuantificación precisa de los defectos internos de piezas estructurales complejas. Este método es adecuado para piezas de trabajo con superficie lisa y densidad uniforme, pero no puede localizar ni cuantificar con precisión los componentes internos complejos.
2.2 Detección ultrasónica El principio básico de la detección ultrasónica es utilizar el detector ultrasónico y la sonda para emitir ondas ultrasónicas, y la sonda recibe el eco para el posicionamiento. La tecnología de detección ultrasónica se usa ampliamente en campos industriales debido a sus ventajas de alta sensibilidad, alta penetración, alta precisión y detección continua. Para materiales metálicos, generalmente se utilizan dos métodos de cabeza recta y cabeza oblicua, la profundidad de detección de cabeza recta es generalmente de 1 mm, la profundidad de detección de cabeza inclinada es generalmente de 5 mm, en aplicaciones prácticas, el dispositivo de detección ultrasónica de acuerdo con los diferentes objetos a medir, utilizando diferentes sondas. La conductividad térmica del material de las palas de la turbina es alta, por lo que se debe seleccionar la sonda con buen rendimiento térmico para la detección ultrasónica. Para señales ultrasónicas de baja intensidad, como varillas de cerámica de vidrio a temperatura ambiente, debido a sus buenas propiedades térmicas, puede cumplir completamente con los requisitos de detección. Para materiales que contienen defectos o inclusiones de alta densidad, se debe seleccionar una sonda con fuerte penetración y alta sensibilidad, y para materiales que contienen defectos de gran tamaño, se puede utilizar el método de emisión continua y el método de reflexión de pulso para detectar. En la aplicación práctica, se puede utilizar el método de acoplamiento de onda longitudinal única, onda de corte doble y onda longitudinal, y es factible utilizar la detección de onda longitudinal única para materiales que contienen grietas y otros defectos. En la actualidad, la tecnología de prueba ultrasónica se ha utilizado ampliamente, pero debido a su costoso equipo de prueba, no es adecuada para pruebas de campo.
2.3 Detección de CT industrial con microenfoque La detección de CT industrial con microenfoque utiliza principalmente la transmisión y la reflexión de rayos X o rayos gamma en la sustancia para formar un haz de rayos, y luego el detector recibe la irradiación del haz de rayos sobre el objeto detectado para absorber energía, convertida en X- rayos o rayos gamma, y luego el detector convierte la energía en señales eléctricas, y luego se puede obtener la imagen de la estructura del objeto después del procesamiento. Durante la detección, el objeto se coloca primero en la fuente de rayos X y luego se recibe mediante el método de escaneo la señal formada por el haz de rayos X que pasa a través del objeto. Cuando el objeto de detección se encuentra en un estado no transparente, la señal recibida por el detector será irregular; El moteado se genera por la señal recibida por el detector cuando se transmite el objeto detectado. Cuando el área del punto es grande, indica que hay un defecto grande en el objeto detectado. Cuando el área del punto es pequeña, indica que hay un pequeño defecto en el objeto detectado. Para eliminar el efecto del moteado en la calidad de la imagen, se pueden utilizar métodos especiales para eliminar el efecto del moteado y mejorar la calidad de la imagen. Por ejemplo, se puede agregar un filtro de color delante del detector para eliminar manchas; además, se pueden suprimir las manchas cambiando los parámetros del detector y se puede realizar un escaneo lineal para defectos de tamaño pequeño; Para defectos de gran tamaño, es posible escanear la superficie. Para la detección de álabes de turbina de alta presión, se deben seleccionar métodos de prueba y parámetros de prueba apropiados de acuerdo con las condiciones de trabajo específicas. Generalmente se adopta la detección de luz multihaz y se utilizan detectores de matriz lineal como unidad de detección principal en el sistema de adquisición de imágenes. Los rayos X y los rayos gamma se utilizan principalmente para la detección según diferentes materiales de cuchilla.
3.Introducción al software de detección de defectos
Este artículo presenta un software de exploración por TC microfocal adecuado para la detección de defectos en las palas de turbinas de alta presión. El software realiza principalmente las siguientes funciones: (1) lectura de datos de escaneo; ② Medición y análisis de imágenes; ③ Detección automática de defectos; ④ Gestión de datos; ⑤ Control de calidad; ⑥ Reconstrucción tridimensional. Entre ellos, la lectura de los datos escaneados es un dato muy importante, que determina el número, la posición, la forma, el tamaño y otra información del punto medio de la imagen. Según los resultados de la detección, los resultados de la tomografía computarizada se pueden ajustar según los diferentes requisitos. Para el procesamiento de datos de escaneo, el software tiene clasificación de defectos, filtrado de defectos, registro de defectos, corrección de defectos, reconstrucción de defectos y otras funciones. Tabla 1 Parámetros de la tomografía computarizada.
4. Investigación de prueba de detección de cuchillas LDM
Los datos de operación reales antes y después de la mezcla se muestran en la Tabla 6. En la Tabla 6 se puede ver que, en condiciones de prueba, cuando se quema 100% de gas natural, la potencia de salida de la turbina de gas es de 179,8 MW. y la eficiencia es del 35,49%. La potencia de salida de la turbina de gas es de 169,0 MW y la eficiencia es del 35,81%, lo que básicamente coincide con el valor calculado.
