автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Теоретические аспекты и технология радиационного неразрушающего контроля материалов и изделий авиационной техники

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ» ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УДК 620.179.111.4.

Для служебного пользования Экз. ЛЬ

На правах р;копией

КОСАРИНА ЕКАТЕРИНА ИВАНОВНА

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИАЦИОННОГО НЕРАЗРУШАГОЩЕГО КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ II ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность: 05.02.01,- материаловедение (машиностроение)

05.11.13. - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2000 г.

Работа выполнена в ГП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» ГНЦ РФ

Научные консультанты: доктор технических наук, профессор,

А.К. Денель доктор технических наук В.А. Добромыслов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Б.С. Ломбсрг (ГП «ВИАМ») доктор технических наук Л.В. Владимиров (НПО «Спектр») доктор технических наук С.Г. Хаютин (ММПП «Салют»)

Ведущая организация: АООТ «ОКБ Сухого»

Защита состоится « » _ 2000 г в _ часов

на заседании диссертационного ученого совета Д.048.02.01 при ГП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» ГНЦ РФ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГП «ВИАМ» ГНЦ РФ по адресу: 107005, Москва, ул. Радио 17.

Автореферат разослан « » _ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук

В.Н. Подъячев

- 07с 38 ,, V

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Настоящая работа обобщает результаты исследований автора в области радиационных методов контроля. Она направлена на решение одной из важнейших проблем - повышение надежности и достоверности результатов радиографического контроля авиационных материалов и изделий авиационной техники.

Условия эксплуатации авиационной техники предъявляют особые требования к качеству авиационных материалов. Это связано с тем, что качество материалов определяет не только надежность изделий, но и прогресс в авиастроении. Для создания деталей, узлов и конструкций авиационной техники используют сплавы: жаропрочные на никелевой и железоникелевой основе, титановые, алюминиевые, магниевые, неметаллические и композиционные материалы, применяют специфические технологические процессы.

Эффективным средством обеспечения высокой надежности изделий является широкое использование неразрушающего контроля, в частности радиационного с применением рентгеновского излучения. Этот метод широко используют при контроле изделий из металлических, неметаллических и композиционных материалов.

Актуальность работы. Вопрос повышения достоверности и эффективности результатов радиационного контроля турбипных и компрессорных лопаток ГТД неразрывно связан с решением проблемы объективной оценки его чувствительности для объектов сложной конфигурации с криволинейной поверхностью и переменным сечением.

Для корпусов агрегатов применяют литейные алюминиевые сплавы. Помимо дефектов литья (раковин, плен, неслитин и т.д.) в алюминиевых сплавах часто возникает газовая пористость, которая влияет на прочностные свойства изделий, особенно в опасных зонах: переходах сечений, отверстий. Пористость в зависимости от ее концентрации и размера отдельных пор на макрошлифе классифицируют по пяти баллам. В настоящей работе решен вопрос оценки балла пористости для сплавов группы «силумин» по эталонным рентгеновским снимкам с помощью разработанной рентгеновской шкалы эталонов пористости.

Магниевые сплавы имеют склонность к образованию в отливках микрорыхлоты, влияющей на их механические свойства. Содержание микрорыхлоты допустимо при условии сохранения механических свойств отливок, оговариваемых соответствующими нормативными документами, (ОСТ1 90248). Вид микрорыхлоты для каждого магниевого сплава или узкой группы сплавов с близкими свойствами весьма специфичен, поэтому существующие эталонные рентгеновские шкалы микрорыхлоты предназначены для разбраковки отливок только

группы сплавов, обозначенных в отраслевом стандарте. При создании нового сплава с отличными от предшествующих свойствами для падежной разбраковки необходима разработка соответствующей шкалы микрорыхлоты. Такая задача была решена для магниевого сплава МЛ20-1.

Повышение ресурса, качества и надежности аэрокосмической техники неразрывно связано с использованием неметаллов (пластмасс, резины, композиционных материалов). Обладая целым рядом достоинств, которых нет у сплавов, неметаллические и композиционные материалы частично вытеснили традиционные сплавы. Одним из условий надежной работы является отсутствие в них дефектов: расслоений, неравномерности структуры, неравноплотности, отсутствие или избыток связующего, трещин, складок. Применения радиационного метода контроля для обнаружения перечисленных дефектов контроля эффективно при устранении систематического влияния мешающих факторов: неоднородности структуры, разброса в укладке армирующих волокон и пр. Для этого необходимо исследовать особенности взаимодействия рентгеновского излучения с композиционными материалами, создать надежные критерии оценки качества изображений и выявить условия контроля, обеспечивающие максимальную чувствительность для изделий из композиционных материалов.

Обеспечение высокого качества современных авиационных материалов и повышение ресурса производимой из них техники потребовали разработку технологий радиационного контроля, включающую режимы контроля, оценочные критерии и нормативную документацию, - все, что обеспечивает надежное и достоверное обнаружение недопустимых дефектов.

Цель работы — повышение качества авиационных материалов, надежности выполненных из них заготовок, деталей и узлов авиационной техники посредством совершенствования технологии радиационного неразрушающего контроля.

Методика исследований. Теоретические исследования базировались на применении методов математической статистики и операционного исчисления.

Для экспериментальных исследований были изготовлены специальные образцы с искусственными дефектами и отобраны фрагменты изделий с реальными дефектами. В качестве источников излучения использованы промышленные рентгеновские аппараты. Рентгенограммы были выполнены на отечественной и зарубежной промышленных радиотрафических пленках. Результаты

рентгенографических исследований сопоставляли с данными металлографического анализа, механических и гидростатических испытаний.

Разработка технологий проведена непосредственно на промышленных объектах: отливках, заготовках, винтовентиляторных лопастях, агрегатах теплозащиты.

Научная новизна работы:

❖ разработан метод, с помощью которого установлены общие закономерности формирования рентгенографического изображения различных дефектов в сплавах, неметаллических и композиционных материалах и теоретически определены предельные размеры дефектов, воспроизводимых на рентгеновском снимке;

♦> разработана математическая модель формировшпш радиационного изображения дефектов в объектах контроля сложной формы с криволинейной поверхностью и переменным сечением, благодаря которой удалось провести расчет параметров индикаторов для оценки чувствительности контроля; ♦> теоретически обоснованы и получены пригодные для инженерных расчетов аналитические выражения чувствительности контроля и вероятности обнаружения:

♦ «контрастных» дефектов в материалах с «изотропной» структурой;

♦ неконтрастных дефектов в материалах с неоднородной структурой;

❖ разработаны технологии контроля и средства для оценки качества изделий по результатам расшифровки рентгенограмм:

♦ литых охлаждаемых лопаток турбины ГТД из жаропрочных сплавов;

♦ штамповок заготовок лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов;

♦ отливок из алюминиевых и магниевых сплавов;

♦ неметаллических и композиционных материалов, в том числе и композиционного материала «углерод-углерод»;

4 винтовентиляторных лопастей с металлическим и стеклопластиковым лонжеронами.

Практическая ценность работы состоит в создании технологий и средств оценки результатов радиационного неразрушающего контроля, что нашло свое отражение в разработке и широком внедрении отраслевых стандартов, производственных инструкций, технологических рекомендаций по радиационному контролю металлических, неметаллических и композиционных материалов и изделий из них.

Апробация работы. Фактический материал, выводы и основные положения работы вошли в научно-технические отчеты ВИАМ, автором, ответственным исполнителем или соисполнителем которых является соискатель. Основные выводы по разделам работы докладывались на

международных, всесоюзных, всероссийских и отраслевых совещаниях, семинарах и конференциях, в том числе на IX Всесоюзной научно-технической конференции по неразрушагощим методам контроля в г. Минске 1981 г.; на XI конференции «Неразрушаюддае физические методы и средства контроля» в г. Москве 1987 г.; на XIY Всероссийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» в г. Москве 1996 г.; на II отраслевой научно-технической конференции по НМК в г. Куйбышеве; на IY отраслевой научно-технической конференции по НМК в г. Саратове 1983; на Y отраслевом научно-техническом совещании «Повышение надежности и качества авиационной техники» в г. Андропове; на совещаниях, проводимых московским (МДНТП) и ленинградским (ЛДНТП) домов научно-технической пропаганды по неразрушагощим методам контроля материалов и окружающей среды 1985 по 1992 г.г.; на научн-технич. конф. мол. спсц г., Киев 1977 г.; на научно-практической конференции «Городской транспорт. Диагностика и ремонт» в г.Москве 1996 г.

Публикации.

Результаты исследований опубликованы в 19 научных работах, 4 работы подготовлены к публикации и находятся в печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 200 наименований, восьми приложений. Объем работы - 277 страниц печатного текста, из них 57 иллюстраций и 38 таблиц.

Работа выполнена в лаборатории неразрушающих методов контроля ГП «ВИАМ» ГНЦ, где на протяжении многих лет автором осуществлялись исследования по радиационному методу неразрушающего контроля авиационных материалов и изделий их них. Выполнению исследований во многом способствовали проведение работ совместно с предприятиями отрасли, результаты которых в разное время были обсуждены, защищены и внедрены в производство. Автор искренне благодарит коллектив сотрудников лабораторий ВИАМ за оказанную помощь на завершающем этапе работы над диссертацией. С чувством глубокого уважения автор вспоминает также многолетние сотрудничество, внимание к его исследованиям и поддержку со стороны к.т.н. Чернобровова C.B. и к.т.н. Гольцева В.А.

Осуществлению замысла работы и ее завершению во многом способствовали поддержка и помощь со стороны д.т.н. профессора Денеля А.К. и д.т.н. Добромыслова В.А., которым автор приносит свою искреннюю благодарность.

Глава 1. РАДИОГРАФИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Объекты радиационного контроля представляют собой изделия из стали, жаропрочных (железо-никелевых, никелевых) титановых, алюминиевых, магниевых и других сплавов; неметаллических материалов (резин, стеклопластиков и пр.); металлических и неметаллических композиционных материалов. Поскольку большинство изделий авиационной техники работают в экстремальных условиях, вопрос их качества (отсутствие недопустимых дефектов) приобретает первостепенное значения. Несмотря на то, что радиационный метод -один из наиболее эффективных в неразрушающем контроле, его адаптация на многообразие материалов и объектов аэрокосмической техники с целью обнаружения недопустимых дефектов, представляет собой сложную задачу.

Состояние радиографического контроля в производстве авиационной техники зависит от оснащения производства техническими средствами и от качества технологии проводимого контроля, которая, в свою очередь, определена общими положениями действующих стандартов. К ним относятся: область распространения стандарта на объекты контроля; категории, классы чувствительности или уровни качества объектов контроля; предельные значения энергии излучения относительно толщины и материала объекта контроля; ограничения в выборе фокусного расстояния, минимальное значение оптической плотности рентгеновских снимков и допустимый разброс оптической плотности в пределах одной рентгенограммы.

Перечисленное определяет структуру и систему нормативных документов. Сравните отечественных и зарубежных стандартов (ГОСТ, ASME, DIN, EN) показало близкий методический подход к контролю, проводимому у нас и за рубежом. Основные различия относятся к требованиям стандартов, предъявляемым к качеству продукции. Помимо этого следует отметить, что по сравнению с зарубежными стандартами в ГОСТ требования к предельным значениям энергии излучения наиболее жесткие, а требования к минимальному значеншо оптической плотности снимка наименее жесткие. Отличительной особенностью стандартов США является обязательное использование эталонных рентгенограмм.

