BR112019010824B1 - Método para controlar a orientação do cristal de pelo menos um grânulo cristalográfico de uma peça de motor turbo - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um método para controlar a orientação do cristal de pelo menos um grânulo cristalográfico (42, 44) de uma peça (28) de motor turbo, compreendendo as etapas de: a) emitir um feixe de radiação eletromagnética através de um volume elementar da peça (28) e registrar a informação de difração sobre a radiação eletromagnética que passa através da peça (28); b) repetir a etapa a) em uma determinada área da peça (28), c) determinar a orientação espacial (42b, 44b) do cristal de cada um dos volumes elementares e deduzir a presença de pelo menos um primeiro grânulo cristalográfico (42) para o qual os volumes elementares são orientados de acordo com a mesma orientação cristalográfica; d) calcular o desvio angular (a1, a2) entre a orientação espacial do cristal do primeiro grânulo (42) e uma direção predeterminada tirada da peça (28) e compará-la com um primeiro valor limiar predeterminado; e) determinar um estado de uso da peça (28).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] Esta invenção refere-se a um método para o controle não destrutivo da estrutura interna de uma peça, mais particularmente a orientação cristalina dos grânulos da matéria de uma peça de motor turbo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] As peças do motor turbo, em particular as pás da turbina, sejam móveis ou fixas, estão sujeitas a altas tensões mecânicas durante a operação do turbo. As pás devem, portanto, ser muito resistentes para evitar sua deterioração e a geração de detritos que possam afetar o funcionamento adequado do motor turbo. Essas pás têm uma estrutura monocristalina, sendo o crescimento de grânulos controlado por um seletor de grânulos. Essas pás têm uma geometria complexa que contém cavidades internas para garantir o resfriamento e ter uma estrutura monocristalina, sendo o crescimento de grânulos controlado por um seletor de grânulos.

[003] Antes das pás serem montadas no motor turbo, é comum realizar uma série de operações de controle para garantir que as pás sejam fabricadas de acordo com as especificações.

[004] Isso pode ser feito determinando a orientação dos grânulos de matéria da pá, também chamada de orientação de cristal, e procurando por grânulos estranhos na pá. De fato, sabe-se que quanto mais idêntica ou quase idêntica a orientação dos diferentes grânulos, mais resistente é a pá.

[005] Um grânulo estranho na pá pode ocorrer durante o processo de fabricação da pá monocristalina ou durante as fases de tratamento térmico. É uma parte da pá, de tamanho variável, cuja orientação cristalina é diferente da orientação de crescimento. Um grânulo estranho aparece aleatoriamente na pá, de modo que ele pode ser colocado na superfície da pá, tocar as paredes externas ou permanecer nas cavidades internas da pá.

[006] Um método conhecido para controlar a orientação dos grânulos é atacar quimicamente a pá e depois observar as pás em uma solução. Uma desorientação do grânulo, isto é, uma orientação diferente do grânulo, na pá será visível por uma mudança na reflexão da luz na pá, e consequentemente uma área mais ou menos desobstruída na pá.

[007] Este método é satisfatório para o controle externo, ou seja, a condição da superfície da pá, mas o controle da estrutura interna da pá só pode ser feito cortando a peça que, portanto, implica a destruição da peça. Assim, para produção em série, o controle da estrutura cristalina interna das pás é realizado apenas durante a industrialização da peça e a implementação do controle do processo de fabricação.

[008] No entanto, as pás das turbinas têm cavidades internas cada vez mais complexas, o que leva a uma probabilidade significativa de surgimento de grânulos internos, o que implica um risco de envelhecimento prematuro da pá. Portanto, o controle individual não destrutivo das pás está se tornando cada vez mais importante.

[009] Deve ser notado que a mudança na orientação dos grânulos de matéria da pá é conseguida por um desvio angular em relação a uma orientação teórica correspondente ao eixo de crescimento do cristal controlado por um seletor de grânulos. Este eixo de crescimento corresponde ao eixo de empilhamento do motor e estende-se radialmente em relação ao eixo de rotação.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0010] A invenção, mais particularmente, visa fornecer uma solução simples, eficiente e rentável para este problema.

[0011] Para este fim, a invenção propõe um método para controlar a orientação do cristal de pelo menos um grânulo de uma peça de motor turbo, compreendendo as etapas de: a) emitir um feixe de radiação eletromagnética através de um volume elementar da peça e registrar a informação de difração na radiação eletromagnética que passa através da peça; b) repetir a etapa a) em uma determinada área da peça; c) determinar a orientação espacial do cristal de cada um dos referidos volumes elementares e deduzir a presença de pelo menos um primeiro grânulo cristalográfico para o qual os volumes elementares são orientados de acordo com a mesma orientação cristalográfica; d) calcular a diferença angular entre a orientação espacial do cristal do referido primeiro grânulo e uma direção predeterminada tirada da peça e compará-la com um primeiro valor limiar predeterminado, e) determinar um estado de uso da peça.

