СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦ МАКРОЗЕРЕН АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR DETERMINING BOUNDARIES OF ANISOTROPIC MATERIAL MACROGRAINS

Изобретение относится к неразрушающему контролю изделий, состоящих  из нескольких макрозерен с отличающимися друг от друга физико-механическими свойствами (ориентацией кристаллической решетки, модулем нормальной и сдвиговой  упругости, коэффициентом Пуассона и др.), в частности, для контроля  литых лопаток газовых турбин с направленной структурой,  для которых характерно наличие 3…5 крупных зерен, каждое из которых обладает отличающимися от других зерен физико-механическими свойствами за счет различной ориентации макрозерен в пространстве.
Известен способ определении физико-механических свойств материала изделия путем визуального осмотра ее поверхности, предварительно подвергнутой, в частности, химическому травлению (ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна). Применение этих методов  приводит к повреждению контролируемой поверхности изделия.
Известен также способ, основанный на регистрации магнитных полей рассеивания, выявляемых по осаждению магнитного порошка на границе зон с  различными  физико-механическими свойствами (см. «Неразрушающий контроль металлов и изделий». Справочник под редакцией Г.С. Самойловича. - М.: Машиностроение, 1976 г., стр. 161). Применение данного способа является невозможным для немагнитных материалов и изделий, к которым относятся, в частности, лопатки  высокотемпературных газовых турбин.
По технической сущности и достигаемому результату  наиболее близким к заявляемому способу является способ определения физико-механических свойств,  основанный на определении времени прохождения упругим механическим импульсом отрезка поверхности изделия известной протяженности. Способ заключается в том, что на поверхности изделия на выбранном расстоянии друг от друга устанавливаются ультразвуковой излучатель и приемник механических колебаний.   В зависимости от угла наклона  излучателя и приемника к поверхности изделия вводятся излучателем  и улавливаются приемником преимущественно волны определенного типа, например, поверхностные волны. Излучателем в изделии возбуждаются упругие импульсы, в частности - импульсы поверхностной волны, путем подачи электрического импульса на ультразвуковой излучатель. Излучатель преобразует электрический импульс в механический и вводит его в изделие. Прошедшие по изделию упругие механические импульсы воспринимаются и регистрируются ультразвуковым приемником, установленным также на поверхности изделия. Определяют промежуток времени между возбуждением и приемом одного и того же импульса. По измеренному промежутку времени и известному расстоянию между излучателем и приемником определяется скорость распространения импульса. Физико-механические свойства макрозерна - модуль нормальной и сдвиговой  упругости, коэффициент Пуассона и др. - зависят от пространственной ориентации макрозерна, являются функциями скорости распространения импульса и рассчитываются по соответствующим формулам (см. «Неразрушающий контроль металлов и изделий». Справочник под редакцией Г.С. Самойловича. - М.: Машиностроение, 1976 г., стр. 334).
Недостатком способа, взятого за ближайший аналог, является то, что возникает ошибка в измерении локальной скорости  импульса  при наличии одной или нескольких  границ между макрозернами с различной пространственной ориентацией кристаллической решетки на пути  распространения ультразвукового механического импульса. Эта ошибка, в свою очередь, может привести к ложным оценкам  оценки усталостной выносливости лопаток турбомашин с направленной кристаллизацией. Ближайший аналог может быть использован для измерения скорости распространения импульсов и оценки структурных характеристик изотропных мелкокристаллических материалов, а также анизотропных монокристаллических материалов, состоящих из одного зерна, но не пригоден для случаев, когда   изделие состоит из нескольких крупных зерен, каждое из которых обладает собственными уникальными физико-механическими свойствами и/или ориентацией в пространстве.
Целью изобретения является увеличение точности   оценки физико-механических свойств материалов и изделий, состоящих из нескольких макрозерен, каждое из которых обладает отличающимися от других макрозерен физико-механическими свойствами и/или ориентацией в пространстве.  Для достижения поставленной цели определяются  координаты и количество границ макрозерен при использовании способа контроля физико-механических свойств материала, включающем возбуждение, прием, определение скорости распространения в изделии поверхностных механических импульсов, оценку структурных характеристик материала по скорости распространения механического ультразвукового импульса, для чего  перемещают пару излучатель-приемник по поверхности изделия, регистрируют изменение времени распространения импульсов, по количеству изменений времени распространения импульсов судят о количестве макрозерен в изделии, по местонахождению пары излучатель-приемник при изменении скорости судят о наличии в данном месте поверхности изделия границы между макрозернами.
Усталостная выносливость пера высокотемпературных турбинных лопаток, изготовленных из сплавов с направленной кристаллизацией,  существенно зависит от  количества, зон расположения и ориентации кристаллических решеток макрозерен.  Контролируя и  регулируя количество, взаимное расположение и ориентацию кристаллической  решетки макрозерен при изготовлении лопаток можно существенно увеличить усталостную выносливость высокотемпературных лопаток.   Такие лопатки могут состоять из нескольких длинных (до 200 мм и более) макрозерен шириной  5…30 мм. Физико-механические свойства макрозерен являются одинаковыми, если совпадает  ориентация их кристаллических решеток в пространстве. Скорость распространения, например, поверхностной волны  будет неизменной для каждой конкретной ориентации кристаллической решетки макрозерна. Обычно ориентации  кристаллических решеток макрозерен являются различными, поэтому будут различаться  физико-механические свойства макрозерен и, соответственно, будут также различными время распространения, например, поверхностной волны, бегущей по поверхности изделия.
i
Способ осуществляется следующим образом. Используется совмещенный искатель, состоящий из ультразвукового излучателя механических поверхностных волн и их приемника, которые жестко закреплены на общем держателе, совмещающем также функции призмы для ввода под определенным углом ультразвуковых импульсов от излучателя в изделие  и от изделия на приемник (рис. 1). Конструкция  держателя обеспечивает неизменность базового расстояния между излучателем и приемником L при перемещении и/или повороте искателя. Величина базового расстояния L не должна существенно превышать минимальный размер макрозерна. Величина угла призмы определяет основной тип волны, который генерируется излучателем в изделии и принимается приемником. Искатель  прижимается к поверхности изделия через слой контактной жидкости.  На излучатель подается электрический импульс от внешнего источника. В излучателе (обычно представляющем собой пьезопреобразователь) электрический импульс трансформируется в механический импульс, который проходит через призму и возбуждает механический импульс в изделии.  Механический импульс, распространяясь по изделию, достигает другой призмы, преломляется в ней и направляется на приемник, в котором механический импульс трансформируется в электрический импульс. Измеряется интервал времени Δt между излучением и приемом импульса (рис. 1). Так как расстояние, проходимое механическим импульсом от излучателя до приемника, является неизменным, то измеряемый интервал времени прямо пропорционально зависит от скорости импульса в изделии. При пересечении границы между макрозернами вследствие различия их физико-механических характеристик регистрируется изменение величины измеряемого интервала времени. Количество таких изменений равно количеству границ зерен. Местоположение границы между зернами определяется  местоположением искателя при регистрации изменения измеряемого интервала времени.