用于检查晶体缺陷结构的方法和系统的制作方法

专利名称：用于检查晶体缺陷结构的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及用于检查拥有晶体结构的材料的方法和系统，尤其涉及用于在具有晶体结构的材料中定位晶体缺陷的方法和系统。
背景技术：
通常地，高温合金广泛地用于在升高温度下耐高应力的应用上，例如用于燃气涡轮发动机的组件(例如刀片和叶片)中。制造方法的改进已导致单晶形式的组件铸件，导致改进的高温寿命和強度，其超过了传统制备的具有由晶粒边界分离的多个晶粒的金属材料。由于单晶高温合金组件改进的性能，经受住苛刻操作条件的能力是可预期的。然而，ー个或多个相对于单晶完整性的显著偏离严重制约了在苛刻操作条件之下工作的单晶高温合金组件的能力，且可缩短组件的使用寿命。因为沿着缺陷周围的晶体边界断裂和分·离的可能性増加了，用于涡轮刀片和叶片的铸件需要对伪晶粒和其他晶体缺陷进行精密的检查。当前的行业惯例是使用刻蚀步骤来在单晶铸件的表面暴露伪晶粒和晶体缺陷。刻蚀后，可视化检查铸件从而相对于适合于铸件想要用途的合适的验收准则来评价刻蚀表面。虽然刻蚀步骤从历史上为暴露等轴和多晶定向凝固的高温合金铸件的外部晶粒结构提供良好的晶粒对比，这些刻蚀エ艺趋向于依赖检查员，是耗时的，并且由于过多的原料损失导致尺寸不合格，尤其在内部冷却组件的相对薄的壁的情况下。如果由于晶粒的‘可读性’的不足使得整个刻蚀エ艺不得不重复进行，原料损失就非常明显。进ー步，刻蚀エ艺要遭受积垢的存在，反射率缺乏，或各种混乱或掩蔽效应(如阳极氧化彩虹色(aka发蓝))等问题，这会导致暴露、识别或定位缺陷失败，或者难以暴露、识别或定位缺陷。相应地，这就需要提供没有刻蚀的用于检查单晶高温合金铸件的方法和系统。也需要提供使用X射线衍射(XRD)来定位表面和表面下的缺陷的检查单晶高温合金铸件的方法和系统。进一歩的，结合附图以及本发明的背景技木，从本发明的后续详细描述和所附权利要求，本发明的其它期望特征和特性将显而易见。

发明内容
这里提供用于检查铸件的方法和系统。这些方法和系统可用于检查或表征任何具有晶体结构的材料的外部和内部的晶粒结构，在所述晶体结构中，满足布拉格角的几何结构可使得合适波长的X射线被衍射。这些材料包括传统的(即等轴)铸件，多晶定向凝固(即DS)铸件，单晶高温合金铸件，锻造材料(例如锻件中的双重晶粒或大晶粒，不恰当的冷作和/或热处理导致的过量晶粒生长)和结晶态的非金属材料。这些方法和系统推翻了传统射线照相检查技术中的重要的信噪比关系。即，相关X射线的吸收(与间断点的密度/厚度相比的优质金属的密度/厚度)的预期效果与被称作‘晶粒衍射’(即，斑纹(mottling))的非预期效果相比较的比率。X射线图像的斑纹作为斑点(blotch)出现，所述斑点对应于某些晶粒使得局部X射线束的本应直线路径转向(通过衍射)的位置。使得X射线束的显著部分转向的晶粒由于具有更高的密度(好像转向的束被吸收了一祥)趋向出现在膜(或图像传感器)上。如果转向的X射线碰巧叠加到优质金属的区域，那个区域或斑点(接收额外的X射线)看起来具有更低的密度，其在外表上类似于孔隙(porosity)。这种现象会导致收缩孔隙的假阳性并且需要在传统射线照相上尽力最小化XRD。换句话说，这里的方法和系统最优化否则非预期的X射线衍射效果，但是可保持铸件的传统X射线图像的某些方面来充当帮助在特定铸件上定位晶体缺陷的參考。在ー些实例中，方法和系统可充分地探测大尺寸传统间断点(即孔隙，内含物，分离物等)中的一些来充当用于这样的条件的早期筛选检查。