СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН ИЗ КОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD FOR COMPLEX DETECTION OF FLAWS IN TURBOMACHINE BLADES MADE FROM COBALT ALLOYS

Изобретение относится к способам комплексной дефектоскопии металлических изделий и может быть использовано при обследовании лопаток турбомашин из кобальтовых жаропрочных сплавов.
Направляющие и рабочие лопатки турбин ГТД и ГТУ из кобальтовых жаропрочных сплавов в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, высоких температур и агрессивных сред, в результате чего происходит деградация материала и разрушение детали. В этой связи, для своевременного ремонта турбомашин и предотвращения аварийных ситуаций необходимы неразрушающие методы контроля и диагностики состояния лопаток в процессе эксплуатации.
Известен способ электромагнитной дефектоскопии, основанный на сканировании изделия электромагнитным преобразователем, подсчете общего числа импульсов от краев и дефектов изделия и выделении информации о его дефектности путем определения превышения общего числа импульсов над числом импульсов от краев [А.С.СССР №333460, МПК G01N 27/86, 1970].
Известен способ контроля металлических материалов, включающий приведение в контакт электродов с материалом изделия, измерение термоЭДС и оценку по полученным значениям термоЭДС свойств исследуемого материала [Патент РФ №2229117, МПК G01N 25/32, Термоэлектрический способ контроля металлических материалов, 2004]. Недостатком известных способов является их низкая информативность.
Наиболее близким к предлагаемому способу является комбинированный способ дефектоскопии лопаток турбомашин, включающий совместное использование метода термоЭДС и метода индукционной дефектоскопии [Патент США №5430376, МПК G01B 7/02, Combined thermoelectric and eddycurrent method and apparatus for nondestructive testing of metallic of semiconductor coated objects, 1995].
Недостатками известного способа являются низкая информативность и достоверность оценки характера деградации материала лопатки в процессе эксплуатации.
Необходимо отметить, что известные неразрушающие методы оценки степени деградации металлических материалов, основанные на магнитных, термоэлектрических и других эффектах, не позволяют оценить соотношение долей химической и механической составляющих, что значительно снижает достоверность оценки характера деградации материалов. Кроме того, магнитные методы преимущественно используются для оценки состояния изделий, выполненных из ферромагнитных материалов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение информативности и достоверности оценки характера и степени деградации материала лопатки из кобальтовых сплавов после эксплуатации в условиях высоких температур.
Технический результат достигается тем, что в способе комплексной дефектоскопии лопаток турбомашин из кобальтовых сплавов, включающем замер значений термоЭДС материала лопатки и оценку состояния материала лопатки по полученному сигналу, в отличие от прототипа, предварительно настраивают прибор оценки термоЭДС на ряде эталонных образцов-лопаток с различной степенью деградации материала, вызванной диффузионно-химическими факторами, по своим размерам и материалу соответствующими контролируемой лопатке, при этом начальный образец соответствует нулевой степени деградации материала, а конечный образец - максимально возможной степени деградации, вызванной диффузионно-химическими факторами, и после замера значений термоЭДС контролируемой лопатки определяют степень деградации ее материала, вызванной диффузионно-химическими факторами, дополнительно настраивают магнитно-измерительное устройство на ряде эталонных образцов-лопаток с различной степенью деградации материала, вызванной физико-механическими факторами, по своим размерам и материалу соответствующими контролируемой лопатке, при этом начальный образец соответствует нулевой степени деградации материала, а конечный образец - максимально возможной степени деградации, вызванной физико-механическими факторами, производят замеры магнитно-измерительным устройством контролируемой лопатки, по замерам определяют степень деградации ее материала, вызванной физико-механическими факторами, и оценивают долю каждого вида деградации.
Технический результат достигается также тем, что в способе комплексной дефектоскопии берут, по крайней мере, одну эталонную лопатку с промежуточным состоянием деградации материала.
Технический результат достигается также тем, что в способе комплексной дефектоскопии в качестве диффузионно-химических факторов принимают процессы деградации материала лопатки, вызванные образованием окислов.
