Analyse de la technologie de détection des défauts des aubes de turbine haute pression de moteurs aéronautiques
L'aube de turbine est un élément clé du moteur aéronautique et son traitement est compliqué, ce qui nécessite une inspection de très haute qualité. L’écriture directe au laser (LDM) est utilisée pour fabriquer des aubes de turbines haute pression domestiques. Il présente les caractéristiques de haute précision, de haute densité et de haute résolution spectrale, et peut être utilisé pour la mesure 3D, les tests non destructifs et la reconstruction 3D de produits 3D. Avec l’application de la technologie d’écriture directe au laser chez les fabricants nationaux d’aubes de turbine haute pression, les aubes de turbine haute pression ont atteint une production de masse. Cet article présente le processus de formation par écriture directe au laser et la technologie de détection des défauts des aubes de turbines haute pression domestiques, et analyse la méthode et le logiciel de détection des défauts.
Avec le développement rapide de la technologie des moteurs d’avion, les moteurs d’avion imposent des exigences plus élevées en matière de qualité des pales. La résistance des pales de turbine, leur résistance à la fatigue et la complexité de leur masse superficielle sont des indicateurs importants pour mesurer leurs performances. En raison du processus de fabrication complexe des aubes de turbine haute pression, la plupart des aubes sont produites par écriture directe au laser. La technologie d'écriture directe au laser utilise un laser semi-conducteur de haute puissance pour irradier en continu le laser dans la zone à traiter, de sorte qu'il forme une répartition uniforme des faisceaux laser dans la zone à traiter. Les méthodes de test traditionnelles incluent l'usinage et les tests non destructifs, qui présentent certains problèmes tels qu'un coût de traitement élevé, une faible efficacité de détection et une facilité de perturbation humaine. Par conséquent, afin de garantir que les aubes de turbine présentent d’excellentes propriétés mécaniques, une résistance à la corrosion et une résistance à la fatigue, elles doivent être testées avec précision et rapidité.
1. Introduction au processus LDM
L'écriture directe au laser (LDM) est une sorte de faisceau laser à intensité variable permettant de mettre en œuvre une exposition à dose variable sur le matériau de réserve sur la surface du substrat et de former le contour en relief requis sur la surface de réserve après développement. Son contenu principal comprend : la sélection du matériau céramique approprié, la sélection de la méthode de traitement appropriée, l'optimisation des paramètres de traitement laser. La technologie LDM est une méthode utilisant un laser haute puissance pour écrire différents motifs sur des matériaux céramiques. Il a gravé des microstructures sur la surface des matériaux céramiques pour obtenir une morphologie complexe, une résolution hyperspectrale et une modélisation numérique des produits, et l'a intégré au processus LDM pour générer des détails de surface riches afin de répondre aux exigences de haute précision et de haute stabilité des équipements de précision tels que les moteurs d'avion. La technologie d'écriture directe au laser est un ensemble de traitement laser, de tests non destructifs, de traitement d'image, de CAO/FAO dans l'une des nouvelles technologies de fabrication, par rapport au processus traditionnel, la technologie présente les avantages suivants : ① haute précision de traitement ; ② Vitesse de traitement rapide ; ③ Taux d'utilisation des matériaux élevé ; ④ Bonne qualité de surface ; ⑤ peut être une personnalisation personnalisée. La technologie LDM utilise une méthode d'écriture directe au laser pour écrire la surface des matériaux céramiques, et des réactions photochimiques se produisent dans la microstructure interne du matériau (comme les atomes, les molécules, etc.) sous l'action du laser, modifiant ainsi la structure et les propriétés du matériel. Il existe de nombreuses façons d'obtenir une technologie d'écriture directe au laser, et il existe principalement trois types pour les matériaux céramiques : le premier type est la méthode traditionnelle (telle que le dépôt chimique en phase vapeur, la trempe rapide par fusion, le CVD amélioré par plasma, etc.) ; Deuxièmement, les technologies avancées (telles que l’impression 3D, l’écriture directe au laser, etc.) ; Le troisième est l'impression 3D + la technologie de pôle de fusion laser (telle que : l'impression 3D + la technologie de déplacement de pôle de fusion laser, etc.). Il existe trois méthodes principales de technologie de formage par fusion sélective au laser. La première consiste à utiliser le laser pour dénuder les matériaux céramiques afin de leur donner une morphologie tridimensionnelle complexe. La seconde est la gravure, la gravure ; La troisième consiste à utiliser une méthode de gravure directe au laser sur la surface des matériaux céramiques pour le traitement graphique. La densité d'énergie laser utilisée dans la technologie LDM est élevée et une densité d'énergie élevée est nécessaire pour graver les matériaux céramiques. Dans le même temps, la profondeur de l’ablation laser doit être contrôlée avec précision.