因为斑纹能够在X射线图像的合理解释中伪装成孔隙或其他干扰，鋳造厂使用的エ业X射线机具有专用的波长滤波器或在电压下操作或与专用的X射线放射管一起使用来减少斑紋。·和其他使用X射线衍射并需要高度校准精密聚焦X射线束或高度平行X射线束的方法不同，这里的方法和系统不是这样。实际上，本发明的方法和系统利用从X射线源散开成多个非平行阵列的X射线，能够成倍增加满足布拉格角条件的机会，因此实现对非常大的铸件或可能的多个铸件进行有效检查。虽然与传统X射线的类似表明仅仅捕获XRD信息的透射模式被使用，可预想到的是背反射模式也可提供重要的补充数据。根据示例实施例，用于检查单晶高温合金铸件的方法包括识别易受晶体缺陷引起的衍射影响的X射线波长的初始步骤。在这ー步中，当遇见铸件中的晶体缺陷时表现出显著衍射的X射线波长被识别。满足布拉格角晶体几何结构的特定波长的X射线的衍射在行业内是众所周知的，并且不需要进ー步对那些看起来非常有用的X射线波长之外的知识进行讨论。劳厄(Laue)方法，是背反射模式或者是透射模式，能够实现探測到的晶粒缺陷的特定晶体属性的測量。虽然使用了由X射线波长的识别产生的単色X射线，可预期的是识别的波长包括X射线波长的限定的波段，或者X射线波长的多个非连续波段。进ー步，不同X射线频率波段可被识别，每个波段表现出对不同类型晶体缺陷的显著衍射。多个X射线波长的使用可缩短检查时间或提供诊断工具，通过该工具，某些晶体缺陷可被更好地表征。在检查期间为了最大化由晶体缺陷引起的衍射，该方法进ー步提供限制或调整X射线源以使其发射识别的波长的X射线束或发射在识别的波长具有大部分X射线的束。进一歩，所述X射线源可被增强使得其发射在识别的X射线波长具有X射线的选定轮廓的增强束，例如在一个波长X射线的选定的百分比和在另一波长或多个波长X射线的选定的百分比。在X射线波长被识别以及X射线源准备好产生需要的束后，要检查的铸件被放置在相对于X射线源的初始位置。铸件的相对位置既包括其在X，y和Z方向的相对定位，也包括其绕X，y和ζ轴的相对定向。典型地，所述铸件放置在支架或座上，支架或座可由计算机自动移动到初始位置。依赖于合适的多座设计的建立，可同时检查多于ー个铸件。为了检查，X射线源使识别X射线波长的X射线流或发散束朝向所述铸件照射选定的暴露时间，以由其中的任何晶体缺陷引起的衍射产生衍射X射线图案。对那些穿过铸件的射线(即透射X射线)，衍射X射线图案产生在铸件后面(相对于X射线源)。对从铸件衍射返回的射线(即背反射X射线)，衍射X射线的图案产生在铸件的前面(同样，相对于X射线源)。对于透射和/或背反射X射线，衍射X射线的图案由数字图像捕获装置捕获。如所知的，对于透射X射线，能够以足够分辨率探测或感测相关X射线的捕获装置位于铸件后面，对于背反射X射线，捕获装置位于X射线源与铸件之间。在衍射X射线的图案被捕获后，捕获装置传送图案到计算机。然后计算机使得所述铸件放置到第二位置，并且所述X射线源使束朝向铸件照射以产生衍射X射线的第二图案。改变位置可包括‘定中心’或相对于X射线束部件的横向移动，或者包括在ー个或多个平面内倾斜该部件。对系列位置重复该过程以得到预定数目的图案或直到计算机确定已经捕获到用于分析的足够数目的图案。在图案的系列捕获过程中或之后，计算机比较这些图案以定位铸件上或铸件内的任意晶体缺陷。进ー步，计算机可识别铸件上或铸件内具有可能的缺陷的体积，并且其后可控制铸件的放置从而聚焦到该体积以进行进ー步的检查。 为了修正，返エ或研究的目的，该方法包括用目标物(例如少许涂料或描绘的圆，椭圆等)标记探測到的晶体缺陷。