СПОСОБ МАГНИТНОЙ ДИАГНОСТИКИ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН ИЗ КОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF MAGNETIC DIAGNOSTICS OF TURBOMACHINE BLADE MADE FROM COBALT ALLOYS

Изобретение относится к неразрушающему контролю изделий магнитным методом и может быть использовано при выявлении дефектов на деталях из кобальтовых сплавов, работающих в условиях воздействия высоких температур значительных знакопеременных механических нагрузок, например лопаток турбомашин газотурбинных двигателей и установок.
Направляющие и рабочие лопатки турбин ГТД и ГТУ в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, высоких температур, а также коррозионному и эрозионному разрушению. Для изготовления лопаток газовых турбин применяются жаропрочные кобальтовые сплавы типа FSX-414 и др.
При длительной эксплуатации в условиях высоких температур на поверхности лопаток образуются различного рода дефекты, а в сплаве - коагуляция и изменение морфологии упрочняющей фазы и карбидов в теле и по границам зерен, а также насыщение газом. Поэтому дальнейшая эксплуатация таких лопаток становится невозможна. Однако, восстановив физико-химическое состояние сплава, эксплуатацию лопаток можно продолжить. Поэтому своевременная и достоверная диагностика состояния материалов лопаток является достаточно важной ресурсосберегающей задачей.
В этой связи для своевременного ремонта турбомашин и предотвращения аварийных ситуаций необходимы неразрушающие методы ранней диагностики лопатки, позволяющие определить период эксплуатации, соответствующий началу необратимых процессов деградации материала детали.
Известен способ магнитного контроля [П.А.Халилеев. Феррозондовые датчики импедансного типа. // Дефектоскопия, 1976, № 1, с.70-71], который заключается в том, что феррозондовый датчик перемещают по контролируемому объекту. При этом датчиком регистрируется тангенциальная составляющая поля, по амплитудному значению сигнала этой составляющей и среднему значению фона определяют приращение поля и наличие дефекта. Подобные способы магнитной дефектоскопии приведены в источниках: [Шелихов Г.С. Магнитопорошковая дефектоскопия деталей и узлов. - М.: Государственное предприятие Научно-технический центр "Эксперт", 1995]; [ГОСТ 21105-85. Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод].
Известны способы магнитной диагностики изделия по магнитным полям, включающие определение структуры магнитного поля детали, сравнения ее с эталонными образцами и определение локальных зон с аномальным магнитным полем, соответствующих формируемым и/или сформированным зонам разрушения [АС №1255911, МПК G01N 27/82. Способ магнитографического контроля изделий из ферромагнитных материалов], [Хватов Л.А., Лисицин В.И., Красин А.И., Жукова Г.А. Распознавание дефектов при магнитоферрозондовом контроле. // Дефектоскопия. - 1984. - 6. - С.63-71].
Недостатком известных способов является их низкая информативность.
Наиболее близким по своей технической сущности, выбранным в качестве прототипа является способ магнитной диагностики изделия по магнитным полям рассеяния, включающий определение структуры остаточного магнитного поля детали, возникшей в результате естественного эксплуатационного намагничивания, и определение локальных зон с аномальным магнитным полем, соответствующим формируемым и/или сформированным зонам разрушения, дополнительную оценку параметров магнитного поля в аномальных зонах и определение степени деградации материала лопатки в аномальных зонах путем сравнения измеренных параметров с параметрами эталонов [Патент РФ №2029262, МПК G01L 1/12. Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. Опубл. 1995 г.]. Подобные способы магнитной дефектоскопии приведены также в источниках: [Патент РФ №2155943, МПК G01L 1/12. Способ определения напряженно-деформированного состояния изделия из ферромагнитного материала и устройство для осуществления этого способа. Опубл. 2000 г.]; [РСТ WO 99/02982, G01L 1/12, опубл. 1999 г.]).
Прототип за счет использования информации, связанной с остаточным магнитным полем детали, имеющий эксплуатационное происхождение, а также за счет определения локальных зон с аномальным магнитным полем, соответствующим формируемым и/или сформированным зонам разрушения, позволяет по сравнению с приведенными аналогами повысить достоверность результатов диагностики. Однако как аналоги, так и прототип не позволяют с достаточной степенью достоверности определить, на какой стадии деградации материала или разрушения находится деталь, обратимы или не обратимы процессы деградации материала детали при использовании соответствующих методов восстановления структуры и свойств материала до исходных. Поэтому как прототип, так и аналоги способа магнитной дефектоскопии деталей или элементов конструкций из магнитных материалов не обладают достаточной информативностью и не позволяют определить степень и стадии деградации материала лопатки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение информативности и достоверности оценки степени и стадии деградации материала лопатки из никелевых сплавов.
