СПОСОБ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО КОНТРОЛЯ ДЕТАЛИ
METHOD FOR X-RAY DIFFRACTION CONTROL OF PART

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к области неразрушающего рентгеноструктурного контроля, и может быть использовано для контроля структурных изменений и оценки остаточного ресурса деталей преимущественно из титановых сплавов в лабораторных и заводских условиях в производстве и в эксплуатации газотурбинных двигателей.
Известен способ количественного рентгеноструктурного фазового анализа, включающий облучение в дифрактометре образца и стандарта сравнения, измерение с использованием β - фильтра относительных интенсивностей аналитических дифракционных пиков и фона под углами, расчет содержания определяемой фазы (Авторское свидетельство №1376015 G01N 23/20 опубл. 23.02.1988 Бюл. №7).
Недостатком данного способа является то, что необходимо использовать эталонные порошковые образцы, и то, что в ходе осуществления способа получается большая погрешность определения интенсивности фона.
Известен способ определения остаточных включающий снятие рентгенограммы с контролируемой детали, определение интегральной интенсивности линии с малыми индексами и линии с большими индексами и сравнение полученных значений со значениями интегральной интенсивности идеальной мозаичной структуры (Металловедение и термическая обработка стали: Справ, изд. в 3-х томах. T.1. Методы испытаний и исследования Под ред. Бернштейна М. Л., Рахштабта А.Г., М.: Металлургия, 1983, 352 с., стр.138-140).
Недостатками данного способа является то, что способ не дает объективной закономерности в текстурированных и сильно деформированных материалах, так как текстура в идеальном мозаичном деформированном образце, как правило, не совпадает с текстурой в отожженных образцах.
Наиболее близким является способ рентгеноструктурного контроля детали, включающий в себя снятие рентгенограммы с контролируемой детали, определение параметра, зависящего от наработки детали (Патент на изобретение №2072514 от 28.01.1994 G01N 23/20 опубл. 27.01.1997).
Недостатком данного способа является то, что способ является относительным и требует выдержки одинаковых условий рентгеносъемки, а также требует использования эталонных образцов.
Техническим результатом, на достижение которого направленно предлагаемое решение, является сокращение времени контроля детали, как в процессе эксплуатации, так и на этапе ресурсных испытаний детали, а так же мобильность процесса, так как не требуется использования эталонных образцов.
Указанный технический результат достигается тем, что, в способе рентгеноструктурного контроля детали происходит снятие рентгенограммы с контролируемой детали, определение параметра, зависящего от наработки детали.
α
β
Новым в изобретении является то, что снятие рентгенограммы с контролируемой детали на предполагаемой поверхности разрушения происходит от отражающей плоскости (11.0) без фона при использовании титанового излучения Ti-K и от отражающей плоскости (01.3) без фона при использовании титанового излучения Ti-K, при этом в качестве параметра, зависящего от наработки, используют интегрированный структурный параметр Δ, определяемый как произведение параметра ширины В дифракционной без и параметра профиля Р дифракционной линии без Δ=В·Р, при этом деталь является -годной, если интегрированный структурный параметр будет больше 1:Δ>1.
α
<mrow><mi>T</mi><mi>i</mi><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mi>β</mi></msub><mo>:</mo><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>β</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11.0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>λ</mi><mi>α</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>01.3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>λ</mi><mi>β</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Параметр ширины В дифракционной линии без может быть равен отношению ширины дифракционной от плоскости (11.0) при использовании титанового излучения Ti-K к ширине дифракционной линии от отражающей плоскости (01.3) при использовании титанового излучения
.
<mrow><msub><mi>J</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11.0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>α</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>J</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11.0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>β</mi></msub></mrow></msub><mo>:</mo><msub><mi>P</mi><mi>J</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>J</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11.0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>α</mi></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>J</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>01.3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>β</mi></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><msub><mrow /><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11.0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>α</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><msub><mrow /><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>01.3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>β</mi></msub></mrow></msub><mo>:</mo><msub><mi>P</mi><mi>I</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>max</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11.0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>α</mi></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>max</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>01.3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>β</mi></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Параметр профиля Р дифракционной линии без фона может быть определен отношением интегральной интенсивности (площади профиля) дифракционной линии без фона от отражающих плоскостей (11.0)
к интегральной интенсивности (площади профиля) дифракционной линии без фона от отражающих плоскостей (01.3)
или отношением к максимальной интенсивности (высот пика) дифракционной линии без фона от отражающих плоскостей (11.0)
максимальной интенсивности (высот пика) дифракционной линии без фона от отражающих плоскостей (01.3)
.