举例来说，铸件表面上非常浅的缺陷可被物理移除来允许铸件的使用。因此，用目标物标记缺陷允许移除操作员在移除步骤之前和移除步骤期间可视地观察缺陷的位置。对于表面下的缺陷，表面目标物也可连同已印好的深度、边缘或定位信息一起被使用。X射线计算机辅助断层扫描的使用是熟知的用于内部缺陷的三维映像的方法，并且也适用于本方法。除标记外或代替标记，该方法可提供来生成铸件的映像，包括缺陷的三维边缘和定位。当查看不在铸件内的重要位置的晶体缺陷时，这尤其有价值。也就是说，虽然在某些位置具有缺陷的铸件可能会不适于使用，在其他位置具有缺陷的铸件可接受来使用，这依赖于缺陷的尺寸和类型。因此，映像的生成可便于确定具有缺陷的铸件是否还适于使用。


本发明中的实施例连同下列附图一起在下文中被描述，这里相同的附图标记表示同一部件，并且这里图I是根据一个示例性实施例的用于检查晶体缺陷结构的系统的示意图；图2是根据一个示例性实施例与计算机通信以使图I中的系统自动操作的该系统的示意图；并且图3是根据一个示例性实施例表示用于检查晶体缺陷结构的方法的流程图；并且图4是根据一个示例性实施例描述晶体缺陷结构的检查结果的示意图。
具体实施例方式下面对本发明的详细说明实质上仅仅是示例性的，并不是对本发明或本发明的实施和运用的限制。此外，也不受存在于本发明前面所述的背景技术或下面对本发明的详细描述中提供的任何理论的限制。參考图1，示出了根据ー个示例实施例的用于检查结构(例如单晶高温合金铸件)的系统并且其一般地标记为10。如图所示，该系统10包括X射线源12，例如X射线管，用以沿着多个非平行路径18发射X射线16的列阵14。进一歩，该系统10包括测试区域20用以接收用于检查的结构。该系统10进ー步包括捕获装置22、24，它们设置于测试区域20的前面和后面(相对于源12)来在下文将讨论的检查期间允许数字射线照相。如图所示，捕获装置22限定开ロ 26，X射线16的列阵14沿着它们的非平行路径18 (三个路径被示出，尽管可理解的是X射线16的列阵14可沿着数以百计的路径发射)穿过该开ロ。使用附图I中限定的该系统10的示意结构，讨论用于晶体缺陷32的检查的结构30 (例如铸件)的布置。如图I中所示，结构30沿着路径18被布置于测试区域20中位置31处。重要地，该位置31具有沿着X轴34x，y轴34y和ζ轴34ζ的方向相对于X射线源12可测量的定位(location)。进ー步,该位置31包括结构30绕x轴34x,y轴34y和ζ轴34ζ的可测量的定向(orientation)。在图I中，X射线16朝向结构30照射，由晶体缺陷32衍射来产生衍射X射线36。如图所示，衍射X射线36可包括从结构30反射回来由捕获装置22捕获的背反射X射线36a。这些背反射X射线36a可被分析以定位在结构30表面上的缺陷32。更特别地，在结·构30表面上的缺陷32衍射入射的X射线16，不同于结构30表面的其余部分。作为結果，背反射X射线36a在捕获装置22上产生ニ维图案38。从图形可看出，图案38包括每片区域内较少X射线碰撞的较亮的区域和每片区域内较多碰撞的较暗的区域。此外或可选地，衍射X射线36可包括穿过结构30而被捕获装置24捕获的透射X射线36b。这些透射X射线36b允许结构30内的表面下或内部的缺陷32的检查。类似于表面缺陷32的相关讨论，结构30内部表面下的缺陷32衍射入射的X射线16，不同于结构30的内部体积的其余部分。作为结果，透射X射线36b在捕获装置24上产生ニ维图案38。再一次，图案38包括每片区域内较少X射线碰撞的较亮的区域和每片区域内较多碰撞的较暗的区域。