Практическая оценка чувствительности радиационного контроля осуществляется посредством эталонов или индикаторов качества изображения (ИКИ). Проволочные эталоны чувствительности (ГОСТ 7512) и ИКИ (DIN 54109) идентичны, хотя последние могут быть использованы для контроля изделий из стали, бронзы, алюминиевых и магниевых сплавов, в то время как отечественные пригодны для использования при контроле изделий только из стали и бронзы. С

помощью проволочных ИКИ чувствительность определяется по проволочке минимального диаметра, видимого на рентгеновском снимке. Несколько иначе определяется чувствительность по эталону в виде пластины толщиной Т с тремя отверстиям, диаметры которых равны 01Т; 02Т; 04Т (одно-; двух-; четырехкратному значению толщины пластины) регламентированной американским стандартом ASME. Стандарт задает уровни качества по видам продукции: общему (2-1Т; 2-2Т; 2-4Т) и специальному (1-1Т; 1-2Т; 4-2Т). Для продукции общего, если, например, задан уровень качества 2-1Т, это означает, что при контроле следует выбирать в качестве эталона чувствительности пластину, толщина которой Т составляет 2% от толщины объекта контроля. На рентгеновском снимке должно быть видно изображение пластины и минимального отверстия 01Т. Для уровней качества 2-2Т и 2-4Т диаметры минимальных отверстий, видимых на рентгеновском снимке в пластине толщиной Т должны быть, соответственно, 02Т и 04Т. Эквивалентная чувствительность по уровням качества 2-1Т; 2-2Т; 2-4Т для продукции общего вида, соответственно, 1,4%; 2,0%; 2,8%. Для продукции специального вида все аналогично, лишь толщина выбираемой пластины должна составлять 1% от толщины объекта контроля и эквивалентная чувствительность по уровням качества 1-1Т; 1-2Т; 4-2Т составляет, соответственно, 0,7%; 1,0%; 4,0%. Таким образом, конструкция ИКИ в виде пластины с отверстиями и дифференцированное определение чувствительности более объективно по сравнению с проволочными ИКИ или эталонами.

При проведении радиографического контроля на современной аппаратуре при оптимальном выборе режимов контроля средняя достижимая чувствительность, определяемая по стандартному ИКИ или эталону, составляет 1,5 -3,0%. На самом деле чувствительность не является постоянной величиной, максимум, которого она может достичь, может быть определен экспериментально с помощью специально изготовленных индикаторов. В разделе 1.2.2. диссертации приведены примеры использования индикаторов различной конструкции для оценки чувствительности при контроле тех или иных объектов. Таким образом, объективная информация о достижимой чувствительности возможна при наличии таких средств и способов ее проверки, которые учитывают специфику объектов контроля.

В разделе 1.3. диссертации дана информация о существующих методах исследования передачи и преобразования изобразительной информации. Объединяющим моментом является представление радиационного контроля системой передачи полезной информации. С одной стороны, эффективность такой системы зависит от ее чувствительности, понимаемой как минимальный размер дефекта в направлении просвечивания. С другой стороны, при передаче

информации имеет значение размер дефекта в направлении, перпендикулярном излучению. Учет этих факторов может быть обозначен через частотно-контрастную характеристику (ЧКХ) системы, в которой этапы преобразования — суть отдельные блоки со своими ЧКХ. В разделе приведен анализ способов представления системы радиационного контроля, применяемых исследователями, а также математический аппарат, используемый ими для описания для физических процессов.

Исследование чувствительности в радиационном контроле требует моделирования дефектов и их вероятных сочетаний с объектом контроля наиболее приближенных к реальности, или граничащих с условием абсолютного невыявления. Поэтому, проводя исследования, для определения чувствительности необходимо оговорить условия построения экспериментов. Для осуществления этого были изучены работы по теории экспериментов. В разделе 1.4. дана краткая информация о современной теории эксперимента и о существующих подходах к созданию моделей, ссылки на литературные источники. Материал был использован при проведении экспериментальных исследований и статистической обработки и осмысления полученных результатов.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О

ДЕФЕКТАХ И ИХ ИЗОБРАЖЕНИИ В МАТЕРИАЛАХ И ОБЪЕКТАХ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ.

Используя теорию простраисгвенно-частотиых операций над изображениями, для оценки результатов радиационного контроля и их достоверности вся совокупность технологического цикла была заменена эквивалентной схемой системы передачи и преобразования

информации.

Структура системы задана, т.к. содержит одни и те же элементы: источник излучения; объект контроля; средство регистрации взаимодействия излучения с объектом контроля; средство выделения полезной информации. Формирование радиационного контраста изображения дефекта происходит в результате воздействия на него излучения, исходящего от источника. Пространственно-частотными свойствами обладают радиационное и оптическое изображения, следовательно, они могут быть представлены в виде их пространственных спектров. Помимо этого и источник излучения, имеющий конечные размеры фокусного пятна, и объект контроля с размерами в направлениях, перпендикулярно и параллельно излучению, обладают пространственно-частотными свойствами и потому могут бьггь представлены в виде спектров пространственной частоты V. Размерность [V] - 1/мм - означает число воспроизводимых элементов (линий) на единице длины пространства. Тогда результат, получаемый на выходе системы (скрытое радиационное изображение) теоретически определен сверткой спектров

входного сигнала (объекта контроля) передаточной функцией системы (пространственный спектр источника излучения). Пространственный спектр оптического изображения аналогично представляет собой свертку спектров радиационного изображения и частотно-контрастной характеристики рентгеновской пленки. Эти теоретические исследования были проведены в настоящей работе.

Спектральные свойства источника излучения зависят от размеров фокусного пятна и геометрии съемки, его частотно-контрастная характеристика может получена посредством прямого преобразования Фурье функции вида:

¥- фокусное расстояние;

х - переменная вдоль оси абсцисс (перпендикулярно направлению

излучения); Ф - размер фокусного пятна источника.

Функция Ч* (х) определена на отрезке [0- Ч^ < Р ] , соответствующих значениям Х = 0 КХ = игтах В результате спектр источника излучения:

А,.(V)=рф^27™"^ тк■ сс^а^Ф , где

"г«*,

V- пространственная частота.

Ширина спектра определяется значением пространственной частоты V,

соответствующей первому нулю функции 5У(у), т.е. уг = ——, где иг -

2 иг

максимальное значение геометрической нерезкости для данного объекта контроля.

Спектр объекта контроля, который согласно принятому представлению является входным воздействием на систему, получим в результате Фурье преобразования функции, описывающей объект контроля в плоскости ХОУ. В работе рассмотрены три модели объекта контроля, содержащие дефекш в виде раковины, трещины и пористости (рис. 1)

Для раковины размером 5x6 в объекте контроля с размерами йхЬ (рис. 1А) это уравнение выглядит следующим образом:

В при 0 < х < 8 -у(х)= \ В-8 щч8<,х<78 О при 2 8<х<Ь

у(х) - координата вдоль направления излучения; х - координата, перпендикулярная излучению

и, соответственно, ее спектр: у(у) = = 5

ът.тп>5 лу5

Для трещины (рис Л Б), моделируемой треугольником с параметрами И - высота и I- основанием объекте контроля с размерами Б вдоль оси у п Ь вдоль оси х соответствует пространственпо-аналитическое выражение в координатах (х; у):

У(х)

О

В——(* + /) А/ '

О

При 0 < х < / При 1<х<1 + А1

Щи1+А1/2£х£1 + А1

При 1 + Л1йх<Ь

Спектр функции, описывающий трещину:

У 3 3 2 (яуА!)2

Граничные пространственные частоты, формирующие спектры раковины и трещины, определяются их размерами в плоскости, перпендикулярной направлению излучения. Из аналитических выражений спектров видно, что спектр распространяется на широкий диапазон пространственных частот, но амплитуда частотных составляющих падает с ростом частоты, поэтому логично считать, что ширина спектра определяется частотой, при которой существует первый нуль функции: для раковины V ^ ^ = 1/8; для трещины угр т =2/А1.

Для пористости характерна ее рассредоточенность по всему объему отливки (рис.1 В): многочисленные поры расположены в ее объеме случайным образом, поэтому исключена возможность описания ее регулярной функцией. Обосновано принято решение, считать, что содержание пор в объеме отливки подчиняется закону распределения Пуассона и для заданного балла пористости со средним диаметром пор (1„ и такой концентрацией, которая определяет частоту чередования их по осям х, у, равную:

- indl dnx' вероятность события «пора» на отрезке 1 вдоль оси х:

Рис. 1 Гешягтржчссмс щжспвжжяг сягяыраджирикного хвтуоля tabCKTOB с хфистерхынн дсфеастадог: А^шпюк; Б-хрезцхкок; В- MficnciuD

Рп{К,[)-

тк

к\

и вероятность события «металл»:

РМ=\-Р(К,1).

К - параметр, который принимает значения 0, 1, 2... и показывает, сколько раз на данном отрезке I происходит событие «пора» или событие «металл».

Математически объект контроля, содержащий пористость, в плоскости XOY (х - направление, перпендикулярное излучению, у -направление вдоль распространения излучения) представляет собой функцию следующего вида:

у(х) - Т)0 • §(х), где

Do = const,

%(х) - случайная функция аргумента х, зависящая от концентрации и величины пор в отливке, т. е. определяющая балл пористости.

Спектр случайной величина тоже величина случайная:

X

Чтобы избежать неудобства работы со случайными величинами в работе было найдено такое определение спектра, которое привело к неслучайной функции пространственной частоты, через статистический спектр ее функции корреляции (теорема Хинчина). Полученное выражение для спектра имеет вид:

> П+]2тгу

М(%2) - дисперсия величины д;

А(у) имеет сильную зависимость от пространственной частоты V Ширина спектра в этом случае - это полоса пространственных частот, в которую укладываются все составляющие спектра с амплитудами (0,1 -1):

П - = 0,1-^ ■

П1 +(2жу)2 ' П'

граничная пространственная частота спектра зависит от среднего

диаметра пор следующим образом: V - ——.

с!п

Условия, при которых будут сформированы радиационные изображения перечисленных выше дефектов состоит в том, чтобы ширина их спектральных характеристик укладывалась в «спектральное окно» частотно-контрастной характеристики источника излучения. Если считать, что ширина «спектрального окна» источника для эффективного формирования изображения дефекта ограничена пространственной частотой, при которой:

л 1

= то 2лшг -- — УГриап

4 ,рист 8иг

Условие формирования радиационных изображений дефектов:

УГрЛор ^ УГрис

Из этого вытекает, что соотношение между размером дефекта и геометрической нерезкостью должны удовлетворять условиям для дефектов типа:

- раковины размером 5x8 - 8 >2,27 ир

. трещины раскрытием А1 и глубиной Л А1> иг

- пористости балла с1п с!„ > 4,3 иг

Преобразование радиационного изображения в оптическое аналогично можно представить эквивалентной схемой, в которой входное воздействие - радиационное изображение, выходной - оптическое изображение, блок передачи — радиографическая пленка, с частотно-контрастной характеристикой, определяющей ее спектральные свойства. Спектры оптических изображений раковины, трещины, пористости, соответственно:

2xxiv- V W x

'/-.Г/2

A

(•—Ui.e ' dv

v ** В 2 J| (xv&lj

+ 0.5xcos^ZTx -^ ЦхФ

+ —— >xS,e ' dv a.v.

<S„t ' dv

«to

Эти функции пространственной частоты учитывают зависимость от размеров дефектов, свойств источника излучения и рентгеновской пленки.

Спектральная плотность шума радиографической пленки на нулевой пространственной частоте принимает наибольшее значение, равное некоторой постоянной величине А/а* , разной для пленок разного типа. A/eh для некоторых типов отечественных пленок была определена экспериментально. Радиационный контраст дефекта на нулевой пространственной частоте должен превышать величину А/а„, из этого условия определяется предельный минимальный размер дефекта в направлении излучения, который может быть воспроизведенным рентгеновской пленкой:

для раковины: 8>А4х„; для трещины: h >А/а„; для пористости: M(<f) >А/(Хп;

Помимо этого, размеры дефектов в плоскости, перпендикулярной излучению, которые могут быть воспроизведены рентгеновской пленкой определяются соотношением ширины спектров их радиационных контрастов и граничной пространственной частотой частотно-контрастной характеристики рентгеновской пленки, которая равна:

у„ =1,64р , р - параметр, который зависит от величины микрокристаллов и толщины эмульсионного слоя пленок итак: угрдеф< у„

Поэтому для раковины, у которой:

Уггр рак = (2иг +5)/(иг 5) £ 1,64Р

должно выполняться условие

5>2иг/(1,64Риг-1)

Минимальное раскрытие трещины, фиксируемое рентгеновской пленкой по пространственной частоте:

А1 > 16 иг > 1,64Р

Пористость п -го балла на снимке будет различима только при условии:

0,54/4, > 1/ 8 ыг > 1,64Д где

4, - средний диаметр пор п-го балла пористости.