i
i
i
i
i
Технический результат достигается тем, что в способе магнитной диагностики лопаток турбомашин из кобальтовых сплавов, включающем определение структуры остаточного магнитного поля детали, возникшей в результате естественного эксплуатационного намагничивания, сравнения ее с эталонными образцами и определение локальных зон с аномальным магнитным полем, соответствующим формируемым и/или сформированным зонам разрушения, дополнительную оценку параметров магнитного поля в аномальных зонах и определение степени деградации материала лопатки в аномальных зонах путем сравнения измеренных параметров с параметрами эталонов, в отличие от прототипа о степени деградации материала (D) лопатки в зонах с аномальным магнитным полем судят по разности (ΔM) двух максимальных пиковых значений магнитных параметров (M', M"), измеренных в пределах каждой из этих зон на одной линии измерения в направлении (L), пересекающем оцениваемую аномальную зону (z), согласно выражению:
i
i
i
i
D=K(ΔM)=K(M'-M"),
где i - номер аномальной зоны (i= от 0 до n);
n - количество аномальных зон;
К - коэффициент (функциональная зависимость), связывающий выбранный магнитный параметр с состоянием (деградацией) материала лопатки.
лоп
D
max
max
Технический результат достигается также тем, что в способе магнитной диагностики лопаток турбомашин из кобальтовых сплавов о состоянии лопатки (D) судят по разности (ΔM) двух максимальных значений величин ΔM, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями ΔM:
лоп
1
2
D
max
max
D=КΔM=К(ΔM -ΔM ),
лоп
где D - зона с максимальной деградацией материала лопатки;
1
2
1
2
max
max
max
max
ΔM , ΔM  - два самых максимальных значения двух разностей максимальных пиковых значений магнитных параметров, измеренных в двух различных зонах 7 и 2 (где: 1 - индекс зоны с самым максимальным значением величины ΔM , 2 - индекс зоны со вторым по величине максимальным значением величины ΔM ) с аномальным магнитным полем;
D
max
max
ΔM - разность двух максимальных значений величин ΔM, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями ΔM.
D
Технический результат достигается также тем, что в способе магнитной диагностики лопаток турбомашин из кобальтовых сплавов линию измерения магнитных параметров берут в направлении нормали к линии аномальной зоны, а об увеличении степени максимальной деградации материала судят по увеличению значения ΔM.
р
р
Технический результат достигается также тем, что в способе магнитной диагностики лопаток турбомашин из кобальтовых сплавов в качестве параметров магнитного поля в аномальных зонах используют: нормальные составляющие Н напряженности магнитного поля на поверхности пера лопатки, градиенты величин нормальной составляющей Н напряженности магнитного поля на поверхности пера лопатки.
Определение структуры остаточного магнитного поля детали, возникшей в результате естественного эксплуатационного намагничивания, сравнения ее с эталонными образцами и определение локальных зон с аномальным магнитным полем имеют следующее отличие от того метода, который использован в прототипе. Прототип [Патент РФ №2029262, МПК G01L 1/12. Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. Опубл. 1995 г.] достаточно четко позволяет определить формируемое и/или сформированное место разрушения через определение зоны концентраций напряжений на лопатках турбин, т.е. как это описано в прототипе «…с целью обеспечения возможности определения зон концентрации напряжений на лопатках турбин, измеряют нормальную составляющую величины напряженности магнитного поля вдоль входной, выходной кромок и вдоль выпуклой поверхности лопатки, фиксируют точки с нулевыми и максимальными значениями нормальной составляющей величины напряженности магнитного поля в указанных зонах лопатки, по точкам с нулевыми значениями нормальной составляющей величины напряженности магнитного поля строят линии на поверхности лопатки и по расположению этих линий и максимальным значениям нормальной составляющей величин магнитной напряженности, измеренных на входной и выходной кромках, определяют зоны концентраций напряжений на лопатках турбин.» Линия с нулевым значением нормальной составляющей величины напряженности магнитного поля характеризует зону концентраций напряжений на лопатке турбины, в которой при циклическом воздействии рабочих нагрузок могут развиваться линии усталости и трещины. В предлагаемом техническом решении определение структуры остаточного магнитного поля детали производится одним из известных методов, позволяющих определить все основные локальные зоны с аномальным магнитным полем, соответствующим формируемым и/или сформированным зонам разрушения (системы потенциальных или развивающихся линий усталости и трещин). При этом каждая из потенциальных мест образования трещин характеризуется изменением состояния материала лопатки, которое отражается изменением магнитных параметров этой зоны. Поведение системы основных локальных зон с аномальным магнитным полем, а также сравнение их характеристик позволяет на ранних стадиях формирования процессов разрушения лопатки получить информацию о степени и стадии деградации материала лопатки из легированных сталей.