为了本实施例的目的，多个图案38被捕获并互相比较或另外的分析来定位结构30内的晶体缺陷32。特别地，对于结构30相对于X射线源12的一系列不同位置31中的每个位置捕获图案38。该结构30的位置31直接与得到的图案38相关，并且如射线照相术中所知的，位置数据用于图案38的比较以定位缺陷32。參考图2，示出的该系统10提供自动操作和分析来定位缺陷32。在图2中，X射线源12和捕获装置22，24连接到计算机40。另外，结构30显示为位干与计算机40连接的支架42上。进ー步,计算机40与标记装置44和显示装置46通信。如交叉參考图I和2所知的，计算机40能够将结构30设置于初始位置31并且激励X射线源12使X射线16朝向结构30照射选定的暴露时间。在X射线16被衍射并且衍射X射线36被捕获装置22，24捕获后，衍射射线36的图案38由捕获装置22，24传送到计算机40。然后计算机40移动结构30到新的位置31并且重复X射线程序。计算机40可移动结构30到一系列脚本位置(scripted position)或基于已经接收的图案38的正在进行的分析确定的一系列位置。由于X射线的轮廓(profile)被增强以及处理的自动化，在短时间内就可捕获大量图案38。一旦定位了晶体缺陷32,计算机40就命令标记装直44用涂料、星水、树脂等目标物来标记缺陷32，或者计算机40可产生结构30的三维映像(map)和缺陷32的定位以或者是在显示装置46上(监控器)电子地或者是经由未示出的打印机打印从而进行图形显示。
现在參照图3，实施例的方法图示在流程图中。开始，在50识别易受晶体缺陷衍射影响的X射线波长。如上所述，波长可包括单个单色X射线，波段，或者多个非连续的波长。在识别波长后，在52中X射线源12被限制和/或增强来发射具有大部分所识别波长的X射线16的列阵14，例如超过50%，来在短的暴露时间内产生可用的衍射图像。这样做以最大化由存在的任意的晶体缺陷引起的衍射。通过最大化衍射，衍射X射线36的图案38被放大以使得小的缺陷更容易的被定位。X射线源12的输出可通过改变X射线管的靶材料、改变X射线管的电压、过滤移除不相互作用的X射线波长，或通过包括同步加速器的使用的其他方法来增强。X射线16的列阵14的增强会导致捕获衍射X射线36的适当的图案38的时间缩短以及改进图案38的清晰度。在54中，结构30被设置在相对X射线源12的位置31处。其后，在56中，X射线16的列阵14沿着非平行路径18朝向结构30照射，从而在56中由缺陷32衍射。在58中，衍射X射线36被捕获装置22，24捕获并且衍射X射线36的图案38被传送到计算机50。在60中计算机50比较图案38或者以其他方式分析图案38，并且在询问62中确·定是否需要更多的数据(例如额外的图案38)。如果需要更多的数据，那么在54中计算机50移动结构30到新的位置31并且重复随后的步骤直到询问62。当不需要更多的数据时，在64中通过比较图案38执行晶体缺陷32的定位。特别地，考虑到相关的铸件位置31，分析每个图案38中的图案元素，例如较亮区域(指示较少的X射线碰撞)和较暗区域(指示较多的X射线碰撞)的存在和位置。对多个图案38的这些图案元素的比较指示什么图案元素是由晶体缺陷32引起的以及那个晶体缺陷32的定位和物理特性。在执行晶体缺陷32的定位后，在66中标记装置44在缺陷32或结构30上标记目标物和/或在68中产生结构30的映像来显示缺陷32的定位。现在參考图4，示例的检查结果被示出。如图所示，X射线源112被配置为发射非平行束，例如示例的束114，115，116和117。