На фигурах показаны:
фиг.1 - Рентгенограмма дисков компрессора низкого давления (КНД) с наработкой 500 часов в эксплуатации;
фиг.2 - Рентгенограмма дисков компрессора низкого давления (КНД) с наработкой 12000 часов в эксплуатации;
фиг.3 - Рентгенограмма дисков компрессора низкого (КНД) с наработкой 15000 часов в эксплуатации;
фиг.4 - Рентгенограмма дисков компрессора низкого давления (КНД) с наработкой 21000 часов в эксплуатации;
фиг.5 - Рентгенограмма дисков компрессора низкого (КНД) с наработкой 15000 часов в эксплуатации и 2000 циклов в испытаниях;
фиг.6 - Рентгенограмма дисков компрессора низкого (КНД) с наработкой 20000 часов в эксплуатации и 18000 циклов в испытаниях;
фиг.7 - Рентгенограмма дисков компрессора низкого давления (КНД) из сплава ВТ3-1 после протягивания радиуса паза;
фиг.8 - Рентгенограмма дисков компрессора низкого давления (КНД) из сплава ВТ3-1 после протягивания и с последующим упрочнением дробеструйной обработкой радиуса паза;
фиг.9 - Рентгенограмма дисков компрессора низкого давления (КНД) из сплава ВТ3-1 после протягивания с последующей операцией полирования радиуса паза;
фиг.10 - Рентгенограмма дисков компрессора низкого давления (КНД) из сплава ВТ3-1 после протягивания с последующей операцией полирования и упрочнения дробеструйной обработкой радиуса паза.
Способ осуществляется следующим образом.
α
β
Контролируемую деталь на предполагаемой поверхности разрушения подвергают рентгеновскому излучению. Излучение происходит от отражающей плоскости (11.0) без фона при использовании титанового излучения Ti-К и от отражающей плоскости (01.3) без фона при использовании титанового излучения Ti-K, при этом в качестве параметра, зависящего от наработки, используют интегрированный структурный параметр Δ.
Интегрированный структурный параметр Δ определяют как произведение параметра ширины В дифракционной линии без и параметра профиля Р дифракционной без фона: Δ=B·P.
<mrow><msub><mi>β</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11.0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>λ</mi><mi>α</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>β</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>01.3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>K</mi></mrow></msub><msub><mrow /><mrow><mi>λ</mi><mi>β</mi></mrow></msub></mrow>
α
β
При этом параметр В дифракционной линии без определяют как отношение дифракционной линии от отражающей плоскости (11.0)
при использовании титанового излучения Ti-K к ширине дифракционной линии от отражающей плоскости (01,3)
при использовании титанового излучения Ti-K:
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>β</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11.0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>λ</mi><mi>α</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>01.3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>λ</mi><mi>β</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
<mrow><msub><mi>J</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11.0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>α</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>J</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>01.3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>β</mi></msub></mrow></msub></mrow>
Параметр профиля Р дифракционной линии без фона определяют как отношение интегральной интенсивности (площади профиля) дифракционной линии без фона от отражающих плоскостей (11.0)
к интегральной интенсивности (площади профиля) дифракционной линии без фона от отражающих плоскостей (01.3)
:
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>J</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>J</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11.0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>α</mi></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>J</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>01.3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>β</mi></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>max</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11.0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>α</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>max</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>01.3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>β</mi></msub></mrow></msub></mrow>
или как отношение максимальной интенсивности (высот пика) дифракционной линии без фона от отражающих плоскостей (11.0)
к максимальной интенсивности (высот пика) дифракционной линии без фона от отражающих плоскостей (01.3)
:
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>I</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>max</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11.0</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>α</mi></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>max</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>01.3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>K</mi><mi>β</mi></msub></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
Годность детали определяют из условия, что интегрированный структурный параметр Δ на предполагаемой поверхности разрушения будет больше 1:Δ>1, если это условие не выполняется, то деталь считается не годной.