Разработка математических моделей формирования и преобразования радиационных изображений объектов сложной конфигурации с криволинейпон поверхностью и переменным сечением.

Отливки, подлежащие рентгенографическому контролю, имеют сложпую форму, переменное сечение, образуемое криволинейными поверхностями разной кривизны. Неучет этого факта приводит к тому, что практическая оценка чувствительности контроля, осуществляемая посредством эталонов чувствительности, при определенных значениях радиусов кривизны поверхностей становится необъективной.

Проволочные эталоны чувствительности и индикаторы качества изображения, применяемые при радиографическом контроле отливок сложной формы, обладают одним недостатком: длина проволок 20 мм (ГОСТ 7512) и 60 мм (DIN 54109), расположенных на контролируемой поверхности изделия с переменным сечением, не позволяет дать точную количественную оценку чувствительности. При некоторых значениях радиуса и знака кривизны поверхности объекта контроля в диапазоне длины проволочки чувствительность принимает значения ниже допустимой.

В работе рассмотрены три случая кривизны поверхности: сферическая, цилиндрическая, сложная двухсторонняя, образованная двумя сферическими поверхностями разных радиусов кривизны. Для каждого случая, определено какова должна быть длина проволочек, в диапазоне которой чувствительность изменяется не более, чем на 10% (рис. 2).

А - сферическая поверхность; Б-цилиндрическая поверхность; В - сложная двухсторонняя кривизна поверхности

Для сферической поверхности (рис.2А), у которой вдоль оси у толщина меняется и падение толщины на 10%, соответствующее ув = 0,911, оказывается на расстоянии Ах = 0,43Е.. Следовательно, максимальный размер элементов эталона чувствительности, обеспечивающий ее оценку не хуже, чем на 10% для сферических объектов контроля в направлении, перпендикулярном распространению излучения составляет 0,4311.

Для цилиндрической поверхности (рис.2Б) оно определяется соотношением наружнего и внутреннего цилиндров следующим образом:

Ах = -у/ОДЯ] Я2 + 0,01 (И.! - Я2)2 Это означает, что для всех случаев, когда И] * И.2

0,№, < Ах < 0,44^,

Для объектов сложной формы с двухсторонней кривизной поверхности (рис.2В), представленных как пересечение двух сфер разного радиуса [И и И + С] со смещепными друг относительно друга центрами [О (0,0.) и М (а,Ь)] эта зависимость приобретает вид:

М - 0,28 аЬ/ (а2 + Ь2) * (2К + С)/ (Л + С) * (V а2 + Ъ2 - С) = 0,28 Щ1+ Н/СЯ+С^тос

а - угол наклона прямой, соединяющей центры окружностей, к оси абсцисс.

Одной из разновидностей объектов сложной формы с двухсторонней кривизной поверхности является литая охлаждаемая лопатка. Перо лопатки имеет переменное сечение и, следовательно, разную радиационную толщину при одной и той же схеме просвечивания, что требует нескольких экспозиций с разными, оптимальными для каждой толщины режимами. Разработка математической модели формирования и преобразовании радиационных изображений преследует своей целью определение числа экспозиций при их контроле и определение диапазона толщины, для которой достаточна одна экспозиция.

Для определения числа экспозиций было использовано понятие радиографической широты. Применительно к точкам АиВ (середина и граничная точка экспонируемого участка, соответственно) (рис.3) она составит:

Ау = 2,3 (Эг- Б 0 * 1/ & * 1/ц

Бь Бг - оптическая плотность снимка в точках Л и В, соответственно,

§8 - средний градиент рентгеновской пленки, ц - линейный коэффициент ослабления излучения в материале лопатки. Полагая 82-81 = 1 (по аналогии с требованиями ГОСТ 7512), для пленок типа РТ-К,РТ-4М с 3-4, Лу= Д1/2 =0,693/ц, где

Аш - слой половинного ослабления излучения материалом лопатки. С другой стороны, при малых изменениях радиационной толщины:

Ау = у* Ах

Пересечете двух окружностей радиусами ^ и Я2 образует замкнутую линию Ь, которая замыкает контур <3 внутри нее и которую можно описать криволинейным интегралом вида:

£ {[ /1(х,у)с1х +/,(х,у)с1у] - [ /2(х,у)с1х +/2 (у)ёу]}, где /,(х,у):х2/1112 + (у-а)2/Ы12-1=0

/г(х,у): х2/ Кг2 + (у-Ь) 2 / И.22 - 1= 0 - уравнения окружностей с радиусами Я] и Кг соответственно (рис.3).

у источник излучения

Рис. 3 Элемент пера лопатки, используемый для разработки математической модели формирования радиационного изображения.

После преобразования подинтегральное выражение можно представить в виде:

{Х(ду^с1х + Х(х,у)йу}

В свою очередь, криволинейный интеграл преобразуется по формуле Грина в двойной интеграл вида:

j>{X(x,yJdx + Y(x,y)dy} = JJ (SXJBy - 8Y/5x)

В результате преобразования подинтегрального выражения и интегрирования получено:

(Ri + R2 ) (2R, - Я2) (2R, - Rj - Am ) - [2Rz (Rj - Ri) (A,,2 - 2R; + R2 )

дх = -

(Ri+R2)(2Ri-R2-Am)

В разделе 2.3. проведены теоретические исследования вероятности обнаружения дефектов при проведении радиационного контроля. Сам по себе дефект представляет случайное явление и его обнаружение зависит не только от его свойств и свойств объекта контроля, но и от многих причин, которые возможно и невозможно учесть при проведении радиационной дефектоскопии. Совокупность всех этих причин и свойств определяют вероятность обнаружения дефектов. Получение наиболее точной оценки вероятности обнаружения дефектов возможно, когда существует закон распределения плотности вероятности, получаемый на основании статистических данных об объекте контроля. Естественный набор статистик неудобен и зачастую невозможен, но может быть получен в достаточном варианте в результате правильно поставленного эксперимента.

Принцип построения статистического распределения оптических изображений дефектов эмпирическим путем основан на справедливости выражения:

M[S(x)] = n (М)

М - математическое ожидание величины оптической плотности снимка, найденное по результатам измерений в точках рентгенограммы {хьх2 .... х„}; S - оптическая плотность снимка,

г) (х, 0) - параметрическая функция, аналитически, графически или таблично моделирующая закон изменения среднего оптической плотности. Функция ri (х, 0) всегда существует в вариантах, определяемых параметром 8, который нужно определить экспериментально. Для снимка, не содержащего изображения дефектов:

!M[S(x)] - S (х;)|<а

a - дисперсия оптической плотности (среднеквадратическое отклонение от среднего значения).

Для снимка, имеющего изображения дефектов, всегда найдутся такие X! для которых:

IM [S(x)] -S(x,)l>£

s > с - определяется чувствительностью контроля.

Изложенное является основным исходным условием при построении эмпирического распределения. Оптическая плотность может быть опосредована другими переменными и параметрами, однозначно ее определяющими, в зависимости от условий конкретной задачи. В работе изложены алгоритмы построения эмпирических распределений для двух случаев, занимающих предельные положения. Первый случай описывает ситуацию, когда дефект контрастен по своей природе, а дисперсия оптической плотности снимка, не содержащего изображения дефектов, составляет величину, не превышающую 0,02 (точности измерения денситометра). Второй случай относится к оценке дефектов, изображенных на снимке в виде неконтрастных, нечетких областей неравноплотности, размытых по снимку, на фоне структурных колебаний материала, размеры которых составляют 0,5-1 мм.

Любой объект радиационного контроля характеризуется коэффициентом ослабления излучения его материалом ц, размером дефекта 8 в направлении излучения, коэффициентом ослабления излучения материалом дефекта Иг и 8 являются случайными

величинами. Поскольку размер дефекта может принимать в определенных пределах любые значения, мы имеем дело с непрерывной случайной величиной 8.

Исходные условия для построения функции распределения непрерывной случайной величины 8 в первом случае:

Ы(Ц-И0)8]2 -F1[(H-№)8]1 = P{[(H-№)8]2 < X < [(Ц-№)8],}

и с ростом случайной величины (ц - щ )8 ее функция распределения F [(ц - Мб )8] растет и стремится к 1.

Для получения промежуточных значений F[(n - ^ )8] следует определить вероятность обнаружения дефектов, размеры которых находятся в диапазоне:

шах

как отношение:

P=n/N

п - число обнаруженных дефектов, N - общее число дефектов.

Полученную функцию распределения можно аппроксимировать одним из видов классических распределений из теории математической статистики, или располагать ею в том виде, в котором будет получена одна из ее реализаций.

В основу построения статистических распределений во втором случае положено различие пространственных спектров изображений дефекта и структуры материала. Для объекта с неоднородной структурой оптическая плотность его рентгенограммы колеблется в пределах {Smin -Sw}. Оптическая плотность снимка S как функция пространственной частоты v для рентгеновского снимка, пе содержащего дефекты:

TiVcip {Smin " Smax}

S(V)=- ± -

2 rcv 27iv

M [Scp ] - математическое ожидание оптической плотности

снимка, не содержащего дефекты; Vnp - пространственная частота, описывающая структурную неоднородность материала: \'с-ф = 1/ х ^р (х „р - шаг структурной неоднородности) Зависимость оптической плотности от пространственной частоты на участках рентгенограммы, изображающей дефект:

М [S;(,t] Vcrp ^деф { Smin ~ Sniax}

S(v)=- ± -

2nv 2v[ v^+v^]

M [S;re(j,] - среднее значение оптической плотности снимка в месте

изображения дефекта; Удеф - пространственная частота, описывающая дефект.

На фоне структурных помех материала дефект выделяется частотными и амплитудными свойствами по своей форме аналитическое выражение спектра аналогично спектру модулированных колебаний по амплитуде в электрических цепях:

- ^деф

{1 ± М^/М^деф]}

В разделе 2.4. для построения эмпирических функций распределения представлен алгоритм экспериментальных исследований. Алгоритм предусматривает три разновидности объектов контроля:

- сложной формы с криволинейной поверхностью;

- контрастный дефект в материале с изотропной структурой;

- неконтрастный дефект на фоне структурных помех материала.

Объектом исследования в первом случае служили фрагменты пера

лтых охлаждаемых лопаток турбины ГТД 1 и П ступеней; во втором случае - штампованные заготовки лопаток компрессора ГТД из

титановых сплавов; в третьем случае были исследованы элементы теплозащиты неметаллического композиционного материала «углерод-углерод».

Глава 3. экспериментальная проверка теоретических исследований выявляемости дефектов в жаропрочных и титановых сплавах и чувствительности их обнаружения

Экспериментальное моделирование выявляемости дефектов в лопатках ГТД позволило установить выявляемосгь дефектов, во-первых, в зависимости от их формы; во-вторых, в зависимости от формы объекта контроля. Для проведения экспериментов были разработаны специальные образцы. Рассчитаны коэффициенты ослабления рентгеновского излучения в диапазоне 80 - 240 КэВ и построены номограммы экспозиций для рентгенографического контроля изделий из жаропрочных сплавов в диапазоне толщины 0,5 - 20 мм.

Теоретическая установка, изложенная в 2.3.1., определяет последовательность и содержание экспериментальных исследований по определению выявляемости дефектов в штампованных заготовках лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов. Она выражена соотношением:

Б(5) = [Р(8; 1;у)] /п, где

Б(5) - функция распределения непрерывной случайной величины 8 -размера дефекта в направлении просвечивания; в эксперименте эта величина реализована набором вольфрамовых проволок диаметром с! = {<!] - с! к} 1- размер дефекта в направлении, перпендикулярном излучению;

у - просвечиваемая толщина объекта контроля; п - количество дефектов, участвующих в эксперименте; Р - результат эксперимента.

