Phân tích công nghệ phát hiện khuyết tật của cánh tuabin cao áp động cơ hàng không
Cánh tuabin là bộ phận quan trọng của động cơ máy bay và quá trình xử lý nó rất phức tạp, đòi hỏi phải kiểm tra chất lượng rất cao. Viết trực tiếp bằng laser (LDM) được sử dụng để sản xuất các cánh tuabin cao áp trong nước. Nó có các đặc tính về độ chính xác cao, mật độ cao và độ phân giải quang phổ cao và có thể được sử dụng để đo 3D, thử nghiệm không phá hủy và tái tạo 3D các sản phẩm 3D. Với việc áp dụng công nghệ ghi trực tiếp bằng laser vào các nhà sản xuất cánh tuabin cao áp trong nước, cánh tuabin cao áp đã đạt được sản xuất hàng loạt. Bài báo này giới thiệu quy trình tạo hình viết trực tiếp bằng laser và công nghệ phát hiện khuyết tật của cánh tuabin cao áp trong nước, đồng thời phân tích phương pháp và phần mềm phát hiện khuyết tật.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ động cơ hàng không, động cơ hàng không đặt ra yêu cầu cao hơn về chất lượng cánh quạt. Độ bền của lưỡi tuabin, tuổi thọ mỏi và độ phức tạp của khối lượng bề mặt là những chỉ số quan trọng để đo lường hiệu suất của nó. Do quy trình sản xuất phức tạp của các cánh tuabin cao áp, hầu hết các cánh được sản xuất bằng phương pháp viết trực tiếp bằng laser. Công nghệ viết trực tiếp bằng laser sử dụng tia laser bán dẫn công suất cao để chiếu tia laser liên tục vào vùng cần xử lý, tạo thành sự phân bố đồng đều các chùm tia laser trong vùng cần xử lý. Các phương pháp thử nghiệm truyền thống bao gồm gia công và thử nghiệm không phá hủy, có một số vấn đề như chi phí xử lý cao, hiệu quả phát hiện thấp và dễ bị con người làm phiền. Do đó, để đảm bảo các cánh tuabin có các đặc tính cơ học tuyệt vời, khả năng chống ăn mòn và chống mỏi, chúng phải được kiểm tra chính xác và nhanh chóng.
1.Giới thiệu quy trình LDM
Viết trực tiếp bằng laser (LDM) là một loại chùm tia laser có cường độ thay đổi để thực hiện phơi nhiễm liều thay đổi trên vật liệu điện trở trên bề mặt đế và tạo thành đường viền phù hợp cần thiết trên bề mặt điện trở sau khi phát triển. Nội dung chính của nó bao gồm: chọn vật liệu gốm thích hợp, chọn phương pháp xử lý phù hợp, tối ưu hóa các thông số xử lý laser. Công nghệ LDM là phương pháp sử dụng tia laser công suất cao để viết các họa tiết khác nhau lên vật liệu gốm sứ. Nó khắc các cấu trúc vi mô trên bề mặt vật liệu gốm để đạt được hình thái phức tạp, độ phân giải siêu phổ và mô hình sản phẩm kỹ thuật số, đồng thời tích hợp nó với quy trình LDM để tạo ra các chi tiết bề mặt phong phú nhằm đáp ứng yêu cầu về độ chính xác cao và độ ổn định cao của thiết bị chính xác như động cơ máy bay. Công nghệ viết trực tiếp bằng laser là một tập hợp xử lý laser, thử nghiệm không phá hủy, xử lý hình ảnh, CAD/CAM là một trong những công nghệ sản xuất mới, so với quy trình truyền thống, công nghệ này có những ưu điểm sau: ① độ chính xác xử lý cao; ② Tốc độ xử lý nhanh; ③ Tỷ lệ sử dụng vật liệu cao; ④ Chất lượng bề mặt tốt; ⑤ có thể được tùy biến cá nhân. Công nghệ LDM sử dụng phương pháp viết trực tiếp bằng laser