Технический результат достигается также тем, что в способе комплексной дефектоскопии замер значений термоЭДС производят при помощи зонда-электрода, выполненного из кобальтового сплава, соответствующего по химическому составу и структуре исходному состоянию сплава контролируемой лопатки.
0
i
0
i
0
i
0
i
0
i
При исследовании степени и характера деградации материала лопаток из кобальтовых сплавов в процессе эксплуатации, авторами экспериментально установлено, что деградация материала, вызванная физико-механическими факторами, в значительной степени выявляется магнитными методами дефектоскопии, а деградация материала, вызванная диффузионно-химическими факторами (например, окисление), выявляется при дефектоскопии по значениям термоЭДС. Полученные результаты позволили разработать комплексный метод оценки степени и характера деградации материала лопатки, позволяющий определить вклад каждого из рассматриваемых факторов на деградацию материала лопатки. Так например, крайними случаями подобной деградации материала являются лопатки, изменение свойств которых произошло либо в результате воздействия только механических факторов (оценивается изменением магнитных параметров материала от величины М до величины М, где М - магнитные характеристики исходного материала лопатки, М - магнитные характеристики текущего состояния материала лопатки, М-М≠0; в то время как изменение параметров термоЭДС равны нулю, т.е. химико-диффузионные причины деградации материала исключаются), либо - в результате воздействия только химических процессов (т.е. когда изменение магнитных параметров равно нулю, в то время как наблюдается изменение значений термоЭДС от некоторого значения Т до Т, где Т - характеристики термоЭДС исходного материала лопатки, Т - характеристики термоЭДС текущего состояния материала лопатки, т.е. физико-механические факторы деградации материала исключаются). Однако, в процессе эксплуатации лопаток турбомашин из кобальтовых сплавов, как правило, деградация материала происходит в результате совместного воздействия механических и химико-диффузионных факторов. В этом случае вклад каждого из этих факторов в картину общей деградации материала определяется исходя из доли каждого из них, рассчитанной по шкале от минимального значения степени деградации того или иного вида до его максимально возможного значения.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Одним из известных методов производят замер значений термоЭДС материала лопатки. Для этого вначале производят настройку прибора, осуществляя замеры значений термоЭДС материала на ряде эталонных лопаток, имеющих различную (заданную) степень химической деградации материала. При этом используются эталоны, выполненные из одного и того же исходного материала, имеющие одинаковые размерные и геометрические параметры. Для оценки зависимости значений термоЭДС материала от степени его деградации во всем исследуемом диапазоне, берут начальный эталонный образец, соответствующий нулевой степени деградации, а конечный эталонный образец - максимально возможной (предельной) степени деградации материала. Для повышения достоверности результатов оценки используют дополнительные промежуточные эталонные образцы с фиксированным значением деградации материала. Затем, используя шкалу от нуля до ста процентов деградации материала, производят настройку прибора для измерения значений термоЭДС по указанным эталонам в фиксированных зонах лопатки.
Производят замер значений термоЭДС у контролируемой лопатки и по полученной зависимости «величина термоЭДС - степень деградации» определяют величину химической деградации материала контролируемой лопатки.
Далее, дополнительно настраивают магнитно-измерительное устройство на ряде эталонных образцов-лопаток с различной степенью деградации материала, вызванной физико-механическими факторами, по своим размерам и материалу соответствующими контролируемой лопатке, при этом начальный образец соответствует нулевой степени деградации материала, а конечный образец - максимально возможной степени деградации, вызванной физико-механическими факторами, производят замеры магнитно-измерительным устройством контролируемой лопатки, по замерам определяют степень деградации ее материала, вызванной физико-механическими факторами. Также используют дополнительные промежуточные эталонные образцы с фиксированными значениями степени деградации материала. Затем, используя шкалу от нуля до ста процентов, соответствующую нулевой и максимальной степени механической деградации материала, производят настройку прибора для измерения значений магнитных параметров материала по указанным эталонам в фиксированных зонах лопатки.
