用于非破坏性控制涡轮发动机部件的方法与流程

涡轮发动机部件，特别是涡轮叶片，无论是移动的还是固定的，在涡轮发动机运行期间都承受高机械应力。因此，叶片必须非常耐受，以防止它们的劣化和可能影响涡轮发动机正常运行的碎屑的产生。这些叶片具有单晶结构，晶粒生长由晶粒选择器控制。这些叶片具有复杂的几何形状，包含内部空腔以确保冷却并具有单晶结构，晶粒生长由晶粒选择器控制。

在将叶片安装在涡轮发动机中之前，通常执行一系列控制操作以确保叶片根据规格制造。

这可以通过确定叶片的物质晶粒的取向(也称为晶体取向)和通过在叶片中搜索外来晶粒来完成。实际上，已知不同晶粒的取向越相同或几乎相同，叶片的耐受越强。

叶片中的外来晶粒可能在制造单晶叶片的过程期间或在热处理阶段期间出现。它是叶片的部分，具有可变尺寸，其晶体取向与生长取向不同。外来晶粒随机出现在叶片中，因此它可以位于叶片的表面上、接触外壁或保留在叶片的内腔中。

控制晶粒取向的一种已知方法是化学侵蚀叶片，然后在溶液中观察叶片。叶片上晶粒混乱取向，即不同的晶粒取向，通过叶片上的光反射的变化将是可见的，因此叶片上或多或少的透明区域是可见的。

该方法对于叶片的外部控制，即表面状态是令人满意的，但是叶片内部结构的控制只能通过切割部件来完成，因此意味着部件的破坏。因此，对于批量生产，叶片的内部晶体结构的控制仅在部件的工业化和制造过程的控制的实施期间进行。

然而，涡轮叶片具有越来越复杂的内腔，这导致内部晶粒出现的显著可能性，这意味着早期叶片老化的风险。因此，叶片的单独非破坏性控制变得越来越重要。

应当注意的是，叶片的物质的晶粒的取向变化是通过相对于由晶粒选择器控制的晶体生长轴相对应的理论取向的角度偏移来实现的。该生长轴对应于发动机的堆叠轴并且相对于旋转轴径向延伸。

更具体地，本发明旨在为该问题提供简单、有效且成本划算的解决方案。

为此，本发明提出一种用于控制涡轮发动机部件的至少一种晶粒的晶体取向的方法，包括以下步骤：

a)发射电磁辐射光束通过部件的基本体积，并记录通过部件的电磁辐射衍射信息；

b)在部件的给定区域上重复步骤a)；

c)确定每个所述基本体积的晶体空间取向，并推断出至少一种第一结晶晶粒的存在，用于根据相同的结晶取向定向基本体积；

d)计算所述第一晶粒的晶体空间取向与从该部件取得的预定方向之间的角度差，并将其与第一预定阈值进行比较；

e)确定部件的使用状态。

与仅对部件表面进行分析的先前技术相比，本发明提出通过分析在部件上多个不同位置中，即在与发射电磁辐射的装置相对的给定区域中衍射通过部件的电磁辐射光束来执行部件内部结构的控制。应当注意的是，电磁辐射可以穿过部件的不同内壁或隔板，内壁或隔板可以形成在叶片内。获得的衍射图案使得可以推断出部件上结晶晶粒的存在并确定它们各自的取向。要确定部件的使用状态，例如，部件是否可以使用或必须报废。本发明提出将至少一种晶粒的晶体取向与部件的预定方向进行比较，部件的预定方向可以对应于例如物质的晶粒在理想/理论情况下应该延伸的方向。实际上，从通过衍射光束获得的二维信息，获得与叶片晶粒的空间取向有关的信息。