để viết lên bề mặt vật liệu gốm và các phản ứng quang hóa xảy ra trong cấu trúc vi mô bên trong của vật liệu (như nguyên tử, phân tử, v.v.) dưới tác dụng của tia laser, do đó làm thay đổi cấu trúc và tính chất của vật liệu. vật liệu. Có nhiều cách để đạt được công nghệ viết trực tiếp bằng laser, và chủ yếu có ba loại đối với vật liệu gốm: loại thứ nhất là phương pháp truyền thống (như lắng đọng hơi hóa học, làm nguội nhanh nóng chảy, CVD tăng cường plasma, v.v.); Thứ hai, công nghệ tiên tiến (như in 3D, viết trực tiếp bằng laser, v.v.); Thứ ba là công nghệ in 3D + nung chảy cực laser (chẳng hạn như: in 3D + công nghệ dịch chuyển cực nóng chảy bằng laser, v.v.). Có ba phương pháp chính của công nghệ tạo hình nóng chảy chọn lọc bằng laser. Một là sử dụng tia laser để bóc tách vật liệu gốm để làm cho chúng có hình thái ba chiều phức tạp. Thứ hai là khắc, khắc; Thứ ba là sử dụng phương pháp khắc trực tiếp bằng laser trên bề mặt vật liệu gốm để xử lý đồ họa. Mật độ năng lượng laser được sử dụng trong công nghệ LDM cao và cần có mật độ năng lượng cao để khắc vật liệu gốm. Đồng thời, độ sâu cắt bỏ bằng laser phải được kiểm soát chính xác.
2. Công nghệ phát hiện khuyết tật
Hiện nay, việc phát hiện khuyết tật lưỡi dao trong công nghiệp chủ yếu là phương pháp tia X, phương pháp siêu âm và phương pháp phối cảnh tia X. Phương pháp tia X, phương pháp siêu âm là phương pháp kiểm tra không phá hủy, nó có thể phát hiện các khuyết tật bên trong của vật liệu, phương pháp phối cảnh tia X là việc sử dụng tia X hoặc tia gamma do nguồn phát ra để chiếu xạ vật thể đã được xử lý, nhằm phát hiện các khuyết tật cực nhỏ bên trong vật liệu nhưng khả năng xuyên qua tia sáng còn hạn chế, không thể phát hiện được các khuyết tật cực nhỏ. Vì vậy, trong các ứng dụng thực tế, phương pháp tia X và phương pháp siêu âm là phương pháp phát hiện chính. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, máy dò CT công nghiệp với tiêu điểm vi mô đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất cánh tuabin do không phá hủy, hiệu quả cao và độ chính xác cao.
(a) Chiếu sáng bức xạ của cạnh đầu vào
(b) Sự xuyên thấu bức xạ của mép ống xả
(c) Cạnh nạp được chiếu sáng bằng chụp X quang kỹ thuật số
2.1 Phát hiện tia X Phát hiện tia X là việc sử dụng ống tia X để phát ra tia X trên bề mặt của vật thể được kiểm tra, quan sát các khuyết tật trên bề mặt của vật thể được kiểm tra, sau đó sử dụng ghi hình ảnh để định lượng và định vị đối tượng. Theo độ sâu thâm nhập khác nhau, tia X có thể được chia thành ba phương pháp: độ sâu thâm nhập, chiều rộng thâm nhập và độ dày thâm nhập. Phương pháp truyền ánh sáng sử dụng ống tia X để chiếu xạ bề mặt vật liệu được thử nghiệm để phát hiện các khuyết tật bên trong của vật liệu. Do hạn chế về thiết bị và công nghệ nên phương pháp này khó có thể định lượng chính xác các khuyết tật bên trong của các bộ phận kết cấu phức tạp. Phương pháp này phù hợp với phôi có bề mặt nhẵn và mật độ đồng đều nhưng không thể định vị và định lượng chính xác các bộ phận phức tạp bên trong.