4.1 Defectos del procesamiento secundario El procesamiento secundario se refiere a la reparación de la hoja, esmerilado, pulido y otros procesos de procesamiento; en el proceso de procesamiento secundario pueden aparecer los siguientes problemas: (1) la rugosidad de la superficie no cumple con el estándar: en el proceso de pulido, el equipo de pulido producirá un cierto ruido, por lo que la rugosidad de la superficie después del pulido no puede cumplir con los requisitos. Para eliminar este tipo de ruido, los fabricantes generalmente utilizan métodos ultrasónicos, electrólisis y otros para eliminarlo; los ultrasonidos, la electrólisis pueden eliminar la rugosidad de la superficie, pero los ultrasonidos son más susceptibles al impacto del polvo o aceite en la superficie de la hoja. por lo tanto, ya sean ultrasónicos o electrólisis, no son adecuados para eliminar la rugosidad superficial de la cuchilla. En la producción real, cuando la rugosidad de la superficie de la hoja no cumple con los requisitos, se puede utilizar el rectificado. Aunque los defectos pueden eliminarse eficazmente, aún es necesario un procesamiento secundario después del pulido. (2) Calidad de la superficie no calificada: en el proceso de producción de álabes de turbina de alta presión, si la calidad de la superficie de las álabes no cumple con el estándar, se pueden tomar medidas como el pulido y el pulido para resolver el problema. Aunque este método puede eliminar defectos, reduce el rendimiento de las palas. Para mejorar su rendimiento, los fabricantes suelen pulirlo y pulirlo muchas veces durante el proceso de producción, pero al esmerilarlo y pulirlo, es fácil producir defectos de procesamiento secundarios.
4.2 Estratificación del material En el proceso de fabricación de álabes de turbinas de alta presión, debido al desajuste de los parámetros del proceso, una o más materias primas o impurezas ingresan al interior de los álabes, lo que resulta en la estratificación del material. En la prueba real, la pala de turbina de alta presión con defectos de delaminación se puede colocar en el disco de muestra, y el disco de muestra se puede comparar con el disco de muestra ordinario para encontrar los defectos de delaminación del material. Si hay un problema durante el proceso de posicionamiento, se necesita una inspección adicional para determinar su ubicación específica, a fin de determinar el tipo específico de defecto.
4.3 Porosidad e inclusión de escoria Los defectos como la porosidad y la inclusión de escoria son problemas de calidad comunes en la producción de álabes de turbinas de alta presión. El defecto de porosidad es la principal causa de la disminución de la resistencia del material, lo que tiene un impacto importante en el rendimiento de los álabes de las turbinas de alta presión. En la producción real, los defectos suelen caracterizarse por pequeñas burbujas en el interior. En comparación con otras sustancias sólidas, el tamaño de la burbuja es muy pequeño en comparación con otras sustancias sólidas, cuando la pared interior de la burbuja se somete a una gran tensión, se producirán grietas, además, la pared interior de la burbuja es relativamente débil. fácil de romper bajo la acción de tensiones externas. Existen algunos problemas de transferencia de calor en el procesamiento de álabes de turbinas de alta presión, que provocarán un fenómeno de quemado hasta cierto punto. Si la parte de ablación no se retira a tiempo, se pueden formar inclusiones. La inclusión de escoria es una forma común de inclusiones, y los defectos de inclusión de escoria son más graves que los defectos de porosidad, que no sólo afectan seriamente el rendimiento del servicio y la vida útil de los álabes de turbinas de alta presión, sino que también pueden provocar una disminución de la resistencia de los álabes o incluso su falla. En la producción real, si el área de inclusión de escoria de los álabes de la turbina de alta presión no es grande, se puede utilizar el método CT industrial convencional para detectarla; Si el área de escoria es grande o hay defectos obvios, se debe utilizar el CT industrial de microcoque para detectar y analizar. En el proceso de detección por TC industrial de microenfoque, para evitar la borrosidad de la imagen, la imagen se puede preprocesar y segmentar para obtener información clara y precisa sobre los defectos.
En resumen, con el desarrollo continuo de la tecnología de motores aeronáuticos, la detección de calidad de las palas de turbinas de alta presión se está volviendo cada vez más importante. Este artículo presenta varias tecnologías comunes de detección de defectos en álabes de turbinas de alta presión. En aplicaciones prácticas, las diferentes tecnologías de detección de defectos son diferentes. Al aplicar diferentes tecnologías de detección de defectos, es necesario seleccionarlas y combinarlas según las condiciones específicas de las palas. El desarrollo de la tecnología de detección de defectos en álabes de turbinas de alta presión todavía enfrenta muchos desafíos y dificultades. En el futuro, será necesario mejorar aún más la precisión del equipo, la capacidad de procesamiento de datos y el rendimiento de los algoritmos para cumplir mejor con los requisitos de detección de defectos en las palas de las turbinas de alta presión de los motores aeronáuticos.