Штампованные изделия обычно не подлежат контролю радиографическим методом, т.к. дефекты, содержащиеся в изделии, после деформации не создают радиационного контраста. Исключение составляют карбиды вольфрама (обуглившиеся осколки электродов плавильных печей). Попадая в расплав титанового сплава, мелкие частицы карбида вольфрама могут задержаться в среднем слое, который используют для заготовок лопаток, валов и дисков компрессора ГТД . Во время работы двигателя они являются концентраторами напряжений, поэтому даже мельчайшие частицы, содержащиеся в изделии -недопустимый дефект. Рентгенографическим методом соединения карбида вольфрама обнаруживаются достаточно надежно из-за большой разницы коэффициентов ослабления излучения титаном и вольфрамом в диапазоны энергий от 40 КэВ до 400 КэВ: коэффициент ослабления

излучения титаном составляет (10 + 0,4) 1/см; коэффициент ослабления излучения вольфрамом - (155 + 6) 1/см. При штамповке частицы карбида вольфрама не подвергаются деформации и остаются объемными.

Цель эксперимента - определить, каковы минимальные размеры включений, обнаруживаемых на рентгеновском снимке, и насколько надежно выявляются наименьшие из них. Для этого необходимо было установить вероятность обнаружения включений при оптимальных режимах контроля и установить степень риска пропустить дефект при действующих нормах разбраковки, если время экспозиции в два раза меньше оптимального, таким образом, определить возможность двойного экспонирования одной и той же пленки в целях ее экономии.

Для осуществления поставленной задачи были разработаны специальные индикаторы, посредством которых определены чувствительность контроля и вероятность выявления дефектов. Полученный экспериментальный материал позволил построить экспериментальную функцию распределения выявляемых дефектов

В данном случае функция распределения неизвестна, задать ее можно эмпирическим путем, построив распределение на основе экспериментальных результатов, полученных с помощью специальных статистических тестов на выборке из 2500 элементарных событий {х} из распределения L(x), где

{х} ={(d у/у)ь (à Jy)ï, .....; (d w/y)n}

Вещественно такой объем выборки обеспечен набором специальных тестов, представляющих собой отрезки вольфрамовых проволок разного диаметра {d w}~ {dwi ; ; ...; dwn}, расположенные на толщине титанового слоя {у} = { уь Уг; -•■• Уп;}и обнаруживаемых с разной вероятностью Р= (0 — 100%).

Эксперимент позволил построить эмпирическую функцию распределения F„(x), найти теоретическую функцию распределения F(x) из условия F(x) - Fn(x) < е , (е - сколь угодно малое положительное число) и проверить статистическую гипотезу F(x) по критерию Колмогорова:

P{lim sup I F(x) -Fn (x) I =0} =1

П-+00

Знание статистического распределения позволило определить и ввести в технологию контроля поправочные коэффициенты при расчете индикатора.

Глава 4. разработка методов оценки результатов

радиационного неразрушающего контроля фасонных отливок из алюминиевых и магниевых сплавов

Фасонные отливки из алюминиевых и магниевых сплавов широко

используются в авиастроении при изготовлении деталей планера самолетов и вертолетов. Отличительной особенностью алюминиевых и магниевых сплавов является образование в них характерных структурных неоднородностей даже при правильно сконструированной литниковой системе и строгом соблюдении технологии литья. Такими структурными неоднородностями являются: в алюминиевых сплавах - газовая пористость; в магниевых сплавах - микрорыхлота. Степень структурной неоднородности (количество и размер несплошностей) влияет на предел прочности, предел текучести, относительное удлинение отливок и, в зависимости от требуемых механических свойств отливок, может рассматриваться и как дефект, и как допустимая несплошность.

Основным видом неразрушающего контроля отливок из легких сплавов является радиационных контроль с использованием рентгеновского излучения. При этом установлена взаимосвязь между баллами пористости (или степенью микрорыхлоты) и рентгеновскими изображениями плотности распределения этих структурных неоднородностей. Действующими в авиационной промышленности стандартами, в том числе ОСТ 1.90021-79 "Отливки фасонные из алюминиевых сплавов. Общие технические требования" и ОСТ 1.9024877 "Отливки фасонные из магниевых сплавов. Общие технические требования" установлены пять баллов пористости для алюминиевых сплавов и три степени микрорыхлоты для магниевых сплавов.

На рентгенограмме пористость представляет случайно распределенные по всей площади области повышенной плотности произвольной формы, имеющие четкие границы. Величина областей и их количество на рентгенограмме определяют балл пористости. При расшифровке оператор путем визуального сравнения подбирает рентгенограмму, которая наиболее близка по рисунку рентгенограмме объекта контроля и определяет балл пористости. Допустимый балл пористости на изделие устанавливают в зависимости от того, в каких условиях работает деталь, выполненная из отливки. Оценка пористости осуществляется визуально путем сравнения рентгеновского снимка контролируемой отливки с эталонными рентгенограммами. Толщина сравниваемого участка должна быть близка к толщине эталонного образца с пористостью. Различают алюминиевые литейные сплавы нескольких систем, например, «алюминий - медь», «алюминий-магний», «алюминий - кремний» и т.д. Для сплавов каждой системы существует своя шкала пористости. Для сплавов системы "алюминий - медь" разбраковку по баллам пористости проводят, пользуясь рентгеновской шкалой сплава АЛ19. Для системы сплавов "алюминий - магний" разработана шкала для сплава ВАЛЮ. Для сплавов системы "алюминий -кремний" шкала сплава АЛ9 служила для оценки их баллов пористости.

Определение интенсивности газовой пористости по излому:

макро- и микроструктурам требует разрушения детали, которая потом не может быть использована в производстве. Рентгенографический контроль обнаруживает и оценивает пористость. Однако, разработанные ранее эталоны пористости отливок из сплава АЛ9 имеют ряд недостатков:

- отсутствие эталонов для некоторых толщин;

- неполное соответствие рентгеновских эталонов пористости с эталонами пористости по макрошлифам согласно ОСТ 1 90029-71;

- невозможность распространения рентгеновской шкалы пористости сплава АЛ9 на группу сплавов типа "силумин".

Разработка рентгеновских шкал пористости для каждого сплава группы "силумин" практически невыполнимая задача из-за высокой трудоемкости, а большой объем шкал сильно затрудняет работу дефекгоскописта. Поэтому была поставлена задача разработать унифицированную шкалу пористости.

Алюминиевые литейные сплавы группы "силумин" склонны к образованию газовой пористости в процессе кристаллизации. Она всегда возникает в производстве крупногабаритных отливок с различными сечениями даже при правильной разработке литниковой системы, обеспечивающей направленное снизу вверх затвердевание отливки. Испытание механических свойств дает возможность установить, насколько пористость снижает механические свойства относительно плотной отливки. При установившемся технологическом процессе производства механические свойства отливок зависят, в основном от толщины стенок деталей и балла пористости.

При проведении работ по усовершенствованию технологии литья и созданию сплава АЛ9-1 с титаном было решено одновременно создать рентгеновскую шкалу пористости сплава АЛ9-1, которая может быть распространена на все сплавы группы "силумин" (АЛ2; АЛ4; АЛ5; АЛ32; АЛ9; АЛ9-1) в диапазоне толщины сплавов от 3 до 50 мм.. Сплав АЛ9-1 легче, чем остальные сплавы группы "силумин" из-за большого содержания в нем титана, а, благодаря прогрессивной технология литья, его механические свойства превосходят механические свойства всех сплавов группы "силумин".

Изготовление образцов для рентгеновской шкалы производилось из плит толщиной 5, 10, 15, 20 и 25 мм, отлитых из сплава АЛ9-1. Для отливки плит, указанных толщин, металловеды проводили расчет литниковой системы: прибылей, щелей, колодцев и пр. В специально приготовленную модельную оснастку проводили заливку плит предварительного сплава АЛ9-1 по инструкции 702-76 «Приготовление литейных алюминиевых сплавов».

Получение I, К, III, ГУ, У баллов пористости преостановкой холодильников, регулированием температур перегрева и заливки сплава. Определение баллов пористости проводили по макрошлифам для каждой

толщины сплава. Затем плита подвергали рентгеновскому просвечиванию, предварительно удалив лигшиковуго систему. Балл пористости, определенный для каждой плиты по микрошлифу, присваивали соответствующей плите и каждому рентгеновскому снимку. Затем плиты размечали и разрезали на заготовки под образцы для рентгеновского просвечивания и механических испытаний. Заготовки подвергали термической обработке по режиму Т5 в соответствии с ОСТ 1 90088-73 с изменением 1. Режим Т5 для сплава АЛ9-1 состоит из нагрева при температуре (535-5)°С в течение 12 часов, охлаждения в воде при температуре 20°С и старения при температуре 150°С в течение 6 часов. Перерыв между закалкой и старением продолжался не более одного часа.

Механические свойства определяли на образцах толщиной 5 мм, вырезанных из плит толщиной 10, 15, 20, 25 мм; го плит толщиной 5 мм для определения механических свойств вырезали образцы толщиной 3 мм. Изготовление макрошлифа для определения балла пористости проводили на образце для рентгеновского просвечивания по стороне, соответствующей толщине плита.

Эталоны для рентгеновской шкалы пористости получали путем подбора образцов, вырезанных из плит каждого балла пористости и подвергнутых рентгеновскому просвечиванию с оптимальным режимом.. Рентгеновскую шкалу эталонов пористости сплава АЛ9-1 получили для толщины образцов сплава АЛ9-1 5; 10; 15; 20; 25 мм. В каждом наименовании толщины существует по 5 образцов каждого балла. Эталонные снимки получают в результате одновременного экспонирования шгга образцов (1-У балл) одной толщины с оптимальным для каждой толщины режимом. Просвечивание осуществляют на одну пленку и на рентгенограмме присутствуют изображения эталонов всех пяти баллов пористости. Всего в альбоме пять рентгенограмм для каждой из толщины 5; 10; 15; 20; 25 мм. Механические испытания показали, что для образцов, вырезанных из отливок с пористостью от 1 до 1У баллов, механические свойства снижаются, но остаются в пределах требований ОСТ 1 90021-71.

Механические свойства образцов, вырезанных из отливок с I по П баллами, отвечают соответственно требованиям 1 и 2 классов по ОСТ 190180-75 на отливки повышенной прочности. Механические свойства образцов, вырезанных из плит с У баллом пористости, не отвечают требованиям, указанных ОСТов.

Исследования рентгенограмм плит и эталонов, а так же практика рентгеновского контроля отливок из сплава АЛ9-1, разбраковка с помощью шкалы с последующей проверкой забракованных отливок металлографическим методом (определение балла пористости по микрошлифам) показали, чгго возможно при радиографическом контроле отливок из сшива АЛ9-1 использование рентгеновской шкалы эталонов

пористости для оценки балла пористости.

Унификацию шкалы сплава АЛ9-1 и ее распространение на всю группу сплавов «силумин» проводили одновременно с распространением ее на диапазон контролируемых толщин от 3 до 50 мм. В отливках из сплавов АЛ2; АЛ4? АЛ5; АЛ9; АЛ9-1; АЛ32 осуществляли оценку пористости по рентгеновской шкале сплава АЛ9-1. При толщинах от 3 до 8 мм использовали рентгенограмму альбома шкал, соответствующую толщине 5 мм; для толщины отливок более 8 мм и до 13 мм включительно пользовались рентгенограммой, на которой были сняты образцы толщиной 10 мм. Рентгеновский снимок эталонов толщиной 15 мм использовали для оценки пористости отливок из сплавов «силумин» толщиной от 13 мм до 18 мм включительно. Эталонный снимок, соответствующий толщине образцов 20 мм, распространили для оценки пористости отливок толщиной от 18 до 23 мм включительно. Отливки толщиной от 23 мм и до 50 мм включительно контролировали, пользуясь эталонным снимком, соответствующим толщине 25 мм.

В течение года проводили набор статистических данных, подтвердивших возможность использования рентгеновской шкалы пористости сплава АЛ9-1 для оценки пористости всех перечисленных выше сштавой группы «силумин» в указанном диапазоне толщины отливок от 3 до 50 мм.

Раздел 4.2. посвящен описанию исследований при разработке рентгеновской шкалы микрорыхлоты маптевого сплава МЛ20-1.

Характерной особенностью литейных магниевых сплавов является склонность к образованию в отливках микрорыхлот. По ОСП .90248-77 "Отливки фасонные из магниевых сплавов. Общие технические требования" микрорыхлота предусматривается как допустимый дефект при условии сохранения механических свойств, оговариваемых ОСТ или специальными техническими условиями на отливки. Влияние интенсивности микрорыхлоты на механические свойства отливок установлены для сплавов МЛ5; МЛ5пч; МЛ9; МЛ 10; МЛ 12; МЛ15. Для оценки качества отливок из магниевых сплавов МЛ5; МЛ 12; МЛ15 применяют шкалу микрорыхлоты отливок из сплава МЛ5. Эта шкала устанавливает градацию степени микрорыхлоты по рентгеновским снимкам и зависимость предела прочности сплавов от степени микрорыхлоты и толщины. Шкала состоит из эталонных рентгенограмм трех степеней микрорыхлоты: сильной, средней и слабой.

Отливки из магниевых сплавов с редкоземельными металлами МЛ9 и МЛ 10 контролируют, применяя «Типовые эталоны рентгенограмм отливок из сплавов МЛ9 и МЛ 10". Они представляют собой альбом рентгенограмм, полученных при просвечивании фрагментов деталей из этих сплавов с дефектами типа: микрорыхлота; локальные области, заполненные эвтектикой; разновидности структурной неоднородности;

линии течения сплава; включения окисных плен, шлака и циркония. Допустимость перечисленных дефектов оговорена в пояснительной записке, приложенной к альбому рентгенограмм. Для дефектоскопистов-рентгенологов применение шкал микрорыхлоты при расшифровке рентгеновских снимков аналогично применению шкал пористости для алюминиевых сплавов: разбраковку проводят по результатам визуального сравнения рентгеновского снимка контролируемой отливки с эталонными снимками шкалы.

Высокопрочный коррозионностойкий магниевый сплав МЛ20-1, разработанный металловедами ВИАМ, занимает особое место среди магниевых сплавов. При оценке качества отливок из сплава МЛ20-1 ни одна из перечисленных шкал, разработанных ранее, не дает объективных результатов, но так же как и у других магниевых сплавов наличие микрорыхлоты в его отливках снижает его механические свойства. Разработка рентгеновской шкалы микрорыхлоты магниевого сплаваМЛ20-1 необходима для объективной оценки качества отливок по рентгеновским снимкам.

Литейный магниевый сплав МЛ20-1 разработан на основе системы магний - алюминий - цинк - марганец - неодим. При разработке шкалы было проведено исследование механических свойств сплава в зависимости от толщины сечения отливки и степени микрорыхлоты.

Для исследования влияния степени микрорыхлоты на механические свойства сплава были отлиты плиты размером 250x100 мм толщиной 10; 15; 25; 35 мм. Получение в плитах микрорыхлоты различной степени достигалось многократным изменением размеров стояка, выпара, температуры заливки. Сплав готовили с использованием предварительного сплава МЛ8цч, цинка, лигатур магний - неодим, магний - цирконий, алюминий - титан.

В отдельных плавках использовали возврат сплава МЛ20-1 в количестве 20 - 40%. Химический состав сплава контролировали по содержанию основных компонентов и примесей. Отлитые плиты после обрезки литников термически обрабатывали при температуре 395±5°С в течение 18 часов с последующим охлаждением на воздухе (режим Т4). Для контроля качества приготовления и термической обработки сплава плиты обрабатывали в одной садке с отдельно отлитыми образцами. Перед рентгеновским просвечиванием для удаления поверхностных дефектов плиты фрезеровали с двух сторон: плиты толщиной 10 мм до 8 мм; плиты толщиной 15 мм до 10 мм; плиты толщиной 25 мм до 20мм; плиты толщиной 35 мм до 30 мм.

Механические свойства определяли для зон отливок без микрорыхлоты и для зон отливок с микрорыхлотой различной степени.

Образцы вырезали с учетом получения минимальных механических свойств, т.е. поперек расположения слоев микрорыхлот. При испытании механических свойств определяли предел прочности, предел текучести и относительное удлинение.

Для каждой толщины плит получали рентгеновские снимки, которые, в зависимости от механических свойств, разделили на 4 вида:

1 вид - рентгенограммы плит, не содержащих микрорыхлоту;

2 вид - рентгенограммы плит с микрорыхлотой слабой степени;

3 вид - рентгенограммы плит с микрорыхлотой средней степени;

4 вид - рентгенограммы плит с микрорыхлотой сильной степени.

Для получения контрольных рентгенограмм использовали части

неисследуемых плит с соответствующей вырезаемым образцам степенью микрорыхлоты. Рентгенограммы шкалы михрорыхлоты выполняли при одновременном просвечивании на одну пленку частей плит (контрольных образцов) одинаковой толщины: без микрорыхлоты и с микрорыхлотой разной степени. При проведении рентгенографических исследований в качестве источника излучения использовали рентгеновские аппараты: РАП-150/300 с трубками 0,ЗБПВб-150 и 1БПВ15-100 и РУМ-7 (РУТ-60-20). Рентгеновские снимки были выполнены на радиографической пленке типов РТ-К и РТ-4М при фокусном расстоянии 750 мм. Рентгенограммы фотометрировали на денситометре ДП-1. Определение степени микрорыхлоты отливок проводили путем сравнения их рентгенограмм с контрольными рентгеновски?.™ снимками для соответствующих толщин плит. Параметрами визуального сравнения был рисунок и оптическая плотность снимка (показания денситометра). Для определения микроструктуры сплава приготовили шлифы из образцов, которые участвовали в механических испытаниях.

Механические свойства определяли по показателям пределов текучести сто.2 [кгс/мм2]; предела прочности ств [кгс/мм2]; относительному удлинепию 5, %.

Средние механические свойства - отдельно отлитых образцов сплава МЛ20-1 Т4 19-ти плавок: сгв= 24,3 кгс/мм2; 9 кгс/мм2;

8 =8,3% (средние свойства 71 образца). Минимальные механические свойства:

ов= 22,2 кгс/мм2; аод= 8,1 кгс/мм2; 5 = 10,8%.

Наиболее сильно микрорыхлота снижает относительное удлинение, значительно снижает предел прочности и в меньшей степени снижает предел текучести.

С увеличением степени микрорыхлоты наблюдается снижение механических свойств. Для установленных контрольных образцов, рентгенограммы которых имеют изображение микрорыхлоты слабой степени, предел прочности составляет 82 - 88% средней величины; для контрольных образцов с микрорыхлотой средней степени предел

прочности составляет 51 - 56,7% средней величины о г предела прочности образцов, не имеющих микрорыхлоту. Удлинение снижается, соответственно, до величин 66 - 85%, 40 - 49%, 26 - 41% от средней величины удлинения образцов, не имеющих микрорыхлоту. Предел текучести снижается, соответственно, до 84 -99,5%, 77 - 96%, 26 - 41% от средней величины предела текучести образцов, не имеющих микрорыхлоту. Сплав МЛ20-1 чувствителен к толщине сечения. С увеличением толщины плиты механические свойства вырезанных образцов без микрорыхлоты и с микрорыхлотой снижаются. Следует отметить, что у отливок с одинаковыми механическими свойствами и микрорыхлотой одной и той же степени рентгенографические изображения не всегда выглядят одинаково. На рентгеновском снимке микрорыхлота может быть равномерной (в виде области с монотонной повышенной оптической плотностью), либо в виде штриховых или размытых штриховых участков с повышенной оптической плотностью, так называемые "слоистые" или "хлопьевидные" разновидности микрорыхлоты. Однако, при исследовании микроструктуры не обнаружено никаких различий на шлифах образцов, рентгеновские снимки которых изображают микрорыхлоту разного характера. Во всех случаях несплошности располагались по границам зерен твердого раствора или по границам зерен совместно с остатками фазы М^пА^ (последнее - для плит толщиной 35 мм).

Рентгеновская шкала микрорыхлоты состоит из четырех групп эталонных рентгенограмм. К первой группе относятся рентгеновские снимки, используемые при расшифровке отливок и деталей, толщина которых не более 10 мм. Вторая группа эталонных снимков распространяется на отливки толщиной 10 - 20 мм; третья - на отливки, толщина которых находится в диапазоне 20 - 30 мм; четвертая -распространяется на отливки и детали, толщина которых не выходит из границ 30 - 40 мм.

В каждой группе представлены по 4 эталонных рентгенограммы:

1 рентгенограмма отливки, не содержащая микрорыхлоту

2 рентгенограммы отливок с микрорыхлотой слабой степени;

3 рентгенограммы отливок с микрорыхлотой средней степени;

4 рентгенограммы отливок с микрорыхлотой сильной степени.

Слабая, средняя и сильная степень микрорыхлоты представлены

одной или несколькими рентгенограммами (микрорыхлота на снимках имеет разный характер). Механические свойства отливок с разным характером микрорыхлоты, но одинаковой степенью практически одинаковы.

Общий объем шкалы состоит из 29 эталонных рентгеновских снимков. Шкала содержит информацию о режимах просвечивания эталонных образцов.

Глава 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ

РЕЗУЛЬТАТОВ РАИАЦИОННОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ НЕМЕТАЛЛОВ И ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ПКМ)

Отличительной особенностью этих материалов является малая плотность, а ПКМ обладают еще и высокой прочностью, теплостойкостью и низкой теплопроводностью. Вместе с тем для этих материалов характерны структурные неоднородности и специфические дефекты, что требует применение в частности радиационного неразрушающего метода контроля, с целью разработки которого, а также методов оценки его результатов были проведены экспериментальные исследования характеристик ослабления рентгеновского излучения неметаллическими и композиционными материалами. В частности были экспериментально определены линейные коэффициенты ослабления рентгеновского излучения неметаллами и ПКМ и, для сравнения, сплавами на основе бериллия.

В связи с существующими различиями в поглощении рентгеновского излучения различными неметаллическими и композиционными материалами были изготовлены специальные дефекгометры из того же материала, что и контролируемый объект - набор пластин различной толщины с тремя отверстиями: диаметрами, равными толщине, двум и четырем толщинам пластины. Мерой абсолютной чувствительности контроля служит наименьшая толщина пластины, па которой выявляются отверстия диаметром, равным удвоенной толщине дефектометра. В тех случаях, когда изготовление дефекгометров из неметаллических материалах затруднительно, в качестве материалов дефекгометров могут быть выбраны:

- при контроле резины - сплавы на основе магния;

- при контроле стекло- и углепластиков - сплавы на основе алюминия;

- при контроле керамики - сплавы на основе титана;

- при контроле легких теплозащитных материалов - сплавы на основе бериллия.

Эквивалентную толщину материала дефектометра определяли по соотношению:

^ деф = <1 мат И ют / Цдеф

й Деф и (1 мет - толщина дефектометра и контролируемого материала,

соответственно. и № и - линейные коэффициенты ослабления рентгеновского

излучения материалом дефектометра и контролируемым материалом, соответственно.

По результатам проведенных исследований была разработана технология (методика, схемы и режимы) радиографического контроля

неметаллических и композиционных материалов. Оптимальные схемы радиационного неразрушающего контроля полуфабрикатов и деталей из ПКМ выбирали, исходя из просвечивания их по минимальной толщине материала.

Напряжение на рентгеновской трубке выбирали таким, чтобы толщина контролируемого материала й не превышала пяти слоев половинного ослабления Дш:

с!< 5 Аш,

поскольку Лщ = 0,693 р,

где |1 - линейный коэффициент ослабления излучения контролируемым материалом, можно получить следующее уравнение для выбора напряжения на рентгеновской трубке:

м- > з,5 / а

Экспериментально были получены значения линейных коэффициентов ослабления рентгеновского излучения.

Физико-технические основы радиационного неразрушающего контроля композиционного материала «углерод-углерод»

Неметаллический композиционный материал типа "углерод-углерод" используют для устройств теплозащиты. Его теплозащитные свойства тем выше, чем выше его плотность р [г/см3]. По космическим условиям эксплуатации его плотность должна быть в пределах 1,7~2,0[г/см3]. Плотность ниже 1,7 г/см3 не соответствует требования необходимой теплозащиты; более высокая плотность (>2,0 г/см3) значительно утяжеляег конструкцию, что недопустимо для летательных аппаратов. Определение плотности материала в объеме всей конструкции дает информацию о ее средней величине и не исключает вероятности присутствия в ней участков с недопустимой плотностью, выше и ниже предельных значений.

Композиционный материал "углерод-углерод" имеет сложную структуру и фазовый состав. Нити кристаллического углерода в виде сплетенной корзины образуют каркас конструкции, который при высокой температуре обогащается связующим - аморфным углеродом и затем, при технологической операции боросилицирование, в материал попадают карбид кремния 81С и кремний 51. Материал имеет пористую структуру. Результаты металлографического стереометрического исследования объемного и весового составляющих материала с плотностью р = 1,6 г/см3 показали, что углерод в нем послойно меняется от 80 до 48% , карбид кремния - от 6,4 до 36% , поры - от 2. до 18%. Таким образом, в интервале средних объемных плотностей композиционный материал "углерод-углерод" - это группа материалов с переменным химическим составом.

Задача радиографического контроля определить зоны недопропитки и перепропитки на стадии боросилицирования. Зоны распределены в

объеме конструкции и на рентгеновском снимке выглядят неконтрастными темными или светлыми относительно фона областями. Мощность экспозиционной дозы (МЭД) излучения слоем вещества массой ослабляется по закону:

Рт = Р0 ехр(- ц/ р ш) Рт и Ро - МЭД в отсутствии поглотителя и за поглотителем массой

соответственно; т = р х - масса поглотителя на пути х, ц/р - массовый коэффициент ослабления излучения.

У материала "углерод-углерод", неоднородного по своему составу, имеющего неравномерное распределение карбида кремния, углерода и пор в объеме конструкции, массовый коэффициент ослабления не является постоянной величиной, его суммарное значение представляет среднее массовых коэффициентов ослабления (ц/р); компонентов, пропорционально их весовым долям:

л

(цУр) ! (ц/р),

В общем случае ослабление излучения зависит от двух переменных: толщины слоя и плотности материала при определенных содержаниях кремния, углерода и пор.

При выполнении экспериментальных исследований, была выбрана энергия излучения (режим контроля), которая дает возможность получить рентгеновские снимки с максимальным контрастом, найти критерий оценки их качества, решить задачу обнаружения неравноплотных зон и их оценить.

В разделе 5.3.2. статистически обоснован выбор эталонных образцов.

При рентгенографическом контроле изделий из однородных материалов, таких как металлы и их сплавы, используют эталоны чувствительности, выполненные из того же материала, что и исследуемый объект. Они задают изменение толщины в месте их расположения и, тем самым, формируют радиационный контраст, который, в свою очередь, создает оптический контраст на рентгеновском снимке. Материал "углерод-углерод" из-за своей хрупкости и неоднородности послойного содержания оказался непригодным для этой цели. Поэтому был использовал технологичный сплав АБМ-4 (алюминий - бериллий -магний) с плотностью р = 1,82 г/см3. Из него были изготовлены эталоны чувствительности в виде пластины с отверстиями. Для диапазона толщин материала "углерод-углерод" 6 - 25 мм выбраны анодные напряжения 4555 кВ, обеспечивающие заданный оптический контраст рентгеновских снимков. Зависимость оптической плотности от толщины материала

АБМ-4 была установлена при просвечивании ступенчатого клина 2 - 22. мм с шагом ступенек 2 мм. Зависимость оптической плотности от толщины и плотности материала была установлена при просвечивании образцов «углерод-углерод», которые вырезали из агрегата теплозащиты.

"Анизотропная" структура материала, видимая на рентгеновском снимке свойственна всем композиционным материалам, в том числе и материалу "углерод-углерод". Она выражается в регулярном чередовании участков с большей и меньшей оптической плотностью. Размер элементарного шага регулярности для материала "углерод-углерод" составляет 0,5 - 1 мм. Неравноплотаые зоны, если они содержатся в материале, на рентгеновском снимке проявляются как области с повышенной или пониженной оптической плотностью на порядок и более превышающие размер регулярной "анизотропности" материала по размеру.

Средняя плотность материала образцов, как отношение массы к объему, вычислена посредством гидростатики с точностью ±0,01 г/см3 (ОСТ48-91.12-81). Среднему значению плотности материала образца соответствует радиографическое изображение его проекции с распределенной оптической плотностью на площади, равной площади его сечения. Средняя величина оптической плотности содержит информацию о плотности материала. По характеру ее распределения по всему снимку о наличии или отсутствии неравноплотных зон можно судить по результатам визуального просмотра рентгеновских снимков при соблюдении требований, необходимых для расшифровки. Среднее значение оптической плотности складывается из результатов фотометрирования рентгеновского снимка. Используемые при этом промышленные денситометры имеют размер светочувствительного элемента 02 мм. Показания денситометра дают интегральную величину оптической плотности участка рентгенограммы, захваченного апертурой светочувствительного элемента на площади q= 7td2/4 (d - диаметр светочувствительного элемента). Среднее значение оптической плотности по всей площади рентгенограммы:

N

Sep = 1/N £ Si

i=l

S; - показания денситометра при i-м измерении,

N = Q/q - число измерений для рентгенограммы площадью Q и площади апертуры q

"Анизотропность" материала "углерод-углерод" приводит к тому, что в пределах рентгенограммы площадью Q показания денситометра при измерении оптической плотности сколь угодно близких участков рентгеновского снимка отличаются друг от друга:

Si = Si ± ASi Среднее значение оптической плотности:

N

Sep = 1/N Б ( Si ± A Si ) = S ± A S i= 1

является случайной величиной, закон распределения которой был установлен экспериментально, как описано выше, по рентгеновским снимкам образцов, не содержащих неравногаютных зон, с максимальными, минимальными и средними плотностями материала образцов.

Свойства материала "углерод-углерод", как изложено выше, таковы, что, хотя и существует корреляционная зависимость между оптической плотностью его рентгенографического изображения и интегральной плотностью самого материала, но она настолько неоднозначна, что в общем случае задача определения плотности материала по результатам фотометрирования рентгеновских снимков не решается. В работе рассмотрен лишь частный случай количественной оценки плотности материала объекта контроля в узком интервале плотностей по значениям оптической плотности рентгеновского снимка, который заключается в определении: попадет или не попадет плотность материала объекта контроля в этот интервал .

Если речь идет о количественной оценке плотности материала, то необходимо сказать с какой точностью она дана. В данном случае количественная оценка плотности материала объекта контроля по данным оптической плотности его радиографического изображения осуществлялась посредством сравнения ее с данными оптической плотности рентгенографических изображений эталонных образцов, выполненных из того же материала с граничными (высоким и низким) значениями плотности рв ; рп [г/см3] Поскольку оптические плотности рентгеновских снимков и объекта контроля и эталонных образцов - случайные величины, ответить на этот вопрос можно, прибегая к методам математической статистики, с помощью которой необходимо:

- задать закон распределения случайной величины S0K - оптической плотности рентгенографического изображения объекта контроля;

- задать закон распределения случайных величин S„ ; S„ - оптических плотностей рентгенографических изображений эталонных образцов с граничными значениями плотности р„ и рн , соответственно;

- определить величину статистической погрешности, с которой проводят оценку плотности материала.

Эти задачи были решены на выборке исходным материалом которой было 162 образца материала «углерод-углерод» и 84 фрагментов агрегата теплозащиты; объем выборки рентгеновских снимков составил 845 шт.

Значения оптической плотности получали при 100%-м

сканировании рентгенограммы, т.е. было сделано для каждого снимка N=0/4 - измерений. Было установлено, что в пределах одного снимка разброс для образца с плотностью рок (в пределах р„ < рок < рв), несодержащего неравноплотные^ зоны составляет не более 5%. Для определения среднего значения Б крайне неудобно полное сканирование рентгеновских снимков, поэтому был поставлен вопрос; сколько измерений необходимо сделать (п из общего числа N3, чтобы получить представительную выборку среднего значения оптической плотности, и в каких пределах необходимо сузить интервал допустимых средних значений оптической плотности снимка контролируемого объекта по отношению к средним значениям оптической плотности изображения эталонных образцов с нижним и верхним значениями плотности материала.

В результате анализа рентгеновских снимков, изображающих образцы из материала «углерод-углерод» и рентгеновских снимков фрагментов агрегата теплозащиты, не содержащих неравнонлотные зоны, установлено, что средние значения оптической плотности снимков, которые соответствуют средним значениям плотности материала, и могут колебаться в широких пределах, дисперсия (среднеквадратическое отклонение от среднего) оптической плотности одинакова для всех средних и составляет с = 0,105. Предположение о нормальном (гауссовом) распределении оптической плотности в пределах одного снимка в результате обработки гистограмм, построенных по экспериментальным результатам, было подтверждено критерием согласия Пирсона.

Закон распределения оптической плотности рентгеновских снимков образцов материала с верхним и нижнем значением плотности материала в предположении гауссова закона аналитически принимает вид: Для образца с верхним значением плотности материала рв = 2,18 г/см3:

/в (S) = 1 / V 2яс exp {-(S - Stf/te2} для образца с нижним значением плотности материала р н = 1,77 г/см3

/„ (S) = 1 / Jlnc exp {-(S - S„f/la1}

Для образца с промежуточным значение плотности рок = 1,85 г/см3

,з

S - оптическим плотность в пределах каждого рентгеновского снимка, SB, н, ok - средние значения оптической плотности (в пределах одной рентгенограммы для образцов с минимальной, максимальной границами плотности и образца с промежуточным значением плотности, соответственно); На основании свойств распределения нормальной случайной величины смысл параметров S„; S,.; S0K; <7 аналитически выражен следующим образом:

S в( н, ок) — J S / в( н, ок) (S) dS^MBt и, ох) (S) М„(Я ок) (S) - математическое ожидание случайной величины S,

о2 = | [ S - SB(H,0K) ]/„(„,0K)(S)dS= D(S) D(S) - дисперсия нормальной случайной величины

Вероятности попадания S в любой промежуток, ограниченный некоторыми значениями a i и а2 (для образца с верхним значением плотности материала ); Pi и р2 (для образца с нижним значением плотности материала ); у¡ и у2 (для образца с промежуточным значением плотности материала ), соответственно, определена соотношениями:

Р ( ai < S < a2) = 1 / л£га2 í ехр {-( S - S}dS

Р(р,< S < р2) = 1 /J ехр {-( S - S„)2/2g2}dS

Р (у, < S < y2) = 1 / ! exp {-( S - Sok)2/2(72 }dS Преобразова1ше этих выражений с использованием интеграла Лапласа

Ф(Б) = 1 / V2:c Jexp(-12 /2) dt приводит к следующему:

ot] - SB 0.2 - SB Р (a 1 < S < a2) = Ф (-) -Ф(-)

СТ СУ

р, - S„ р2 - SH

Р (Pi — S < р2) = Ф(-) -Ф(-)

ст a

Ti - Sos 72 - Sox

P (y¡ < S < у2) = ф(-) -ф(-)

В данном случае нас интересуют интервалы а ¡- а^, Pi - рг, и У] - у2, являющиеся разбросом оптической плотности рентгеновских снимков из-за "анизотропной" структура материала "углерод-углерод", величина разброса оптической плотности: е = ст t. В качестве величины s - отклонения от математического ожидания величин S„, S„, S0K обычно берут число, кратное ст: s = о, е = 2а , е = Зо. Используя правило «трех сигм», имеем следующие значения вероятности: Р(| s- SB(H,0K)|< а) = 2Ф(1) = 0,683

Р(| s - SB(X0K) I < 2 с) = 2Ф(2) = 0,954

Р(| S - S^^l < 3 от) = 2Ф(3) = 0,997 Задаваясь любым значением вероятности Р и любым значением отклонений е, имеем: _

_ Р[| Se(h,ok)n- Sb(h,ok)|< е ] = 2Ф(е/ cB(Hi0К))

ок)п - среднее значение оптической плотности, полученное по результатам n-го количества измерений;

SB(h, о*) - истинное среднее значение оптической плотности, соответствующее ее закону распределения

Для вероятности Р=95% [Ф(2)] (s Vn ) / о =2, отсюда найдем:

п = 4о2/е2, для е = 0,10 получим п= 4,4-5 и т.д.