2.2 Phát hiện siêu âm Nguyên tắc cơ bản của phát hiện siêu âm là sử dụng máy dò và đầu dò siêu âm để phát ra sóng siêu âm, đầu dò nhận được tiếng vang để định vị. Công nghệ phát hiện siêu âm được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp vì ưu điểm là độ nhạy cao, độ xuyên thấu cao, độ chính xác cao và khả năng phát hiện liên tục. Đối với vật liệu kim loại, thường sử dụng hai phương pháp đầu thẳng và đầu xiên, độ sâu phát hiện đầu thẳng thường là 1mm, độ sâu phát hiện đầu nghiêng thường là 5 mm, trong các ứng dụng thực tế, thiết bị phát hiện siêu âm tùy theo các đối tượng khác nhau cần đo, sử dụng các đầu dò khác nhau. Độ dẫn nhiệt của vật liệu cánh tuabin cao nên phải chọn đầu dò có hiệu suất nhiệt tốt để phát hiện siêu âm. Đối với tín hiệu siêu âm cường độ thấp, chẳng hạn như thanh gốm thủy tinh ở nhiệt độ phòng, vì tính chất nhiệt tốt nên có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu phát hiện. Đối với các vật liệu có khuyết tật hoặc tạp chất mật độ cao, nên chọn đầu dò có độ xuyên thấu mạnh và độ nhạy cao, còn đối với các vật liệu có khuyết tật kích thước lớn, có thể sử dụng phương pháp phát xạ liên tục và phương pháp phản xạ xung để phát hiện. Trong ứng dụng thực tế, có thể sử dụng phương pháp ghép sóng dọc đơn, sóng biến dạng kép và sóng dọc và có thể sử dụng phương pháp phát hiện sóng dọc đơn cho các vật liệu có vết nứt và các khuyết tật khác. Hiện nay, công nghệ kiểm tra siêu âm đã được sử dụng rộng rãi nhưng do thiết bị kiểm tra đắt tiền nên không phù hợp để kiểm tra hiện trường.
2.3 Phát hiện CT công nghiệp Microfocus Phát hiện CT công nghiệp Microfocus chủ yếu sử dụng sự truyền và phản xạ tia X hoặc tia gamma trong chất để tạo thành chùm tia, sau đó máy dò nhận được chùm tia chiếu xạ lên vật thể được phát hiện để hấp thụ năng lượng, chuyển đổi thành X- tia hoặc tia gamma, sau đó máy dò chuyển đổi năng lượng thành tín hiệu điện, sau đó có thể thu được hình ảnh cấu trúc của vật thể sau khi xử lý. Trong quá trình phát hiện, trước tiên vật thể được đặt trên nguồn tia X, sau đó tín hiệu hình thành bởi chùm tia X truyền qua vật thể sẽ được nhận bằng phương pháp quét. Khi đối tượng phát hiện ở trạng thái không trong suốt, tín hiệu mà máy dò nhận được sẽ bị đốm; Đốm được tạo ra bởi tín hiệu mà máy dò nhận được khi truyền đối tượng được phát hiện. Khi diện tích vết lớn, điều đó cho thấy có khiếm khuyết lớn trong đối tượng được phát hiện. Khi diện tích vết nhỏ, điều đó cho thấy có một khiếm khuyết nhỏ trong đối tượng được phát hiện. Để loại bỏ ảnh hưởng của đốm đến chất lượng hình ảnh, có thể sử dụng các phương pháp đặc biệt để loại bỏ hiệu ứng đốm và cải thiện chất lượng hình ảnh. Ví dụ, một bộ lọc màu có thể được thêm vào phía trước máy dò để loại bỏ các đốm, ngoài ra, có thể loại bỏ đốm bằng cách thay đổi các thông số của máy dò và có thể thực hiện quét tuyến tính đối với các khuyết tật kích thước nhỏ; Đối với các khuyết tật kích thước lớn, có thể quét bề mặt. Để phát hiện các cánh tuabin cao áp, cần lựa chọn các phương pháp thử nghiệm và thông số thử nghiệm phù hợp theo các điều kiện làm việc cụ thể. Phát hiện ánh sáng đa chùm tia thường được áp dụng và máy dò mảng tuyến tính được sử dụng làm đơn vị phát hiện chính trong hệ thống thu nhận hình ảnh. Tia X và tia gamma chủ yếu được sử dụng để phát hiện theo các vật liệu lưỡi dao khác nhau.
