Экспериментальное исследование чувствительности зеркально

ВИАМ/1992-201157
Экспериментальное исследование
чувствительности зеркально-теневого метода
при контроле титановых дисков газотурбинных
двигателей фокусирующими преобразователями
А.П. Застава
Август 1992
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
в
журнале
«Дефектоскопия», № 3, 1993 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Экспериментальное исследование чувствительности зеркально-теневого
метода при контроле титановых дисков газотурбинных двигателей
фокусирующими преобразователями
А.П. Застава
Всероссийский институт авиационных материалов
Экспериментально исследована чувствительность зеркально-теневого
метода к обнаружению искусственных отражателей в виде тонкого диска
и конуса при использовании фокусирующих преобразователей. Показано, что
для повышения чувствительности контроля в иммерсионном варианте
целесообразно одновременно с эхо-методом использовать зеркально-теневой
метод.
В настоящее время в авиационной промышленности большое внимание
уделяется автоматизации УЗ контроля титановых дисков газотурбинных
двигателей (ГТД). Используемые на предприятиях установки обеспечивают при
контроле
продольными
и
сдвиговыми
колебаниями
чувствительность,
позволяющую выявить в первом случае дефекты, эквивалентные по
отражающей способности плоскодонному отражателю (ПО) диаметром 0,8 мм,
и во втором случае – отверстию диаметром 0,5 мм на глубине 1 мм.
В
данной
работе
экспериментально
исследована
эффективность
использования при контроле зеркально-теневого (ЗТ) метода дополнительно
к эхо-методу. Это обусловлено следующим: ЗТ метод позволяет проводить
контроль без временных мертвых зон; чувствительность его зависит от
экранирующей, а не отражающей способности дефекта [1]; внедрение метода
требует незначительного изменения в комплектации используемых для
контроля установок.
При настройке чувствительности УЗ дефектоскопов для контроля
продольными колебаниями обычно применяют образцы с плоскодонным
сверлением на глубину 10–15 мм, дно которого и является ПО (например,
образцы из комплекта КСО-2). Однако применение таких образцов при
исследовании чувствительности ЗТ метода не дает правильной оценки, так
как заложенные в них ПО имеют значительную протяженность в
направлении прозвучивания.
Для определения чувствительности ЗТ метода нами были изготовлены
образцы из титанового сплава ВТ9 с помощью диффузионной сварки из двух
составных частей (рис. 1), на поверхностях составных частей образца были
выполнены искусственные отражатели (ИО) трех видов: плоскодонные
диаметром 0,8 и 1,2 мм (с раскрытием 6–0,8 мм), конусообразные (КО)
диаметром
0,8
и
1,2
мм
(ориентированные
в
противоположных
направлениях) и диаметром 2,0 мм (ориентированные в одном направлении).
Рисунок 1. Сварной образец из сплава ВТ9:
1, 2 – плоскодонные отражатели диаметром 0,8 и 1,2 мм соответственно;
3, 4 и 7 – конусообразные отражатели диаметром 0,8; 1,2 и 2,0 мм соответственно,
ориентированные конусом к поверхности В; 5 и 7 – конусообразные отражатели
диаметром 0,8 и 1,2 соответственно, ориентированные конусом к поверхности А
Результаты исследования образцов показали, что амплитуда эхо-сигналов
от границы сварки меньше амплитуд эхо-сигналов от ПО диаметром 0,8 мм
более чем на 20 дБ. Средние значения отражающей способности ПО
диаметром 0,8 мм (1 на рис. 1), КО 3, ориентированного основанием конуса
диаметром 0,8 мм навстречу направлению распространения УЗ колебаний и
ПО, изготовленного традиционным способом в образце из сплава ВТ8,
различаются в пределах ±0,5 дБ. Хорошая повторяемость отражающей
способности ИО и низкий уровень эхо-сигналов от границы сварки
показывают, что описанная технология может быть применена для
изготовления стандартных образцов для настройки УЗ дефектоскопов. По
имеющимся данным аналогичные образцы могут быть изготовлены из стали
и алюминиевых сплавов.
Чувствительность ЗТ метода исследовали с помощью дефектоскопа USIP-12
и фокусирующих иммерсионных преобразователей (ПЭП), имеющих
пьезоэлемент из ЦТС-19 (диаметр 12 мм) и сферические линзы с радиусом
кривизны 25 и 45 мм (соответственной 1 и 2).
На рис. 2 приведены диаграммы направленности этих ПЭП, а также для
ПЭП с аналогичным пьезоэлементом без фокусирующей линзы. Диаграмму
направленности определяли на уровне 6 дБ от величины амплитуды
эхо-сигналов от ПО диаметром 0,8 мм в образцах из сплава ВТ9. Расстояние
между излучающей поверхностью ПЭП и поверхностью ввода УЗ колебаний
для фокусирующих ПЭП устанавливали так, чтобы фокальное пятно
находилось в материале образца на глубине 2 мм, то есть в начале зоны
контроля, а для ПЭП без линзы было равно протяженности ближней зоны.