i
i
i
i
i
i
Как было установлено авторами, магнитные параметры предполагаемой зоны разрушения характеризуются «эффектом ассиметрии». Сущность этого эффекта заключается в том, что значения магнитных параметров (M', M") в предполагаемой (или уже проявившейся в виде трещины) зоне разрушения, измеренные по обе стороны от потенциальной зоны образования трещины (несплошности), имеют разные величины, отличающиеся на величину ΔM. Причем, чем больше значение величины ΔM, тем более развиты процессы деградации материала в этой области. С учетом конкретных материалов и условий эксплуатации (учитываемых коэффициентом К) о степени деградации материала (D) лопатки судят по величине ΔM согласно выражения:
i
i
i
i
D=K(ΔM)=K(M'-M"),
где i - номер аномальной зоны (i = от 0 до n);
n - количество аномальных зон;
К - коэффициент (функциональная зависимость), связывающий выбранный магнитный параметр с состоянием (деградацией) материала лопатки.
Более того, было установлено, что сравнение магнитных параметров, отражающих развитие каждого из элементов системы потенциальных или развивающихся линий усталости и трещин, позволяет определить стадию деградации (разрушения) материала лопатки.
лоп
D
max
max
О состоянии лопатки (D) судят по разности (ΔM) двух максимальных значений величин ΔM, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями ΔM:
лоп
1
2
D
max
max
D=КΔM=К(ΔM -ΔM ),
лоп
где D - состояние материла в зоне с максимальной деградацией материала лопатки;
1
2
1
2
max
max
max
max
ΔM , ΔM  - два самых максимальных значения двух разностей максимальных пиковых значений магнитных параметров, измеренных в двух различных зонах 7 и 2 (где: 1 - индекс зоны с самым максимальным значением величины ΔM , 2 - индекс зоны со вторым по величине максимальным значением величины ΔM ) с аномальным магнитным полем;
D
max
max
ΔM - разность двух максимальных значений величин ΔM, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями ΔM.
D
D
D
Например, если значение величины ΔM незначительно и в процессе воздействия эксплуатационных нагрузок остается постоянной, то степень деградации материала еще не достигла степени, когда восстановление исходных свойств структуры (методами восстановительного ремонта) становится невозможной. Однако при заметном увеличении этой величины ΔM возникают необратимые процессы деградации материала лопатки. Поэтому об увеличении степени максимальной деградации материала судят по увеличению значения ΔM. С точки зрения продления общего ресурса лопатки, путем увеличения количества циклов восстановления эксплуатационных свойств важно не допускать пересечения «точки невозврата», т.е. периода эксплуатации лопатки, при превышении которого начинается необратимая деградация материала лопатки. Теоретически, указанная «точка невозврата» находится на участке второй фазы широко известного процесса накопления усталостной поврежденности металла. Поэтому для практических целей эксплуатации лопатки целесообразно разделять указанной «точкой невозврата» вторую фазу процесса накопления поврежденности металла на две подфазы, отражающие стадии обратимых и необратимых процессов восстановления исходной структуры материала лопатки.
Для повышения точности и достоверности результатов оценки целесообразно также использование варианта с линией измерения магнитных параметров, взятых в направлении нормали к линии аномальной зоны.
р
р
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Одним из известных методов производят замер магнитных параметров материала лопатки, определяют общую структуру магнитного поля и его аномальные зоны. Общую структуру магнитного поля оцениваемой лопатки сравнивают с эталонной структурой магнитного поля. Отмечают места расхождения структур магнитных полей исследуемой и эталонной лопатки и, особенно, всплески, характеризующие резкое изменение значений магнитных параметров исследуемой лопатки. Затем более подробно исследуют обнаруженные на пере лопатки локальные зоны с аномальным магнитным полем. Для этого в качестве параметров магнитного поля в аномальных зонах используют нормальные составляющие Н и/или градиенты величин нормальной составляющей Н напряженности магнитного поля на поверхности пера лопатки. Снимают картину изменения магнитных параметров в обнаруженных аномальных зонах и оценивают степень деградации материала согласно выражению:
i
i
i
i
D=K(ΔM)=K(M'-M"),
где i - номер аномальной зоны (i = от 0 до n);
n - количество аномальных зон;
К - коэффициент (функциональная зависимость), связывающий выбранный магнитный параметр с состоянием (деградацией) материала лопатки.