束115，116和117与垂直的束114以发散角分开，例如束114与117之间的发散角以箭头118识别。进ー步，每个束114，115，116和117朝向含有晶体缺陷132的铸件130照射。在图4中，束显示为穿过铸件130以及由设置在铸件130另ー边的捕获装置产生的合成膜(resulting film) 124,不过这样的束也可被反射回到设置在铸件130与源112之间的捕获装置。在图4中，呈现的是X射线源112和铸件130的横截面图，同时合成膜124是以顶视图的形式示出。进一歩，虽然为了清楚膜124包括剖面线，实际上应呈现X射线捕获的典型的阴影。如图4中所示，束114从其路径164被衍射到衍射路径166，衍射路径166到达捕获装置124。进ー步，束115沿着基本上不衍射或轻微衍射的路径168到达捕获装置124。由于路径166和168在基本相同位置相交捕获装置，膜124在部分125记录暗区域来指示晶体缺陷132。进一歩，由于束114衍射离开路径164，膜125在其与路径164的交叉点记录亮区域171。这样的事情也由束116和117重复。如图所示，束117从路径172被衍射到路径174。进ー步，束116基本上不衍射或轻微衍射并且保持在路径176上。当路径174与176在基本上相同的位置撞到膜124吋，暗区域178由捕获装置124记录下来。进一歩，当束117从其路径172被衍射时，在路径172与膜124的交叉点记录亮区域180。暗区域170和亮区域171的存在和位置是由波长导致的衍射引起的。更多X射线到达膜124的地方，产生更暗的区域，并且较少X射线到达膜124的地方，较亮的区域被记录下来。暗区域178和亮区域180这样重复。进一歩，由于束116和117以相对垂直束114的发散角发射，暗区域178和亮区域180也展示了发散角引起的衍射。在图4中，可以看到铸件130以几度或更大角度的倾斜角被枢轴转动(pivot)至Ij以虚线181指示的新位置，该倾斜角以箭头182表示。作为铸件130倾斜的结果，得到的暗和亮区域的图案改变了。由捕获装置产生的膜使用数字224指示的改变的图案示出。如图所示，作为倾斜铸件130的结果，暗和亮区域170，171，178，180被移动。进ー步，作为随机满足布拉格角和波长条件的结果，可产生额外的暗区域184和亮区域186。如从图4中所见，波长，发散角和倾斜角(可是三维的)的组合允许用于指示X射线束的撞击或缺乏的暗区域和亮区域的图案的分析。分析导致晶体缺陷的识别及其定位和边界。
尽管在前面的详述中已经给出至少ー个示例实施例，但是应理解，存在大量变形。也应理解，示例实施例仅为实例，并不是用于以任何方式限制本发明的范围、应用、或配置。相反，前面的详细描述将为本领域的技术人员提供用于执行本发明示例实施例的方便的路线图。也应理解，可对示例实施例描述的元件的功能和布置作出各种改变，而不偏离如所附权利要求及其法律上的等同物所阐述的本发明的范围。
权利要求
1.ー种检查结构(30)的方法，包括 配置X射线源(12)以发射预定X射线波长的X射线(16)； 将所述结构设置于相对于X射线源的多个位置(31)； 对于每个位置，使预定X射线波长的X射线的非平行列阵朝向所述结构照射，用于由晶体缺陷(32)衍射来产生衍射X射线(36)的图案(38)； 捕获衍射X射线的每个图案；并且 互相比较每个捕获到的衍射X射线的图案以定位所述晶体缺陷。
2.如权利要求I所述的方法，其中X射线的每个列阵包括单色X射线，其中衍射X射线穿过所述结构。
3.如权利要求I所述的方法，进ー步包括用目标物标记探测到的晶体缺陷，以物理移除所述晶体缺陷。