2. Technologie de détection des défauts
À l'heure actuelle, la détection industrielle des défauts des pales repose principalement sur la méthode aux rayons X, la méthode par ultrasons et la méthode de perspective aux rayons X. Méthode aux rayons X, la méthode par ultrasons est une méthode de test non destructif, elle peut détecter les défauts internes du matériau, la méthode de perspective aux rayons X est une utilisation des rayons X ou gamma émis par la source pour irradier l'objet traité, afin de détecter les minuscules défauts à l'intérieur du matériau, mais la capacité de pénétration des rayons est limitée, il est impossible de détecter les minuscules défauts. Par conséquent, dans les applications pratiques, la méthode aux rayons X et la méthode aux ultrasons sont les principaux moyens de détection. Cependant, avec le développement de la technologie, la détection CT industrielle avec micro-focalisation a été largement utilisée dans le domaine de la fabrication d'aubes de turbine en raison de son efficacité non destructive, de sa haute efficacité et de sa haute précision.
(a) Transillumination radiographique du bord d'entrée
(b) Pénétration radiographique du bord d'échappement
(c) Le bord d'admission est transéclairé par radiographie numérique
2.1 Détection des rayons X La détection des rayons X consiste à utiliser un tube à rayons X pour émettre des rayons X sur la surface de l'objet testé, à observer les défauts sur la surface de l'objet testé, puis à utiliser l'enregistrement d'images pour quantifier et localisez l'objet. Selon les différentes profondeurs de pénétration, les rayons X peuvent être divisés en trois méthodes : profondeur de pénétration, largeur de pénétration et épaisseur de pénétration. La méthode de transillumination utilise un tube à rayons X pour irradier la surface du matériau testé afin de détecter les défauts internes du matériau. En raison des limites de l’équipement et de la technologie, la méthode est difficile à obtenir une quantification précise des défauts internes de pièces structurelles complexes. Cette méthode convient aux pièces à surface lisse et à densité uniforme, mais elle ne peut pas localiser et quantifier avec précision les composants internes complexes.
2.2 Détection par ultrasons Le principe de base de la détection par ultrasons consiste à utiliser le détecteur à ultrasons et la sonde pour émettre des ondes ultrasonores, et la sonde reçoit l'écho pour le positionnement. La technologie de détection par ultrasons est largement utilisée dans les domaines industriels en raison de ses avantages de haute sensibilité, de pénétration élevée, de haute précision et de détection continue. Pour les matériaux métalliques, utilisez généralement deux méthodes à tête droite et à tête oblique, la profondeur de détection de la tête droite est généralement de 1 mm, la profondeur de détection de la tête inclinée est généralement de 5 mm, dans les applications pratiques, dispositif de détection par ultrasons en fonction des différents objets à mesurer, en utilisant différentes sondes. La conductivité thermique du matériau des pales de turbine est élevée, c'est pourquoi la sonde ayant de bonnes performances thermiques doit être sélectionnée pour la détection ultrasonique. Pour les signaux ultrasoniques de faible intensité, tels que les tiges en vitrocéramique à température ambiante, en raison de leurs bonnes propriétés thermiques, peuvent répondre pleinement aux exigences de détection. Pour les matériaux contenant des défauts ou des inclusions à haute densité, une sonde à forte pénétration et à haute sensibilité doit être sélectionnée, et pour les matériaux contenant des défauts de grande taille, une méthode d'émission continue et une méthode de réflexion d'impulsion peuvent être utilisées pour détecter. Dans la pratique, la méthode de couplage d'une onde longitudinale unique, d'une onde de cisaillement double et d'une onde longitudinale peut être utilisée, et il est possible d'utiliser la détection d'une onde longitudinale unique pour les matériaux contenant des fissures et d'autres défauts. À l'heure actuelle, la technologie de test par ultrasons est largement utilisée, mais en raison de son équipement de test coûteux, elle n'est pas adaptée aux tests sur le terrain.