3.Giới thiệu phần mềm phát hiện lỗi
Bài báo này giới thiệu phần mềm chụp CT vi tiêu điểm phù hợp cho việc phát hiện khuyết tật của cánh tuabin áp suất cao. Phần mềm chủ yếu thực hiện các chức năng sau: (1) quét đọc dữ liệu; ② Đo và phân tích hình ảnh; ③ Tự động phát hiện lỗi; ④ Quản lý dữ liệu; ⑤ Kiểm soát chất lượng; ⑥ Tái thiết ba chiều. Trong số đó, việc đọc dữ liệu quét là dữ liệu rất quan trọng, quyết định số lượng, vị trí, hình dạng, kích thước và các thông tin khác của điểm giữa hình ảnh. Dựa trên kết quả phát hiện, kết quả chụp CT có thể được điều chỉnh theo các yêu cầu khác nhau. Để quét xử lý dữ liệu, phần mềm có phân loại lỗi, lọc lỗi, đăng ký lỗi, sửa lỗi, tái tạo lỗi và các chức năng khác. Bảng 1 Thông số chụp CT.
Nghiên cứu thử nghiệm phát hiện lưỡi 4.LDM
Số liệu vận hành thực tế trước và sau khi trộn được trình bày trong Bảng 6. Từ Bảng 6 có thể thấy, trong điều kiện thử nghiệm, khi đốt cháy 100% khí tự nhiên, công suất đầu ra của tuabin khí là 179,8MW và hiệu suất là 35,49%. Công suất đầu ra của tuabin khí là 169,0MW, hiệu suất là 35,81%, cơ bản phù hợp với giá trị tính toán.
4.1 Khiếm khuyết xử lý thứ cấp Xử lý thứ cấp đề cập đến quá trình sửa chữa lưỡi dao, mài, đánh bóng và các quy trình xử lý khác, trong quy trình xử lý thứ cấp có thể xuất hiện các vấn đề sau: (1) độ nhám bề mặt không đạt tiêu chuẩn: trong quá trình đánh bóng, thiết bị đánh bóng sẽ tạo ra một tiếng ồn nhất định, do đó độ nhám bề mặt sau khi đánh bóng không thể đáp ứng yêu cầu. Để loại bỏ loại tiếng ồn này, các nhà sản xuất thường sử dụng siêu âm, điện phân và các phương pháp khác để loại bỏ nó, siêu âm, điện phân có thể loại bỏ độ nhám bề mặt, nhưng siêu âm dễ bị ảnh hưởng bởi bụi hoặc dầu trên bề mặt lưỡi dao hơn, do đó, dù là siêu âm hay điện phân, đều không thích hợp để loại bỏ độ nhám bề mặt của lưỡi dao. Trong thực tế sản xuất, khi độ nhám bề mặt của lưỡi dao không đáp ứng yêu cầu thì có thể sử dụng phương pháp mài. Mặc dù các khuyết tật có thể được loại bỏ một cách hiệu quả nhưng vẫn cần xử lý thứ cấp sau khi nghiền. (2) Chất lượng bề mặt không đạt tiêu chuẩn: Trong quá trình sản xuất cánh tuabin cao áp, nếu chất lượng bề mặt của cánh không đạt tiêu chuẩn thì có thể áp dụng các biện pháp như đánh bóng, đánh bóng để giải quyết vấn đề. Mặc dù phương pháp này có thể loại bỏ các khuyết tật nhưng nó làm giảm hiệu suất của lưỡi dao. Để nâng cao hiệu suất của nó, các nhà sản xuất thường đánh bóng và đánh bóng nhiều lần trong quá trình sản xuất, nhưng khi mài và đánh bóng rất dễ tạo ra các khuyết tật xử lý thứ cấp.