4.如权利要求I所述的方法，进ー步包括产生结构的映像以传送所述晶体缺陷的定位，并且其中所述映像公开了所述晶体缺陷的三维边缘。
5.如权利要求I所述的方法，其中衍射X射线的图案由数字图像捕获装置(22，24)捕获，其中所述数字图像捕获装置传送捕获的衍射X射线的图案到计算机(40)，其中所述计算机基于所传送的捕获的衍射X射线的图案确定后续位置，并且其中所述计算机将所述结构设置于相对X射线源的所述多个位置。
6.如权利要求I所述的方法，进ー步包括 增强X射线源从而以设别的X射线波长发射选定的X射线轮廓。
7.如权利要求I所述的方法，其中所述结构具有表面，其中所述晶体缺陷位于表面上，并且其中衍射X射线以向后的方向反射离开所述表面以产生衍射X射线的每个图案。
8.ー种针对晶体缺陷(132)检查未刻蚀的单晶高温合金铸件(130)的方法，所述晶体缺陷(132)对识别的X射线波长的X射线具有可确定的衍射效应，该方法包括 将所述铸件设置于相对于X射线源(112)的多个系列位置(31)； 对于系列位置中的每ー个，使识别的X射线波长的X射线(114，115，116，117)的非平行列阵从X射线源朝向所述铸件照射，从而由晶体缺陷衍射，以产生衍射X射线的图案； 捕获衍射X射线的每个系列图案；并且 分析衍射X射线的系列图案来定位所述晶体缺陷。
9.如权利要求8所述的方法，进ー步包括 用目标物标记探测到的晶体缺陷，以物理移除晶体缺陷；并且 增强X射线源以发射识别的X射线波长的X射线的选定轮廓； 其中所述的X射线源被限制仅仅使识别的X射线波长的X射线朝向铸件照射，来最大化由晶体缺陷引起的衍射，其中所述铸件具有内部，其中衍射X射线穿过所述铸件，其中所述晶体缺陷位于铸件的内部，其中由数字图像捕获装置(22，24)捕获衍射X射线的系列图案，其中数字图像捕获装置传送衍射X射线的系列图案到计算机(40)，其中所述计算机基于传送的衍射X射线的系列图案来确定后续的系列位置，并且其中所述计算机将所述铸件设置于相对于X射线源的所述多个系列位置。
10.一种用于检查未刻蚀结构(30)的系统(10)，包括 X射线源(12)，配置成使X射线(16)朝向所述结构照射；捕获装置(22，24)配置成捕获由所述结构内的缺陷(32)衍射的X射线的图案；结构支架(42)配置成将所述结构安装于其上，所述结构支架进ー步配置成可控制地移动，因而移动所述结构到多个位置(31);并且处理器(40)，与所述X射线源、所述结构支架和所述捕获装置可操作地通信，所述处理器配置成控制X射线源发射预定波长的X射线，所述处理器配置成可控地设置所述结构支架在所述多个位置，并且所述处理器进ー步配置成比较捕获的衍射X射线的图案以定位晶体缺陷。
全文摘要
提供用于检查晶体缺陷结构的方法和系统的实施方式。在方法中，尤其易受由晶体缺陷引起的衍射影响的X射线波长被识别。然后，提供X射线源发出被识别的X射线波长的X射线。当将结构设置在相对于X射线源的一系列位置时，使多个非平行阵列的X射线照射该结构，产生衍射X射线的系列图案。数字化捕获衍射X射线的图案并传送给计算机，计算机比较他们来定位晶体缺陷。对于表面缺陷，可使用目标物标记缺陷以允许物理移除。
文档编号G01N23/20GK102854205SQ20121026901
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月26日 优先权日2011年6月27日
发明者S·辛赫, A·苏罗米, V·K·托尔皮戈, A·金尼 申请人:霍尼韦尔国际公司