术语“高能量”是指高于100kv的能量，例如x射线或伽马射线。此处不包括无法穿过部件的辐射。

根据另一个特征，该方法还包括以下步骤：

i.从衍射信息识别给定区域中至少第一和第二不同的结晶晶粒的存在；

ii.从衍射信息确定部件的所述第二晶粒的空间取向；

iii.计算所述第二晶粒的空间取向与部件的所述预定方向之间的角度偏差，并将其与第一预定阈值进行比较；

iv.计算所述第一晶粒的空间取向与所述第二晶粒的空间取向之间的角度差，并将其与第二预定阈值进行比较；

v.在步骤d)、iii)和iv)中确定部件的使用状态。

根据本发明，还可以考虑两种晶粒之间的取向差异，这允许基于部件的两种晶粒之间的相对状态来决定部件的使用状态。

还应理解的是，本发明可以考虑部件的所有结晶晶粒的取向。为此，足以测量每种晶粒的晶体空间取向与在该部件上取得的预定方向之间的角度偏差，将如此测量的每个角度偏差与第一预定阈值进行比较。另外，可以如关于上述步骤i至v所述进行每对晶粒之间的两两比较。

在本发明的实际实施方式中，第一预定阈值在-15°至15°之间。第二预定阈值可以在-12°至12°之间。

优选地，如果偏差中的一个大于与其进行比较的预定阈值，则确定使用状态导致部件报废。

有利地，通过将已经通过部件的辐射的衍射图像与包含参考衍射图像的数据库进行比较，来执行对晶粒存在的识别，该参考衍射图像对应于优选地与所分析的部件的类型相同的部件中已知晶粒取向。在该第一种方法中，可以使用相关函数来建立所获得的衍射图像与已知晶粒取向的数据库衍射图像之间的相似性。

仍然可以对衍射图像进行峰值检测，并将峰值位置与数据库的晶体取向已知的已知峰值参考位置进行比较。

参考衍射图像可以是通过对实际部件或对从结晶学观点数字模拟的部件进行实验而获得的衍射图像。优选地，衍射信息包括从通过部件衍射的光束获得的衍射图像。

有利地，电磁辐射光束是x射线光束。

根据另一个特征，识别部件的给定区域中的所有结晶晶粒，并且部件的给定区域可以对应于整个部件。

通过参考附图和非限制性实施例给出的以下说明，将更好地理解本发明，本发明的其他细节、特征和优点将变得显而易见，其中：

-图1是具有包括单种晶粒的内部结构的涡轮叶片的示意性透视图；

-图2是具有包括多种晶粒的内部结构的涡轮叶片的示意性透视图；

-图3是用于获得通过待控制部件的电磁辐射的衍射图案的设备的示意图；

-图4是具有包括单种晶粒的涡轮叶片的示意图；

-图5是通过图4中的部件获得的衍射图像的图示；

-图6是包括两种晶粒的涡轮叶片的示意图；

-图7是通过图6中的部件获得的衍射图像的图示。

作为提醒，术语“晶粒”是指原子根据给定的结晶排列完美排序的区域。

图1示出了该叶片10的涡轮叶片10(顶部)和内部结构12(底部)，其包括单种晶粒14。图2示出了涡轮叶片16(顶部)及其内部结构18，其具有外来晶粒20。该外来晶粒20由理论内部结构18通过晶粒接缝22界定。

如上所述，本发明提出了一种用于分析叶片的微结构的方法和设备，以便给出关于部件的制造一致性的信息，从而推断出叶片是否适用于涡轮发动机，即它是否适合在运行中承受机械应力。

为此，设备22包括高能电磁辐射源24，更具体地是能够朝向待控制的叶片28发射光束26的x射线源。它还包括用于通过部件28衍射的光束的二维收集和记录的装置30。第一掩模32插入在辐射源24和部件28之间，并且包括开口34，开口34被配置成使得仅部件28的部分暴露于入射辐射，代表测量区域。该第一掩模32还限制寄生反射。第二掩模33由能够强烈吸收来自光源的辐射的材料制成，与孔径34对准，以便从记录的信号中去除直接光束(0阶)。部件28的控制区域可以借助于计算机控制的夹持臂36定位在光束中。在这种情况下使用的组件是劳厄(laue)型传动组件。