4.2 Phân tầng vật liệu Trong quá trình sản xuất cánh tuabin cao áp, do các thông số quy trình không khớp, một hoặc nhiều nguyên liệu thô hoặc tạp chất xâm nhập vào bên trong cánh tuabin, dẫn đến sự phân tầng vật liệu. Trong thử nghiệm thực tế, lưỡi tuabin áp suất cao có khuyết tật phân tách có thể được đặt trên đĩa mẫu và đĩa mẫu có thể được so sánh với đĩa mẫu thông thường để tìm ra khuyết tật phân tách của vật liệu. Nếu có vấn đề trong quá trình định vị, cần kiểm tra thêm để xác định vị trí cụ thể của nó, từ đó xác định loại lỗi cụ thể.
4.3 Các khuyết tật về độ xốp và xỉ bao gồm độ xốp và xỉ là những vấn đề chất lượng phổ biến trong quá trình sản xuất cánh tuabin cao áp. Khiếm khuyết độ xốp là nguyên nhân chính làm giảm độ bền vật liệu, có tác động quan trọng đến hiệu suất của các cánh tuabin cao áp. Trong thực tế sản xuất, khuyết tật thường được đặc trưng bởi các bong bóng nhỏ bên trong. So với các chất rắn khác, kích thước của bong bóng rất nhỏ so với các chất rắn khác, khi thành trong của bong bóng chịu ứng suất lớn sẽ xuất hiện các vết nứt, hơn nữa, thành trong của bong bóng tương đối yếu, dễ bị đứt gãy dưới tác dụng của ngoại lực. Có một số vấn đề về truyền nhiệt trong quá trình xử lý các cánh tuabin cao áp, ở một mức độ nhất định sẽ gây ra hiện tượng cháy. Nếu phần cắt bỏ không được loại bỏ kịp thời, các tạp chất có thể được hình thành. Bao gồm xỉ là một dạng bao gồm phổ biến và các khuyết tật bao gồm xỉ nghiêm trọng hơn các khuyết tật về độ xốp, điều này không chỉ ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất sử dụng và tuổi thọ của các cánh tuabin cao áp mà còn có thể dẫn đến suy giảm độ bền của lưỡi hoặc thậm chí hỏng hóc. Trong thực tế sản xuất, nếu diện tích chứa xỉ của các cánh tuabin cao áp không lớn thì có thể sử dụng phương pháp CT công nghiệp thông thường để phát hiện; Nếu diện tích xỉ lớn hoặc có khuyết tật rõ ràng thì nên sử dụng CT công nghiệp microcoke để phát hiện và phân tích. Trong quá trình phát hiện CT công nghiệp microfocus, để tránh làm mờ hình ảnh, hình ảnh có thể được xử lý trước và phân đoạn để thu được thông tin khuyết tật rõ ràng và chính xác.
Tóm lại, với sự phát triển không ngừng của công nghệ động cơ máy bay, việc phát hiện chất lượng của các cánh tuabin cao áp ngày càng trở nên quan trọng. Bài báo này giới thiệu một số công nghệ phát hiện khuyết tật cánh tuabin cao áp phổ biến. Trong các ứng dụng thực tế, các công nghệ phát hiện lỗi khác nhau là khác nhau. Khi áp dụng các công nghệ phát hiện khuyết tật khác nhau, cần lựa chọn và kết hợp chúng theo điều kiện cụ thể của lưỡi dao. Việc phát triển công nghệ phát hiện khuyết tật cánh tuabin áp suất cao vẫn gặp nhiều thách thức và khó khăn. Trong tương lai, độ chính xác của thiết bị, khả năng xử lý dữ liệu và hiệu suất thuật toán cần được cải thiện hơn nữa để đáp ứng tốt hơn các yêu cầu phát hiện khuyết tật ở cánh tuabin áp suất cao của động cơ máy bay.