2.3 Détection CT industrielle Microfocus La détection CT industrielle Microfocus utilise principalement la transmission et la réflexion des rayons X ou gamma dans la substance pour former un faisceau de rayons, puis le détecteur reçoit l'irradiation du faisceau de rayons sur l'objet détecté pour absorber l'énergie, convertie en X- rayons ou rayons gamma, puis le détecteur convertit l'énergie en signaux électriques, puis l'image de la structure de l'objet peut être obtenue après traitement. Lors de la détection, l'objet est d'abord placé sur la source de rayons X, puis le signal formé par le faisceau de rayons X traversant l'objet est reçu par balayage. Lorsque l'objet de détection est dans un état non transparent, le signal reçu par le détecteur sera irrégulier ; Le speckle est généré par le signal reçu par le détecteur lorsque l'objet détecté est transmis. Lorsque la zone du spot est grande, cela indique qu'il y a un défaut important dans l'objet détecté. Lorsque la zone du spot est petite, cela indique qu'il y a un petit défaut dans l'objet détecté. Afin d'éliminer l'effet de chatoiement sur la qualité de l'image, des méthodes spéciales peuvent être utilisées pour éliminer l'effet de chatoiement et améliorer la qualité de l'image. Par exemple, un filtre couleur peut être ajouté devant le détecteur pour éliminer les taches. De plus, les taches peuvent être supprimées en modifiant les paramètres du détecteur et un balayage linéaire peut être effectué pour les défauts de petite taille ; Pour les défauts de grande taille, une numérisation de surface est possible. Pour la détection des aubes de turbine haute pression, des méthodes de test et des paramètres de test appropriés doivent être sélectionnés en fonction des conditions de travail spécifiques. La détection de lumière multifaisceau est généralement adoptée et des détecteurs à réseau linéaire sont utilisés comme unité de détection principale dans le système d'acquisition d'images. Les rayons X et gamma sont principalement utilisés pour la détection selon différents matériaux de lame.
3. Introduction au logiciel de détection de défauts
Cet article présente un logiciel de tomodensitométrie microfocale adapté à la détection des défauts des aubes de turbine haute pression. Le logiciel remplit principalement les fonctions suivantes : (1) lecture des données numérisées ; ② Mesure et analyse d'images ; ③ Détection automatique des défauts ; ④ Gestion des données ; ⑤ Contrôle qualité ; ⑥ Reconstruction tridimensionnelle. Parmi elles, la lecture des données numérisées est une donnée très importante, qui détermine le nombre, la position, la forme, la taille et d'autres informations du point médian de l'image. Sur la base des résultats de détection, les résultats du scanner peuvent être ajustés en fonction de différentes exigences. Pour le traitement des données de numérisation, le logiciel dispose d'une classification des défauts, d'un filtrage des défauts, d'un enregistrement des défauts, d'une correction des défauts, d'une reconstruction des défauts et d'autres fonctions. Tableau 1 Paramètres de tomodensitométrie.
4. Recherche sur les tests de détection de lame LDM
Les données de fonctionnement réelles avant et après le mélange sont présentées dans le tableau 6. Il ressort du tableau 6 que dans des conditions de test, lorsque 100 % de gaz naturel est brûlé, la puissance de sortie de la turbine à gaz est de 179,8 MW. et l'efficacité est de 35,49 %. La puissance de sortie de la turbine à gaz est de 169,0 MW et le rendement est de 35,81 %, ce qui est fondamentalement conforme à la valeur calculée.