因此，如下使用根据本发明的设备22。x射线光束26穿过部件28的部件的基本体积，并由具有间接检测的二维数字传感器(通常是具有碘化铯闪烁体的平面数字传感器)或直接检测(rx光子计数器)收集。获得的信息是关于x射线光束的衍射信息，其可以表示为衍射图像(图5)。该衍射图像表示当叶片38包含单种结晶晶粒时获得的衍射图案的实施例。

从这样的衍射图像，可以确定在由x射线观察到的部件区域中的晶粒数量。该识别可以通过与存储在数据库中的参考图像进行比较来完成，这些参考图像对应于已知晶粒取向的与被分析部件相同类型的部件。参考衍射图像是通过对实际部件或对数字模拟的部件进行实验而获得的衍射图像。

在确定叶片38的基本体积的空间取向之后，该方法然后在于借助于臂36移动部件，以便扫描部件的给定区域，或者例如希望控制其整体时扫描整个部件。这在每个部件位置处提供多个衍射信息，并且可以确定每个所述部件位置处的晶体取向。

然后确定具有相同晶体取向的基本体积形成给定的晶粒，例如第一晶粒。

然后计算对于所述识别的感兴趣体积在叶片38上获得的角度取向37与叶片的纵向方向39之间的角度偏差，叶片的纵向方向39即方向从叶片的底部延伸到顶部并且基本上对应于径向方向，即垂直于涡轮发动机转子的旋转轴(图4)。

将该角度偏差α1与第一预定阈值进行比较，该第一预定阈值可以在-15°至15°的范围内。实际上，超出该值范围，在运行期间施加到叶片的机械应力对于这样的晶粒来说太高，这可能损坏叶片。

如果角度偏差α1高于第一阈值，那么应该废弃受控叶片，因为这表明叶片的唯一晶粒与所需的理想定向强烈不对准，理想定向是叶片纵轴的定向。因此，在这种情况下，与原子的取向相比，叶片在运行期间将承受过大的机械应力。

在具有两种不同晶粒的叶片40的第二种可能的配置中(图6)，然后获得衍射图像(图7)上的衍射图案，该衍射图案不同于具有单种晶粒的叶片所获得的衍射图案。该图像包括两个系列的圆42a、44a，第一系列圆42a(实线)对应于部件的第一晶粒，第二系列圆44a(虚线)对应于叶片40的第二晶粒。

为了确定包括两种晶粒42、44的叶片，而理论上它应该仅包括沿纵向定向的一种晶粒，因此根据本发明的方法在于确定第一晶粒42和第二晶粒44的空间取向42b、44b，并且从纵向39测量每个取向42b、44b的角度偏差α1和α2。如果两个角度偏差α1和α2中的一个高于第一阈值，那么应该废弃该部件。然而，在这两个角度偏差α1和α2低于第一预定阈值的情况下，然后必须计算在所述第一晶粒的空间取向和所述第二晶粒的空间取向之间的角度偏差β，并将该新的角度偏差β与第二预定阈值进行比较，新的角度偏差β可以被描述为晶粒间偏差。对于角度偏差β应该小于第二预定阈值的部件不作报废。

利用根据本发明的方法，因此可以确定晶粒的空间取向相对于晶粒应该具有的标称取向是否是可接受的，以及是否存在几种不同取向的晶粒也是可接受的。

已经仅参考叶片的一个部件描述了根据本发明的方法，然而，应当理解的是，该方法可以在部件的整个高度上连续重复，从而在其整个高度上对部件进行非破坏性控制。

应当注意的是，为了能够从晶粒的空间取向执行上述角度偏差测量，首先在收集装置(或传感器)标记30中获得每种晶粒的空间取向。然后，改变在夹持臂标记36中收集装置标记的空间取向标记，接着，改变部件38、40的标记中夹持臂的标记。