Рисунок 2. Ширина диаграммы направленности ПЭП по уровню 6 дБ,
определенная в образцах из сплава ВТ9 с ПО диаметром 0,8 мм: 1 и 2 – для ПЭП с линзой,
имеющей радиус кривизны 25 и 40 мм соответственно; 3 – для ПЭП без линзы
Ультразвук вводили с двух торцевых поверхностей образца и определяли:
максимальную амплитуду эхо-сигналов от ИО (А ИО ); минимальную
амплитуду эхо-сигнала от донной поверхности образца при нахождении ИО в
зоне контроля (А о.д ); амплитуду эхо-сигнала от донной поверхности при
смещении ПЭП на 5–6 мм от положения, при котором определяли А о.д в
четырех взаимно перпендикулярных направлениях (А д1 –А д4 ); разницу между
А о.д и средним значением А д1 –А д4 (∆А д ). После этого уменьшали высоту
образцов со стороны поверхности В и повторяли измерения.
На рис. 3 и 4, а приведены результаты измерения ∆А д при вводе УЗ
колебаний через обе торцевые поверхности образцов толщиной 40, 30, 20 и
15 мм, а на рис. 4, б – результаты измерения А ИО при вводе ультразвука
только через поверхность В.
Рисунок 3. Зависимость изменения амплитуды донного сигнала (∆А д )
от длины образцов при нахождении ИО в 5 мм от поверхности ввода УЗ колебаний:
1, 2, 3 и 4, 5, 6 – при использовании ПЭП 1 и 2 соответственно; 1, 4; 2, 5 и 3, 6 – диаметр
ИО соответственно 0,8; 1,2 и 2,0 мм; ориентация всех ИО – основанием конуса
навстречу распространению УЗ колебаний
Рисунок 4. Зависимость изменения амплитуды донного сигнала (∆А д )
и амплитуды эхо-сигнала от ИО (А ИО ) от длины образца при нахождении ИО
в 5 мм от донной поверхности образца: 1, 2, 3 и 4, 5, 6 – при использовании ПЭП 1 и 2
соответственно; 1, 4; 2, 5 и 3, 6 – диаметр ИО соответственно 0,8; 1,2 и 2,0 мм;
ориентация ИО диаметром 2,0 мм – конусом навстречу распространению
УЗ колебаний; ориентация ИО диаметром 0,8 и 1,2 мм – наоборот
Анализ полученных результатов исследования чувствительности ЗТ
метода показывает, что значение ∆А д для обоих ПЭП с уменьшением
толщины
контролируемого
сечения
увеличивается
(это
совпадает с
результатами работы [1]), а максимальное изменение амплитуды донного
сигнала не превышает 11–12 дБ и обусловлено нахождением в зоне КО 7,
имеющего основание диаметром 2,0 мм. Таким образом, чувствительность
ЗТ метода оказывается явно более низкой по сравнению с применяемым в
отрасли эхо-импульсным методом.
Однако, согласно приведенным на рис. 4, б результатам, измерения
амплитуды эхо-сигналов от ИО при толщине контролируемого сечения менее
15 мм, амплитуда эхо-сигнала от КО 7 меньше на 4–6 дБ, чем от КО 5,
имеющего основание диаметром 0,8 мм. Это обусловлено различной
ориентацией этих конусообразных отражателей: КО 7 ориентирован конусом
навстречу направлению распространения УЗ колебаний, а КО 5 наоборот.
Таким образом, в первом случае отражающей поверхностью является конус
диаметром у основания 2 мм, а во втором – плоская поверхность диаметром
0,8 мм. Вследствие этого дефекты, эквивалентные по отражающей и
затеняющей способности конусообразному отражателю диаметром 2 мм у
основания и ориентированному вершиной навстречу распространению УЗ
колебаний, при использовании эхо-метода могут быть пропущены и
выявляются только при зеркально-теневом методе.
С помощью ПЭП 1 были исследованы два фрагмента дисков толщиной
8,5 мм с естественными дефектами (вероятно, газонасыщенные включения).
В одном из фрагментов обнаруженный дефект имел локальный характер.
Амплитуда эхо-сигнала от дефекта на 10–12 дБ была меньше амплитуды
эхо-сигнала от ПО диаметром 0,8 мм, а ∆А д не превышала 4 дБ. В другом
фрагменте обнаруженный дефект имел площадь примерно 5×5 мм.
Амплитуда эхо-сигнала от дефекта была на 8–14 дБ меньше амплитуды
эхо-сигнала от ПО диаметром 0,8 мм (на 8 дБ только в одном месте), а
изменение донного сигнала составляло 16–30 дБ и более.
Таким
образом,
очевидно,
что
при
контроле
этих
фрагментов
продольными колебаниями по существующей методике рассмотренные
дефекты могут быть пропущены, а использование дополнительно к
эхо-методу ЗТ метода позволило весьма эффективно обнаружить дефект.
Выводы
Зеркально-теневой
метод
достаточно
эффективен
для
выявления
объемных дефектов. При контроле сечений менее 15 мм он превосходит по
чувствительности эхо-метод к выявлению дефектов, по отражающей
способности эквивалентных конусообразным отражателям.
По чувствительности к выявлению плоскостных дефектов, ориентированных
параллельно поверхности ввода УЗ колебаний, зеркально-теневой метод
уступает эхо-импульсному.
С целью повышения чувствительности эхо-метода к выявлению
объемных дефектов целесообразно одновременно с ним использовать
зеркально-теневой метод.
Список литературы:
1. Гурвич
А.К.
Зеркально-теневой
Машиностроение, 1970. – 36 с.
метод
ультразвуковой
дефектоскопии.–
М.: