Ультразвуковой инфракрасный метод выявления ударных повреждений и усталоснтых трещин

Ультразвуковой инфракрасный метод выявления ударных повреждений и усталостнтых трещин в металлах и композитах

Об автрах:

Сотрудники НИИ интроскопии Томского политехнического университета:

Необходимо войти для просмотра
Вавилов Владимир Платонович
Д-р техн. наук, профессор, заведующий отделом тепловых методов контроля.
Член рабочей группы «Евротерм» по инфракрасной термографии.
III уровень по тепловому виду НК.

Необходимо войти для просмотра
Нестерук Денис Алексеевич
Старший преподаватель, к. т. н.,
III уровень по тепловому виду НК.

Необходимо войти для просмотра
Хорев Владимир Сергеевич
Аспирант, II уровень по ВИК и УЗК.


Введение

Одним из принципиальных недостатков «классического» одностороннего теплового контроля (ТК) является существенное снижение чувствительности с ростом глубины и уменьшением размеров дефектов. Это обусловлено тем фактом, что «пакет» стимулирующей тепловой энергии распространяется от нагреваемой поверхности к заглубленным дефектам, и его аномалии, вызванные присутствием дефектов, существенно сглаживаются после отражения от дефектов и «возвращения» на контролируемую поверхность. Недавно предложенный метод ультразвуковой инфракрасной (ИК) термографии в определенной степени свободен от этого недостатка, поскольку использует феномены ослабления ультразвука на структурных неоднородностях материалов [1, 2]. С использованием ультразвуковой стимуляции стало возможным контролировать металлические изделия сложной формы, что практически было исключено в случае оптического возбуждения.

Ослабление ультразвука в твердых телах связано с действием механизмов термоупругости (концентрации напряжений) и внутреннего трения (механического гистерезиса). Первый эффект пропорционален магнитуде напряжений, а второй - квадрату этой величины. С другой стороны, ослабление ультразвуковых колебаний пропорционально квадрату частоты. Поскольку упругие свойства материалов в зонах структурных неоднородностей отличаются от бездефектных зон, а также вследствие затрудненной диффузии тепла через газонаполненные дефекты, в дефектных зонах происходит повышение температуры, в то время как в бездефектных зонах температура остается практически постоянной. Таким образом обеспечивается селективное обнаружение структурных дефектов. В вязких металлах заметную термографическую индикацию обнаруживают только головки трещин, где сконцентрированы напряжения, хотя в ряде случаев отмечалось повышение температуры по всей длине трещин, причем максимальная амплитуда дифференциального сигнала имела место в усталостных трещинах шириной 5 - 10 мкм [4].

В НИИ интроскопии первые работы в данном направлении были начаты в 2009 г. применительно к ТК композитов [3]. Уже первые эксперименты выявили следующие особенности: 1) в силу эффекта трения лучше выявляются трещины с малым раскрытием; 2) температурные поля при ультразвуковой и оптической стимуляции имеют различный вид, причем более равномерное поле создается в случае оптического нагрева; 3) результаты «классического» и ультразвукового ТК дополняют друг друга. В литературе также отмечен еще ряд особенностей описываемого метода, а именно: 1) вследствие образования стоячих волн в температурном поле возникают «мертвые» (холодные) зоны, где обнаружение дефектов требует использования качающейся частоты ультразвуковых колебаний; 2) в металлах наилучшие результаты получают, используя мощные короткие ультразвуковые импульсы; кроме того, в этом случае проще обеспечивается надлежащий контакт ультразвукового излучателя с объектом контроля; 3) при длительном маломощном нагреве применяют способ синхронного детектирования тепловых волн, при котором несущую частоту ультразвуковых колебаний модулируют с частотой 0,01 - 1 Гц; 4) при использовании генераторов с частотой около 20 кГц и электрической мощностью до 1 кВт возможно проконтролировать области площадью 0,1 - 0,3 м2; расширение зоны контроля требует увеличения мощности ультразвукового излучения, что может привести к инициации дефектов и разрушению объекта контроля.

В настоящей работе описаны результаты использования метода ультразвуковой термографии при контроле углепластика, подвергнутого ударному повреждению, и стандартного образца турбинной лопатки с теплозащитным покрытием, содержавшего усталостную трещину.

Результаты эксперимента


Схема и фотография экспериментальной установки показаны на рис. 1. Непрерывную ультразвуковую стимуляцию производили с помощью магнито-стрикционного устройства разработки ООО «ТИЭМ», г. Томск (частота 22 кГц, излучаемая мощность до 250 Вт, амплитуда колебаний индентора 5 - 20 мкм), первоначально предназначенного для финишной обработки металлов. Тепловые поля регистрировали с помощью компьютерной термографической системы NEC Avio 9100 (температурная чувствительность 0,03 °С, частота цифровой записи до 60 Гц). Контакт индентора с изделием обеспечивался массой магнитострикци-онной головки без использования иммерсионного вещества.


Образец из углепластика размером 220 х 110 х 2 мм (рис. 2а) был поврежден ударным способом с помощью стального шарика с энергией удара 6 Дж, что привело к образованию четырех трещин длиной до нескольких сантиметров, распространявшихся параллельно друг другу в направлении преимущественной укладки волокон композита. Ввод ультразвука осуществляли в течение 10 с, причем вначале отмечался нагрев головки магнитостриктора и зоны ввода ультразвука, после чего проявлялись трещины с амплитудой температурного сигнала до 2 - 3 °С (рис. 26, в). Кроме того, типичным для экспериментов подобного рода было появление теплых зон в бездефектных участках, что было обусловлено структурной неоднородностью углепластика. Особенно отчетливо этот эффект проявлялся на краях изделия, где, по-видимому, имело место микрорастрескивание композита.

Следующий исследованный образец размером 100 х 30 х 12 мм (рис. 3) был выполнен из жаропрочного никелевого сплава с теплозащитным покрытием на поверхности А толщиной около 0,2 мм и в качестве имитатора усталостной трещины содержал пропил толщиной 0,15 мм. Дефект распространялся под покрытием на длину 15 мм, выходя на поверхность Б. Ультразвук вводили в торец образца на расстоянии 50 мм от дефекта, термограммы записывали как в цифровом, так и в видео форматах. Заметим, что видеосъемка не сохраняет отсчеты абсолютных температур, но обеспечивает более оперативный предварительный анализ в режиме стоп-кадра, что позволяет оптимизировать режим цифровой записи. Вид теплового поля в зоне трещины на поверхностях А и Б был существенно различным. На поверхности Б отчетливо проявлялась геометрия трещины вследствие действия эффекта полости абсолютно черного тела, что приводило к росту коэффициента излучения трещины (рис. 36), в то время как на поверхности теплозащитного покрытия в течение нескольких секунд отмечалась размытая зона повышенной температуры амплитудой до 1 - 2 °С (рис. 3в). Таким образом, генерация тепла в зоне дефекта с достаточно большим раскрытием происходила не в результате трения стенок, а вследствие термомеханического эффекта, возникающего в слое теплозащитного покрытия над дефектом. При этом на поверхности Б покрытие, которое имело повышенную температуру, «просвечивало» сквозь трещину, играющую роль абсолютно черного тела.

Заключение

ИК-термографические эффекты, обусловливающие появление дефектных отметок при ультразвуковой стимуляции трещин различного вида, могут иметь как оптическую, так и термомеханическую природу. В первом случае трещины, выходящие на поверхность металлов, могут быть видны благодаря действию эффекта абсолютно черного тела, и соответствующие дефектные отметки повторяют форму трещин. При ТК полированных (блестящих) металлов существенной помехой являются отражения теплового излучения фона, которые можно уменьшить, применяя соответствующие «черные» покрытия. Термомеханические эффекты связаны с трением (в случае трещин с малым раскрытием) и термоупругостью, что приводит к появлению теплых зон, развивающихся за счет теплопроводности и наблюдающихся в течение определенных интервалов времени, длительность которых зависит от теплопроводности материала и размеров трещин. Действие данного механизма обеспечивает обнаружение трещин в металлических изделиях под теплозащитными покрытиями. В целом, особенности ультразвукового возбуждения температурных сигналов в зависимости от типа возбуждаемых волн, частоты и геометрии облучения изучены слабо.

Литература

1. Вавилов В. П. Инфракрасная термография и неразрушающий контроль. - М.: Спектр, 2009. -544 с.

2. Zweschper Th., Dillenz A., Busse G. Ultrasound lockin thermography - an NDT method for the inspection of aerospace structures. - In: Proc. Eurotherm Seminar No. 64 «Quant. IR Thermography». - Reims (France), July 18 - 21, 2000, р. 212-217.

3. Favro L. D., Han X., Ouyang Z. et al. IR imaging of cracks excited by an ultrasonic pulse. - Proc. SPIE «Thermosense-XXII». 2000. V. 4020. P. 182-185.

4. Burke M. W., Miller W. O. Status of VibroIR at Lawrence Livermore National Laboratory. - Proc. SPIE «Thermosense-XXVI». 2004. V. 5405. P. 313321.

5. Choi M., Kang K., Lee S. et al. Fatigue crack detection by ultrasound infrared thermography. - In: 17th World NDT Conf. / Proc. - Shanghai (China), 25-28 Oct. 2008. - 6 p. Доступно в Интернет: http://www.ndt.net/article/wcndt2008/ papers/335.pdf

6. Вавилов В. П., Нестерук Д. А. Сравнительный анализ оптической и ультразвуковой стимуляции дефектов в композиционных материалах. - Дефектоскопия. 2010 (в печати).

Вавилов В.П., Нестерук Д.А., Хорев В.С. Ультразвуковой инфракрасный метод выявления ударных повреждений и усталостных трещин в металлах и композитах. − В мире НК. – Март 2010 г. − № 1 (47). − С. 56–58. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.