Если объект контроля содержит неравноплотные зоны, то закон распределения его оптической плотности неизвестен, следовательно, неизвестны его параметры (среднее значение и дисперсия). В этом случае задача оценки неравноплотных зон сводится к определению неизвестного среднего и неизвестной дисперсии методом параметрического сравнения.

В этом случае, используя неравенство и теорему Чебышева, были построены доверительные интервалы среднего значения {Si }. Анализ рентгеновских снимков показал, что интервалы довольны широкие. Для их сужения был использован закон больших чисел следующим образом:

ок

8ок=1/п{81 + 82 + 8З+ .......+ ЭП},

Результат каждого ¡-го измерения составляет совокупность случайный величины {Б}. Каждая Siраспределена так же как все {5}0£ и ее среднее и дисперсия такие же как у всех {8}ок • Поскольку все измерения проводятся независимо одно от другого, то они все формируют среднее значение как величину тоже случайную. Для каждой серии измерений получено:

Бок , == 1/п { Б, + Бг + Б 3+ .......+ 8п}ок1

5оК г =1/п{Б,+82 + 8З+ .......+ Б „ } ок2

80КП=1/п{51 + 82 + 8З+ .......+ 8„}окп

Как распределена случайная величина { 55 <ж }„ сказать нельзя, если не знать распределение величины {5}ок. Но в силу свойств математического ожидания справедливо равенство:

п

М( SOK п) = M [ l/n(Si+S2 + S3+ .......+ Sn)] - 1/nEMSi = S0K

i - 1

Таким образом, математическое ожидание M (S0K „) совпадает со последним значениями { S}DK, это означает все значения S окп с одинаковой частотой располагаются справа и слева от So*. Выбор наугад этих значений, избавляет от систематической ошибки и дает возможность получить так называемую в математической статистике несмещенную оценку. В силу свойств дисперсий:

n

D( S,,, n) = D[ l/n(SI + S2 + S3+ .......+ Sn)]OT = 1/n2 E D{ S;} =

i«i

l/n2-(n a2) = a2 /n С ростом числа измерений a рассеяние S ж п убывает и все значения {Si} все более плотно группируются около действительного среднего S0K. Полученное значение дисперсии D ( S 0Е „) в неравенстве Чебышева дает соотношение:

Р(| S0Kn - S0K| < s ) > 1 - a2 / е2 п Оценка SOT называемая в математической статистике

состоятельностью,

говорит о том, что для любого уровня г > 0 можно указать объем выборки п, при котором вероятность отклонения S окп от S ок может быть практически равна 1. Объем выборки:

для вероятности Р = 0,95 Р = 1 - а2 / с2 п = 0,95 , отсюда п = 21; для вероятности Р = 0,997 п = 110.

На основании полученных дагшьгх была проведена экспериментальная проверка пригодности эталоппых образцов,

которые были аттестованы как стандартные образцы предприятия (СОП), был установлен порядок их применения.

Глава 6. разработка и внедрение в производство

технологий рентгенографического контроля узлов и деталей аэрокосмической техники из сплавов, неметаллических и композиционных материалов

Технологии контроля литых охлаждаемых лопаток

турбины двигателя.

Рентгенографический контроль литых охлаждаемых лопаток из жаропрочных сплавов, согласно разработанной технологии определен: общими требованиями, предъявляемыми к контролю; областью применения источников излучения; содержанием инструкций и карт контроля; средствами для проведения просвечивания лопаток оптимальным образом и для оценки результатов контроля;

последовательностью технологических операций.

При проведении рентгенографического контроля определены требования к конструкциям приспособлений, масок и компенсаторов.

Наряду с использованием стандартных проволочных эталонов чувствительности регламентирован контрольный образец (КО), представляющий собой типовой образец лопатки заданной конструкции. В его критических зонах, т.е. в зонах, отличающихся трудной выявляемостью дефектов (входная и выходная кромки, галтели и т.п.) и в зонах, отличающих экстремальными условиями при эксплуатации размещают отверстия, размеры и глубина которых определены технологом, конструктором и заказчиком. В разработанной технологии предусмотрен контроль литых охлаждаемых лопаток на всех стадиях ее производства.

Во-первых, рентгеновский контроль восковых моделей и керамических стержней регламентирован по энергии и источникам излучения.

Во-вторых, литые охлаждаемые лопатки проходят рентгенографический контроль с целью обнаружения остатков керамических стержней во внутренней полости лопатки. Контроль проводят с применением контрастирующего заполнителя внутренней полости. Тип применяемого в качестве заполнителя вещества зависит от конструкции и марки сплава лопатки.

В-третьих, лопатки дважды и более проходят рентгенографический контроль с целью обнаружения металлургических дефектов. В этом случае при контроле используют КО.

Изложенные положения нашли свое отражение в технологической рекомендации ТР1.2.1623-99 «Рентгенографический контроль литых охлаждаемых лопаток из жаропрочных сплавов».

Основные положения технологии рентгенографического контроля

штамповок деталей компрессора ГТД из титановых сплавов.

Разработанная технология рентгенографического контроля штамповок из титановых сплавов определяет режимы, схемы, средства контроля. Особенность контроля заключается в том, что обычно деформированные объекты не подлежат контролю рентгеновским методом. В данном случае контроль проводят с целью обнаружения более плотных, чем материал контролируемых деталей включений карбида вольфрама, которые даже в деформированном состоянии благодаря разнице в коэффициентах ослабления титана и вольфрама создают радиационный контраст, фиксируемый рентгеновской пленкой или другим регистратором излучения. В рассматриваемой технологии использование в качестве регистратора высококонтрастной мелкозернистой рентгеновской пленки обусловлено тем, что минимальный размер обнаруживаемого, даже «контрастного» по своей природе дефекта, зависит от ЧКХ системы контроля, которая, в свою очередь, зависит от ЧКХ рентгеновской пленки (см. 2.1; 3.2). Размер минимального обнаруживаемого включения на снимке зависит от разрешающей способности рентгеновской пленки. Второй особенностью рентгенографического контроля штамповок деталей компрессора ГТД из титановых сплавов является использование рабочих стандартных образцов РСО-НК.012-91, позволяющих оценить размеры включений карбида вольфрама, видимых на рентгеновском снимке. Основные положения разработанной технологии изложены в действующей в отрасли технологической рекомендации ТР1.2.574-85 «Рентгеновский контроль штамповок заготовок лопаток, валов, дисков и других деталей ГТД из титановых сплавов».

Технология рентгенографического контроля отливок из

алюминиевых и магниевых сплавов

Технологическая особенность рентгенографического контроля литых деталей из алюминиевых и магниевых сплавов состоит в том, что дефекгоскопист при расшифровке рентгеновских снимков использует эталонные рентгенограммы шкал пористости и микрорыхлоты. В действующей поныне производственной инструкции ПИ1.2.226-83 «Рентгеновский контроль литых деталей» даны общие разъяснения об использовании рентгеновских шкал пористости для алюминиевых сплавов и микрорыхлоты для магниевых сплавов. С того времени был создан целый ряд сплавов на основе алюминия и магния, обладающих специфическими свойствами. Для оценки их качества разработаны вновь и унифицированы рентгеновские шкалы пористости и микрорыхлоты. Приведенное гл.4 описание исследований составляет лишь часть работ, проводимых ВИАМ. Появилась необходимость в создании нормативного документа, регламентирующего рентгенографический контроль литых

деталей, использующих эталонные снимки. Поэтому был разработан отраслевой стандарт ОСТ1 90427-94 «Качество продукции. Неразрушающий контроль литых деталей и полуфабрикатов авиационной техники из алюминиевых и магниевых сплавов радиографическим методом. Общие требования». Стандарт распространяется па радиографический контроль фасонных отливок и алюминиевых и магниевых сплавов.

Стандарт устанавливает область применения радиографического метода контроля отливок и деталей из алюминиевых и магниевых сплавов и общие требования к организации контроля, разработке инструкций, технологической последовательности операций, оценке и оформлению результатов контроля. Метод рассчитан на применение эталонных рентгеновских шкал пористости алюминиевых сплавов и микрорыхлоты магниевых сплавов. Стандарт является руководящим документом для предприятий отрасли, производство которых связано с литьем из алюминиевых и магниевых сплавов.

Технология контроля изделий из неметаллического композиционного материала «углерод-углерод»

Для удобства и оперативности разбраковки деталей по неравноплотности, изготавливаемых в условиях производства, были разработаны стандартные образцы предприятия (СОП) для определения плотности материала «углерод-углерод». В соответствии с требованиями ГОСТ 3 315-78 «Государственная система обеспечения единства измерений. Стандартные образцы. Основные положения» изготовленные образцы прошли метрологическую аттестацию с оформлением Свидетельств.

Стандартные образцы вырезали из участков, которые согласно рентгеновским снимкам имели однородную плотность. Размеры образцов в плоскости, перпендикулярной излучению, 50 х 50 мм или 45 х 45 мм. Толщина образцов равна толщине объектов контроля. Определение плотности стандартных образцов проводили как геометрическим, так и гидростатическим способами. Для контроля агрегата было изготовлено 11 образцов с пониженной (1,65 - 1,75 г/см3) и повышенной (1,90 - 2,00 г/см3) плотностью на зоны контроля с толщиной 8, 14, 16, 19-20 мм. Одновременно с вырезкой стандартных образцов вырезали образцы для механических испытаний. Результаты механических испытаний сопоставляли с данными рентгеновского контроля. Стандартные образцы при разбраковке деталей по неравноплотности при просвечивании устанавливают рядом с ребрами и краевыми участками теплозащиты: на ребрах два образца с пониженной и повышенной плотностью материала той же толщины, что и контролируемая зона. Разбраковка деталей по неравноплотности проводят путем визуального сравнения оптической плотности рентгеновских изображений объекта контроля и образцов. В

том случае, если на контролируемом участке имеются зоны, близкие по оптической плотности их рентгеновских изображений к оптической плотности рентгеновских снимков их стандартных образцов, и поэтому трудноразличимых визуально, прибегают к измерению оптической плотности снимков посредством денситометра. Годными считаются детали, в которых нет зон неравноплотности, превышающих по размерам величины, указанные в ТУ, и у которых оптическая плотность их рентгеновских снимков лежит в пределах между значениями оптической плотности рентгенограмм СОП с верхним и нижним значениями плотности материала.

Технология радиационного неразрушающего контроля винтовентиляторных лопастей с металлическим и стеютопластикоБым лонжеронами

Для самолетов гражданской авиации разработаны турбовинтовые двигатели, снабженные винтовентиляторными лопастями. Расчеты специалистов показали, что такие двигатели на 25% экономичнее реактивных. На каждый турбовинтовой двигатель устанавливают от восьми до десяти лопастей сложной конфигурации, изготовленных из полимерных композиционных материалов. Ответственное назначение лопастей требует создание новых материалов и технологии их изготовления, а также эффективных методов неразрушающего контроля.