max
max
Путем сравнения измеренных параметров определяют два максимальных значения величин ΔM, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями ΔM и, сопоставляя с эталонами с различными стадиями деградации, определяют состояние материала лопатки в зоне с максимальной деградацией согласно выражению:
лоп
1
2
D
max
max
D=КΔM=К(ΔM -ΔM ),
лоп
где D - состояние материла в зоне с максимальной деградацией материала лопатки;
1
2
1
2
max
max
max
max
ΔM , ΔM  - два самых максимальных значения двух разностей максимальных пиковых значений магнитных параметров, измеренных в двух различных зонах 1 и 2 (где 1 - индекс зоны с самым максимальным значением величины ΔM , 2 - индекс зоны со вторым по величине максимальным значением величины ΔM ) с аномальным магнитным полем;
D
max
max
ΔM - разность двух максимальных значений величин ΔM, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями ΔM.
D
max
1
Об увеличении степени максимальной деградации материала судят по увеличению значения ΔM, относя область максимальной деградации к зоне с самым максимальным значением величины ΔM , а также сопоставляя и сравнивая со значениями параметров эталонов.
D
D
D
D
max
эi
эк
Величина ΔM оценивается с эталонными значениями ΔМ , характеризующими различные стадии деградации материала, при этом рассматриваемая величина ΔM сравнивается с эталонной величиной ΔМ  разности двух максимальных значений величин ΔM, соответствующей области начала необратимых процессов деградации материала лопатки.
При этом используются эталоны лопаток, выполненные из одного и того же исходного материала, имеющие одинаковые размерные и геометрические параметры. Для оценки зависимости значений магнитных параметров 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.
Пример реализации способа
л
Для оценки степени и стадии деградации материала лопаток турбин из кобальтовых сплавов были взяты эталонные образцы лопаток из сплава FSX-414 с различной степенью деградации материала. Снятие магнитных характеристик производилось с помощью магнитоизмерительного феррозондового комбинированного прибора Ф-205.30А. После получения данных с эталонных образцов производился замер магнитных с лопаток, деградация материала которых была осуществлена в процессе эксплуатации. Для контрольной оценки степени и стадии 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. В таблице 1 приведены магнитные параметры эталонных лопаток, соответствующих соответственно стадиям накопления повреждаемости: исходное состояние лопатки (эталонная лопатка №1), первая фаза накопления повреждаемости (эталонная лопатка №2), начало второй фазы накопления повреждаемости (эталонная лопатка №3), первая половина второй фазы - зарождения зоны деградации (эталонная лопатка №4), зона, близкая к «точке невозврата» - (эталонная лопатка №5), вторая половина второй фазы накопления повреждаемости - (эталонная лопатка №6). В таблице 2 приведены магнитные параметры исследуемых лопаток. Величины К и К определены экспериментально. Выбор зоны снятия параметров на эталонной лопатке с исходным состоянием материала осуществлялся произвольно с учетом преимущественной зоны разрушения на аналогичных эксплуатировавшихся лопатках.
Таблица 1
№ эталон. лопаток
Эталонная лопатка №1
Эталонная лопатка №2
Эталонная лопатка №3
№
L, мм
Н<sub>р</sub> <sup>лев</sup>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>прав</sup>, А/м
ΔН<sub>р</sub>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>лев</sup>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>прав</sup>, А/м
ΔН<sub>р</sub>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>лев</sup>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>прав</sup>, А/м
ΔН<sub>р</sub>, А/м
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2
1
1
0
1
6
5
1
33
29
4
3
2
1
1
0
9
7
2
41
36
5
4
3
1
1
0
13
11
2
52
43
9
5
4
1
1
0
18
14
4
68
47
21
6
5
1
1
0
22
15
7
78
56
22
7
6
2
2
0
25
16
9
82
56
26
8
7
2
2
0
25
16
9
82
56
26
Продолжение таблицы 1
№№ эталон.