4.1 Défauts du traitement secondaire Le traitement secondaire fait référence aux processus de réparation de la lame, de meulage, de polissage et autres processus de traitement. Dans le processus de traitement secondaire, les problèmes suivants peuvent apparaître : (1) la rugosité de la surface n'est pas conforme aux normes : lors du processus de polissage, l'équipement de polissage produira un certain bruit, de sorte que la rugosité de la surface après polissage ne puisse pas répondre aux exigences. Afin d'éliminer ce type de bruit, les fabricants utilisent généralement des méthodes ultrasoniques, électrolyse et autres pour l'éliminer, l'électrolyse ultrasonique peut éliminer la rugosité de la surface, mais les ultrasons sont plus sensibles à l'impact de la poussière ou de l'huile sur la surface de la lame, par conséquent, qu'il s'agisse d'ultrasons ou d'électrolyse, ils ne conviennent pas pour éliminer la rugosité de surface de la lame. En production réelle, lorsque la rugosité de la surface de la lame ne répond pas aux exigences, le meulage peut être utilisé. Bien que les défauts puissent être efficacement éliminés, un traitement secondaire est toujours nécessaire après le broyage. (2) Qualité de surface non qualifiée : dans le processus de production d'aubes de turbine à haute pression, si la qualité de surface des aubes ne répond pas à la norme, des mesures telles que le polissage et le polissage peuvent être prises pour résoudre le problème. Bien que cette méthode puisse éliminer les défauts, elle réduit les performances des pales. Afin d'améliorer ses performances, les fabricants le polissent et le polissent souvent plusieurs fois au cours du processus de production, mais lors du meulage et du polissage, il est facile de produire des défauts de traitement secondaire.
4.2 Stratification des matériaux Dans le processus de fabrication des aubes de turbine haute pression, en raison de l'inadéquation des paramètres du processus, une ou plusieurs matières premières ou impuretés pénètrent à l'intérieur des aubes, entraînant une stratification des matériaux. Dans le test réel, l'aube de turbine haute pression présentant des défauts de délaminage peut être placée sur le disque échantillon, et le disque échantillon peut être comparé au disque échantillon ordinaire pour trouver les défauts de délaminage du matériau. S'il y a un problème pendant le processus de positionnement, une inspection plus approfondie est nécessaire pour déterminer son emplacement spécifique, afin de déterminer le type spécifique de défaut.
4.3 Porosité et inclusion de scories Les défauts tels que la porosité et l'inclusion de scories sont des problèmes de qualité courants dans la production d'aubes de turbine à haute pression. Le défaut de porosité est la principale cause de la diminution de la résistance des matériaux, ce qui a un impact important sur les performances des aubes de turbine haute pression. En production réelle, les défauts sont souvent caractérisés par de petites bulles à l’intérieur. Par rapport à d'autres substances solides, la taille de la bulle est très petite par rapport à d'autres substances solides, lorsque la paroi interne de la bulle est soumise à de fortes contraintes, des fissures se produiront, de plus, la paroi interne de la bulle est relativement faible, facile à rompre sous l’action d’une contrainte extérieure. Il existe certains problèmes de transfert de chaleur dans le traitement des aubes de turbine à haute pression, qui provoqueront dans une certaine mesure un phénomène de combustion. Si la pièce d'ablation n'est pas retirée à temps, des inclusions peuvent se former. L'inclusion de scories est une forme courante d'inclusions, et les défauts d'inclusion de scories sont plus graves que les défauts de porosité, qui non seulement affectent sérieusement les performances de service et la durée de vie des aubes de turbine à haute pression, mais peuvent également conduire à une diminution de la résistance des aubes, voire à une défaillance. En production réelle, si la zone d'inclusion de scories des aubes de turbine haute pression n'est pas grande, la méthode CT industrielle conventionnelle peut être utilisée pour la détecter ; si la zone de scories est grande ou s'il y a des défauts évidents, le CT industriel à microcoke doit être utilisé pour détecter et analyser. Dans le processus de détection par tomodensitométrie industrielle microfocus, afin d'éviter le flou de l'image, l'image peut être prétraitée et segmentée pour obtenir des informations claires et précises sur les défauts.
En résumé, avec le développement continu de la technologie des moteurs d’avion, la détection de la qualité des aubes de turbine haute pression devient de plus en plus importante. Cet article présente plusieurs technologies courantes de détection des défauts des aubes de turbine haute pression. Dans les applications pratiques, les différentes technologies de détection de défauts sont différentes. Lors de l'application de différentes technologies de détection de défauts, il est nécessaire de les sélectionner et de les combiner en fonction des conditions spécifiques des pales. Le développement d’une technologie de détection des défauts des aubes de turbine haute pression se heurte encore à de nombreux défis et difficultés. À l’avenir, la précision des équipements, la capacité de traitement des données et les performances des algorithmes devront être encore améliorées pour mieux répondre aux exigences de détection des défauts des aubes de turbine haute pression des moteurs d’avion.