Согласно техническим требованиям к дефектоскопии лопастей, и исходя из двух вариантов конструкции, рассмотрим следующие лопаста и характерные для них дефекты, подлежащие выявлению:

1. целыюпластиковый вариант лопасти: лонжерон стеклопластиковый сложной аэродинамической формы, толщина стеклопластиковых стенок по длине лонжерона — от 25 до 1 мм ; дефекты - складки арматуры, волнистости наполнителя, пористость стеклопластика, внутренние и наружные трещины в пластике, расслоения;

2. лопасть с металлическим лонжероном: лонжерон полый алюминиевый сложной формы; толщина стенок от 30 до 1 мм; дефекты: макротрещины на внешней и внутренней полостях, разнотолщипность; лонжерон алюминиевый, заполненный пенопластом сложной формы; дефекты: непроклей резинового (эластомерного) покрытия с лонжероном, разнотолщинность слоя резины (эластомера), непроклей пенопластового наполнителя с лонжероном, раковины в пенопласте;

3. детали, сборные единицы (общие для двух вариантов лопасти): оболочка лопасти стеклопластиковая толщиной около 2 мм; дефекты: складки, расслоения, непроклей оболочки с лонжероном; полиуретановая накладка, защитная, дефекты: непроклей накладки к лопасти; нагреватели лопает, дефекты: непроклей нагревателя с лопастью, замыкание, разрыв проволоки нагревателя.

Обилие деталей, материалов и большая разновидность возможных дефектов потребовали комплексного подхода к изысканию эффективных методов и средств неразрушающего контроля лопастей. Эта задача была решена в ВИАМ с привлечением рентгеновского, акустического низкочастотного вихрегокового и теплового методов. Ниже представлено описание исследований и разработки технологии в области рентгенографического контроля винтовентиляторных лопастей типов СВ-36, АВ-81 и АВ-90.

Рентгенографические исследования проводили с использованием источников рентгеновского излучения: РАП-150/300 (излучатели: 0,ЗБПВб-150, 1БПВ15-100), РАП160-10Н и РУМ-7, в качестве регистратора использовали радиографическую пленку РТ-5. Экспериментально были установлены оптимальные режимы контроля. Критерием для выбора анодного напряжения являлась чувствительность, определяемая по алюминиевому эталону чувствительности для алюминиевого лонжерона и специально изготовленному ступенчатому клину с отверстиями для стеклопластикового лонжерона.

Разработанная технология рентгенографического контроля винтовентиляторных лопастей нашла отражение в технологической рекомендации ТР1.2.413-86 «Неразрушаю щий контроль винтовениляторных лопастей из полимерных композиционных материалов с металлическим и стеююпластиковым лонжеронами» и производственной инструкции ПИ1.2.404-88 «Рентгеновский контроль неметаллических и композиционных материалов».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Исследованы виды дефектов, возникающих в производстве изделий авиационной техники и проведена классификация возможных сочетаний физических параметров дефектов и материалов изделий, их содержащих, что позволило найти эффективные пути к созданию оптимальных технологий радиационного неразрушающего контроля, обеспечивающих повышение качества материалов и надежности изделий из них.

2. Разработаны теоретические положения оценки эффективности системы радиационного контроля посредством гармонического анализа элементов системы, радиационного и оптического изображений на ее выходе. Получено пригодное для инженерных расчетов аналитическое выражение оптических изображений дефектов литья в виде мгновенного спектра пространственных частот на фоне текущего пространственного спектра оптического изображения бездефектных участков объекта контроля. Это позволило расчепшм путем оценить потери воспроизводимого оптического изображения. В диапазоне малых толщин

объекта контроля (менее 5 мм) такой расчет исключает применение эталонов чувствительности или индикаторов качества изображения.

3. Разработана математическая модель формирования и преобразования радиационного изображения объектов сложной формы с двухсторонней кривизной поверхности и дано теоретическое обоснование числа экспозиций при радиационном контроле таких объектов. Проведен теоретический расчет максимальных размеров эталонов чувствительности, используемых при контроле объектов с криволинейной поверхностью, и установлены предельные размеры элементов эталонов чувствительности в зависимости от радиуса кривизны поверхности, при котором их применение целесообразно. Получено экспериментальное подтверждение теоретических исследований чувствительности контроля и выявляемости дефектов. Разработан контрольный образец для оценки качества радиографического изображения литых охлаждаемых лопаток ГТД и технология контроля, регламентирующая его применение (ТР1.2..1623-99).

4. Разработана методика для оценки размеров тугоплавких включений, видимых на рентгеновском снимке, по изображению рабочих стандартных образцов РСО-НК 012 -91. Это позволило оценить величину карбида вольфрама в штамповках лопаток компрессора ГТД. Разработана технология радиографического контроля элементов компрессора ГТД, нашедшая отражение в ТР1.2.574-85.

5. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден метод оценки пористости алюминиевых сплавах и микрорыхлоты в магниевых сплавах. Установлены корреляционные зависимости между рентгенографическими изображениями отливок из алюминиевого сплава с содержанием пористости или мапшевого сплава с содержанием микрорыхлоты и их прочностными свойствами, определяющими балл пористости или степень микрорыхлоты соответственно Созданы рентгеновские шкалы микрорыхлоты магниевого сплава МЛ20-1 и пористости алюминиевого сплава АЛ9-1, унифицированная на сплавы группы "силумин". Разработана технология радиографического контроля отливок из алюминиевых и магниевых сплавов, регламентирующая использование рентгеноских шкал пористости и микрорыхлоты (ОСТ1 90427-94).

6. Исследованы основные закономерности ослабления рентгеновского излучения неметаллическими и композиционными материалами и составлен перечень основных дефектов в неметаллах и КМ, подлежащих обнаружению рентгенографическим методом. Разработаны методы оценки результатов рентгенографического неразрушающего контроля неметаллических и композиционных материалов посредством дефектометров, выполненных из технологичных материалов с коэффициентами ослабления, близкими к исследуемым.

Найдено конструктивное решение дефектометров, изготовленных из разных материалов, обеспечивающих определение чувствительности и разрешающей способности. Разработана технология

рентгенографического контроля неметаллических и композиционных материалов (ПИ1.2.404-88).

7. Разработаны физико-технические основы применения рентгенографического метода для контроля композиционного материала "углерод-углерод":

установлена корреляционная зависимость между оптической плотностью снимка и массовой толщиной материала;

выбрана в качестве информативного параметра для оценки неравноплотных зон материала оптическая плотность рентгеновского снимка;

построены графики экспозиций и определены оптимальные режимы контроля.

Разработаны стандартные образцы (СОП) для оценки неравноплотных зон материала типа "углерод-углерод". Проведен статистический анализ и заданы:

- закон распределения оптической плотности рентгеновских снимков при наличии неравноплотных зон материала;

- закон распределения оптической плотности рентгеновских снимков в отсутствии неравноплотных зон материала.

8. Разработана и внедрена в производство технология рентгенографического неразрушающсго контроля винтовентиляторных лопастей с металлическим и стеююпластиковым лонжероном, включающая:

- схему разметки лонжерона на участки просвечивания;

- оптимальные режимы контроля лопастей.

- определение чувствительности контроля по специально разработанным дефекгометрам.

- определение наиболее опасных участков расположения дефектов в стеклопластиковых лонжеронах и лопастях;

- уточнение видов дефектов и определение чувствительности их обнаружения.

Применение полученных данных позволило повысить чувствительность рентгенографического контроля и, тем самым, вероятность обнаружения дефектов в наиболее опасных зонах лонжеронов и лопастей; (ТР1.2. 41386).

Список основных работ автора, опубликованных по теме диссертации

1. ГолъцевВ.А., Косарина Е.И., Частотный анализ радиографических изображений при контроле литых деталей. Доклад на XI Всесоюз. конф. Неразрушающие фнзич методы и средства контроля М.: 1986, с 87-89

2. Косарина Е.И. Оптимизация параметров радиографического контроля с целью повышения надежности жаропрочных сплавов. Диссерт. на соискание ученой степени к.т.н., М., ВИАМ 1987, 147 с.

3. Астапчик П.П., Косарина Е.И., Покровский A.B. Радиационный контроль деталей с осью симметрии. Сб-к ВИАМ Неразрушающие методы контроля, М., ВИАМ вып. 5,1986, с. 19-24.

4. Косарина Е.И., Бухалина В.Ф. Измерение частотно-контрастных характеристик рентгеновских пленок при разных энергиях. Сб-к докладов на конф. Новые разработки в геоисследованиях. М: Аэрогеология, 1990. с 31-32

5. Косарина Е.И., Бухалина В.Ф. Рентгеновские пленки Agfa и Kodak в радиографии изделий из жаропрочных сплавов Сб-к Современные средства воспроизведения изобразительной информации, Казань, Тасма, 1992, с 36-38.

6. Косарина Е.И. Разработка математических моделей формирования и преобразования радиационных изображений литых охлаждаемых лопаток из жаропрочных сплавов. Подгот к печ. В сб. Авиационные материалы, 2000, 15 с.

7. Косарина Е.И., Денель А.К. Радиографический контроль лигах охлаждаемых лопаток турбины ГТД. Подгот к публ. В сб-к Авиационные материалы, М. ВИАМ, 2000, 12 с.

8. Морозов Г.А., Косарина Е.И. Контроль элементов внутренней полости литых охлаждаемых лопаток из жаропрочных сплавов методом рентгеновской вычислительной томографии. В сб.- к Авиационные материалы, М. ВИАМ, 2000,16 с.

9. Гольцев В.А., Косарина Е.И. Вероятность выявления реальных дефектов при рентгеновском контроле. Сб-к ВИАМ Неразрушающие методы контроля, М., ВИАМ, 1983, вып.1, с. 41-45.

10. Ермакова Т.Н., Косарина Е.И. Выбор режима с помощью экспонометра при радиографическом контроле. Сб-к докладов II отраслевой н-т конф. По НМК, Куйбышев, 1975, 53-54.

11. Ермакова Т.Н., Косарина Е.И. Проверка качества рентгеновских трубок. Сб-к МДНТП Современные методы и приборы контроля качества продукции. М., 1989, с.49-51.

12. Косарина Е.И. Оптимальные режимы просвечивания при радиографическом контроле. Тезисы докл. 5- го отраслевого н-т

совещания Повышение надежности и качества авиационной техники средствами неразрушающего контроля, сент. 1986, Андропов.

13. Косарина Е.И., Гринимаер Н.В. Радиография дисков компрессора. Сб-к МДНТП Современные методы и приборы контроля качества продукции. М., 1990, с 27-31.

14. Косарина Е.И. Разработка способа объективной оценки качества рентгенографического контроля металлических и неметаллических материалов большой толщины. М., ПЩТИ ВИАМ, 1979,17 с.

15. Косарина Е.И., Гринимаер Н.В. Маркировка рентгенограмм при радиографическом контроле радиографическом контроле. Сб-к МДНТП Современные методы и приборы контроля качества продукции. М., 1990, с. 44-45

16. Косарина Е.И., Винник Г.М. К вопросу о радиографическом контроле изделий из легких сплавов малых толщин. Сб-к ВИАМ Неразрушающие методы контроля, М., ВИАМ вып. 4, 1986, с 63- 67.

17. Косарина Е.И. Возможность применения рентгеновского метода для НК композиционных материалов. XIY н-г конф. мол. спец. в сб-ке тезисов, Киев, 1977.

18. Гагин E.H., Гольцев В.А., Ермакова Т.Н., Косарина Е.И. Количественное определение неравноплотности пористых неметаллических материалов. Тезисы докладов Y отраслевой н-т конф. По НМК, Андропов, 1986.

19. Косарина Е.И. Метод статистического анализа при контроле неравноплотных зон «углерод-углеродных» матриалов. Подгот к публикац. В сб-ке Авиационные материалы. - М., ВИАМ, 2000, на 16 с.

20. Коннов В.В., Добромыслов В.А., Соснин Ф.Р. Фирстов В.Г, Косарина Е.И., Гагин E.H. Типовые методики радиационно-дефектоскопического контроля. (Россия, Германия, США).- ж-л Контроль и диагностика. - М.: изд. Машиностроение, №№ 1 -3 1999, с 31-45; с 36-43; с 29-43.

21. Маклашевский В .Я., Зайцев Л.К., Косарина Е.И. и др. Методы и средства неразрушающего контроля рентгеновский лабораторий авиаремонтных заводов, М.: вып. 4-17, ВВС, - БМ-БИ, 1998,228 с.