Производят замеры магнитно-измерительным устройством контролируемой лопатки и по полученной зависимости «значения показаний магнитно-измерительного устройства - степень деградации» определяют степень деградации материала контролируемой лопатки, вызванную механическими факторами.
После проведения оценки механической и химической деградации материала контролируемой лопатки оценивают долю каждого вида деградации материала.
Зная вклад каждой из составляющих, можно судить о доминирующем механизме разрушения лопаток и принимать соответствующие технологические или эксплуатационные меры для продления или увеличения срока службы деталей турбомашин.
Для повышения степени достоверности можно производить, дополнительно, разделения выявленных дефектных зон материала лопатки по их размерам и расположению.
Пример реализации способа
Для оценки степени и характера деградации материала лопаток турбин, были изготовлены эталонные образцы лопаток из кобальтового сплава FSX-414, с различной степенью механической и химической (окисление) деградации. Снятие магнитных характеристик производилось с помощью ферро-зонда (магнитоизмерительного феррозондового комбинированного прибора Ф-205.30А), а параметров термоЭДС - прибором ТЭП 10-К. После получения данных с эталонных образцов производился замер магнитных и термоЭДС характеристик с лопаток, деградация материала которых была осуществлена в процессе эксплуатации. Для контрольной оценки степени и вида деградации материала эталонных и контролируемых лопаток были использованы разрушающие методы контроля с приготовлением шлифов и проведением металлографических исследований, включая оценку структурно-фазового и химического составов материалов. Сравнительные результаты исследований приведены в таблицах 1-4. В таблице 5 приведены данные по соотношению долей механической и химической деградации материала лопаток.
Таблица 1
Эталонные лопатки
№
Степень механической деградации материала, %
Среднее значение показаний магнитно-измерительного устройства, Ht<sub>cp</sub> (ед. шкалы прибора)
Примечание
1
2
3
4
1
0
4,5
Отсутствие
дефектов
2
14
6,9
-
3
34
10,9
-
4
56
13,4
-
5
81
14,6
-
6
97
15,9
Предельное
состояние
Таблица 2
Контролируемые лопатки
№
Среднее значение показаний магнитно-измерительного устройства, Ht<sub>сp</sub> (ед. шкалы прибора)
Степень механической деградации материала, определенная по предлагаемому способу, %
Степень механической деградации материала, определенная металлографическим методом, %
1
2
3
4
1
9,3
23
25
2
11,7
31
35
3
15,3
89
90
4
15,0
81
85
5
12,6
52
55
6
8,8
21
25
Таблица 3
Эталонные лопатки
№
Степень химической деградации материала, %
Среднее значение термоЭДС, Тэдс<sub>ср</sub>, мА
Примечание
1
2
3
4
1
0
11
Отсутствие дефектов
2
23
48
-
3
44
76
-
4
58
93
-
5
76
98
-
6
95
102
Предельное состояние
Таблица 4
Контролируемые лопатки
№
Среднее значение термоЭДС, Тэдс<sub>ср</sub>, мА
Степень химической деградации материала, определенная по предлагаемому способу, %
Степень химической деградации материала, определенная по известному способу, %
1
2
3
4
1
78
39
45
2
56
28
35
3
49
23
30
4
84
47
55
5
91
62
65
6
35
12
15
Таблица 5
Общий характер деградации материала
№
Степень
Степень
Заключение о характере деградации
механической
химической
материала, МД/ХД
деградации (МД) материала, %
деградации (ХД) материала, %,
1
2
3
4
1
23
39
37%/63%
2
31
28
52,5%/47,5%
3
89
23
79,5%/20,5%
4
81
47
63,3%/36,7%
5
52
62
45,6%/54,4%
6
21
12
63,6%/36,4%
Приведенные данные по оценке величины механической и химической деградации материала с использованием предлагаемого способа комплексной дефектоскопии лопаток турбомашин из кобальтовых сплавов показали, что предлагаемый способ неразрушающего контроля позволяет повысить информативность и достоверность результатов оценки характера деградации материала лопатки в процессе эксплуатации, что подтверждает заявленный технический результат.