При этом с увеличением наработки деталей в процессе эксплуатации и ресурсных испытаний интегрированного структурного параметра уменьшается (Пример 1).
Для повышения интегрированного структурного параметра и, как следствие, увеличение срока службы детали используют различные обработки поверхности детали (Пример 2).
Интегрированный структурный параметр Δ позволяет определить степень текстурированности материала детали и характер микродеформаций кристаллической решетки материала детали.
Пример 1.
Пример влияния наработки на интегрированный структурный параметр Δ.
На фиг.1-6 показаны рентгенограмма дисков компрессора низкого давления (КНД) из сплава ВТ3-1 с различной наработкой в эксплуатации.
Исследование структурных изменений в материале деталей в зонах максимальных концентраторов напряжений проводится по изменению профиля рентгеновского спектра (Фиг.1-6) и с помощью численных соотношений, определенных взаимосвязью ширины и интегральной интенсивности дифракционной линии от отражающих плоскостей (1.1.0) и (01.3). Результаты представлены в таблице 1, при этом параметр калибровки t измерительного оборудования в данном исследовании был равен t=0.98 для обеспечения требуемой точности определения интегрированного структурного параметра.
Таблица 1
Результаты определения структурных параметров на торцах обода дисков КНД с различной наработкой в эксплуатации.
ПараметрНаработка, ч (циклов)
Параметр калибровки t
Параметр ширины B
Параметр профиля P<sub>I</sub>
Параметр профиля P<sub>J</sub>
Интегрированный структурный параметр Δ=BP<sub>J</sub>
Интегрированный структурный параметр Δ=BP<sub>I</sub>
500(Э)
0,98
1,50
1,73
2,58
3,86
2,58
12000(Э)
0,98
1,15
2,03
2,35
2,70
2,33
15000(Э)
0,98
1,38
<sup>r</sup>^48
4,73
6,51
4,79
15000 (Э) + 2000 циклов (И)
0,98
1,31
2,33
3,00
3,93
3,06
21000 (Э)+установка лопаток с натягом
0,98
1,12
1,62
1,86
2,09
1,82
20000(Э) + обработка поверхности 2 + 18000 циклов (И)
0,98
1,05
2,13
2,27
2,37
2,23
Из таблицы 1 видно, что с увеличением наработки диска в эксплуатации (включая последующие ресурсные испытания на установке УИР) величина интегрированного структурного параметра уменьшается. Увеличение величины указанного интегрированного структурного можно обеспечить технологическими процессами изготовления детали и обработки поверхности (пример 2) или же в процессе автофретирования.
Поэтому создание оптимальной величины интегрированного структурного параметра на поверхности новых (и ремонтных) деталей в процессе обработки поверхности в зонах концентраторов напряжений, является фактором, увеличивающим ресурс дисков КНД.
Пример 2.
Пример влияние технологических операций обработки поверхности на величину интегрированного структурного параметра.
На фиг.7-10 показаны рентгенограммы дисков КНД из сплава ВТ3-1 при различных способах обработки поверхности.
Из таблицы 2 следует, что на поверхности дисков КНД из сплава ВТ3-1 после различных видов обработки величина интегрированного структурного параметра Δ изменяется в диапазоне от 4,56 до 8,03. Виду обработки поверхности 2 соответствует наибольшая величина параметра (Δ), что является фактором, увеличивающим ресурс детали в эксплуатации.
Таблица 2
Результаты определения интегрированных структурных параметров на образцах дисков КНД после различных видов обработки.
ПараметрВид обработки
Параметр калибровки t
Параметр ширины B
Параметр профиля P<sub>I</sub>
Параметр профиля P<sub>J</sub>
Интегрированный структурный параметр Δ=BP<sub>J</sub>
Интегрированный структурный параметр Δ=BP<sub>I</sub>
1. протягивание
0,98
1,03
7,35
7,66
7,92
7,60
2. протягивание и
упрочнение дробеструйной обработкой
0,97
1,23
5,29
6,54
8,03
6,49
3. протягивание и полирование
0,98
0,94
7,80
7,35
6,94
7,36
4. протягивание, полирование и
упрочнение дробеструйной обработкой
0,98
1,04
4,25
4,37
4,56
4,43
Таким образом, для увеличения ресурса работы детали необходимо применять обработку поверхности совместно с упрочнением.