Эталонная лопатка №4
Эталонная лопатка №5
Эталонная лопатка №6
лопаток
№
L, мм
Н<sub>р</sub> <sup>лев</sup>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>прав</sup>, А/м
ΔН<sub>р</sub>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>лев</sup>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>прав</sup>, А/м
ΔН<sub>р</sub>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>лев</sup>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>прав</sup>, А/м
ΔН<sub>р</sub>, А/м
1
2
12
13
14
15
16
17
18
19
20
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2
1
52
43
9
102
84
18
253
188
65
3
2
71
48
23
211
163
48
420
299
121
4
3
96
59
37
340
271
69
514
380
134
5
4
155
88
67
405
304
101
588
423
165
6
5
179
110
69
433
329
104
613
445
168
7
6
187
116
71
440
328
112
616
439
177
8
7
190
118
72
441
330
111
617
440
177
Таблица 2
№ эталон. лопаток
Исследуемая лопатка №1
Исследуемая лопатка №2
Исследуемая лопатка №3
№
L, мм
Н<sub>р</sub> <sup>лев</sup>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>прав</sup>, А/м
ΔН<sub>р</sub>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>лев</sup>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>прав</sup>, А/м
ΔН<sub>р</sub>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>лев</sup>, А/м
Н<sub>р</sub> <sup>прав</sup>, А/м
ΔН<sub>р</sub>, А/м
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2
1
67
55
12
186
152
34
280
167
113
3
2
154
121
33
354
287
67
487
356
131
4
3
198
153
45
387
300
87
520
370
150
5
4
266
210
56
458
362
96
583
382
201
6
5
302
244
58
512
404
108
605
384
221
7
6
308
249
59
514
406
108
610
389
221
8
7
308
249
59
516
406
110
612
389
223
Сравнительный анализ таблиц 1 и 2 показал, что исследуемая лопатка №1 близка к эталонной лопатке №5, исследуемая лопатка №2 близка к эталонной лопатке №6, исследуемая лопатка №3 превышает параметры эталонной лопатки №6.
1) Максимальные пиковые значения лопатки №1 составили:
i
р
лев
M',=Н =308 А/м;
i
р
прав
М”,=Н =249 A/м.
Степень деградации материала:
i
i
i
i
D=K(ΔM)=K(M'-М”)=К(308-249)=(0,0013×59)×100%=7,7%.
2) Максимальные пиковые значения лопатки №2 составили:
i
р
лев
M',=Н =516 A/м;
i
р
прав
М”,=Н =406 А/м.
Степень деградации материала:
i
i
i
i
D=K(ΔM)=K(M'- М”)=К(516-406)=(0,0013×110)×100%=14,3%.
3) Максимальные пиковые значения лопатки №3 составили:
i
р
лев
M',=Н =612 А/м;
i
р
прав
М”,=Н =389 A/м.
Степень деградации материала:
i
i
i
i
D=К(ΔM)=К(M'-М”)=К(612-389)=(0,0013×240)×100%=31,2%.
1
2
max
max
4) Максимальные значения ΔM , ΔM  лопатки №1 составили:
1
p1,
max
ΔM =ΔH=59 А/м;
2
p2,
max
ΔM =ΔH=57 A/м.
лоп
1
2
D
max
max
D=KлΔM=Кл(ΔM -ΔM )=1(59-57)=2;
D
D
крит
(Поскольку величина ΔM не превышает критического значения величины ΔM =9 для данных лопаток, определенной экспериментально, то исследуемая лопатка №1 находится в зоне первой части второй фазы накопления повреждаемости до «точки невозврата»)
1
2
max
max
5) Максимальные значения ΔM , ΔM  лопатки №2 составили:
1
p1,
max
ΔM ,=ΔH=110 А/м;
2
p2,
max
ΔM ,=ΔH=33 А/м.
лоп
1
2
D
max
max
D=KлΔM=Кл(ΔM -ΔM )=1(110-53)=57
D
D
крит
(Поскольку величина ΔM превышает критическое значение величины ΔM  для данных лопаток, то исследуемая лопатка №2 находится в зоне второй части второй фазы накопления повреждаемости после «точки невозврата»).
1
2
max
max
6) Максимальные значения ΔM , ΔM  лопатки №3 составили:
1
p1,
max
ΔM ,=ΔH=223 А/м;
2
p2,
max
ΔM ,=ΔH=88 А/м.
лоп
1
2
D
max
max
D=KлΔM=Кл(ΔM -ΔM )=1(223-88)=135
D
D
крит
(Поскольку величина ΔM значительно превышает критическое значение величины ΔM  для данных лопаток, то исследуемая лопатка №3 находится во второй части второй фазы накопления повреждаемости после «точки невозврата»).
Приведенные данные по оценке величины деградации материала лопаток с использованием предлагаемого способа магнитной диагностики лопаток турбомашин из кобальтовых сплавов показали, что предлагаемый способ неразрушающего контроля позволяет повысить информативность и достоверность оценки степени и стадии деградации материала лопатки из кобальтовых сплавов, что подтверждает заявленный технический результат.