[0012] Em contraste com o estado da técnica, que apenas realiza uma análise da superfície da peça, a invenção propõe a realização de um controle da estrutura interna da peça, analisando um feixe de radiação eletromagnética difratada através da peça em uma pluralidade de diferentes localizações da peça, ou seja, em uma determinada área oposta aos meios de emissão de radiação eletromagnética. Deve-se notar que a radiação eletromagnética pode passar através das diferentes paredes internas ou partições da peça, que podem ser formadas dentro de uma pá. O padrão de difração obtido permite deduzir a presença de grânulos cristalográficos na peça e determinar sua orientação individual. Para determinar um estado de uso da peça, por exemplo, se a peça pode ser usada ou deve ser descartada. A invenção propõe comparar a orientação cristalina de pelo menos um grânulo com uma direção predeterminada da peça, que pode corresponder, por exemplo, a uma direção na qual o grânulo de matéria deve se estender em uma situação ideal/ teórica. Na prática, a partir da informação bidimensional obtida através do feixe difratado, obtém-se informação relativa à orientação espacial do(s) grânulo(s) da pá.

[0013] O termo “alta energia” refere-se a energias acima de 100 KV, como raios X ou raios gama, por exemplo. A radiação que não pode passar pela peça é excluída aqui.

[0014] De acordo com outra característica, o método também inclui as seguintes etapas: i. identificar na área determinada a presença de pelo menos um primeiro e um segundo grânulos cristalográficos distintos da informação de difração; ii. determinar uma orientação espacial do referido segundo grânulo da peça a partir da informação de difração; iii. calcular o desvio angular entre a orientação espacial do referido segundo grânulo e a referida direção predeterminada da peça e compará-la com o primeiro valor limiar predeterminado; iv. calcular a diferença angular entre a orientação espacial do referido primeiro grânulo e a orientação espacial do referido segundo grânulo e compará-lo com um segundo valor limiar predeterminado; v. determinar um estado de uso da peça nas etapas d), iii) e iv).

[0015] De acordo com a invenção, as diferenças de orientação entre dois grânulos também podem ser levadas em consideração, o que permite que seja tomada uma decisão sobre o estado de uso da peça com base em um estado relativo entre dois grânulos da peça.

[0016] Entende-se também que a invenção pode levar em conta a orientação de todos os grânulos cristalográficos da peça. Para este fim, é suficiente medir um desvio angular entre a orientação espacial do cristal de cada um dos grânulos e a direção predeterminada tomada na peça, cada desvio angular assim medido sendo comparado com o primeiro valor limiar predeterminado. Além disso, uma comparação de dois a dois entre cada par de grânulos pode ser feita como descrito em relação às etapas i a v acima.

[0017] Em uma forma de realização prática da invenção, o primeiro valor limiar predeterminado está entre -15° e 15°. O segundo valor limite predeterminado pode estar entre -12° e 12°.

[0018] De preferência, a determinação do estado de uso resulta no sucateamento da peça se um dos desvios for superior do que um limiar predeterminado ao qual é comparado.

[0019] Vantajosamente, a identificação da presença de um grânulo é realizada comparando uma imagem de difração da radiação que passou pela peça com um banco de dados contendo imagens de difração de referência correspondentes a orientações de grânulos conhecidas em uma peça, preferencialmente do mesmo tipo da peça sendo analisada. Nesta primeira abordagem, seria possível usar uma função de correlação para estabelecer uma similaridade entre a imagem de difração obtida e uma imagem de difração de banco de dados para a qual a orientação de grânulos é conhecida.

[0020] Ainda é possível realizar a detecção de pico na imagem de difração e comparar a posição de pico com um banco de dados de posições de referência para picos conhecidos cuja orientação de cristal é conhecida.

[0021] Imagens de difração de referência podem ser imagens de difração obtidas por experimentação em peças reais ou em peças simuladas digitalmente do ponto de vista cristalográfico. Em uma realização, a informação de difração consiste em uma imagem de difração obtida a partir do feixe difratado através da peça.

[0022] Vantajosamente, o feixe de radiação eletromagnética é um feixe de raios X.

[0023] De acordo com outra característica, todos os grânulos cristalográficos na área determinada da peça são identificados, e a área determinada da peça pode corresponder à peça inteira.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0024] A invenção será melhor compreendida e outros detalhes, características e vantagens da invenção se tornarão prontamente evidentes ao ler a seguinte descrição, dada por meio de um exemplo não limitativo com referência aos desenhos anexos, em que: - A Figura 1 é uma vista esquemática em perspectiva de uma pá de turbina tendo uma estrutura interna compreendendo um único grânulo; - A Figura 2 é uma vista esquemática em perspectiva de uma pá de turbina que tem uma estrutura interna compreendendo uma pluralidade de grânulos; - A Figura 3 é uma representação esquemática de um dispositivo para obter um padrão de difração de radiação eletromagnética através de uma peça a ser controlada; - A Figura 4 é uma representação esquemática de uma pá de turbina que compreende um único grânulo; - A Figura 5 é uma ilustração de uma imagem de difração obtida através da peça da Figura 4; - A Figura 6 é uma representação esquemática de uma pá de turbina compreendendo dois grânulos; - A Figura 7 é uma ilustração de uma imagem de difração obtida através da peça na Figura 6.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[0025] Como lembrete, o termo “grânulo” refere-se a uma área onde os átomos são perfeitamente ordenados de acordo com um dado arranjo cristalográfico.

[0026] A Figura 1 mostra uma pá de turbina (10) (topo) e a estrutura interna (12) (fundo) desta pá (10), que inclui um único grânulo (14). A Figura 2 mostra uma pá de turbina (16) (topo) e a sua estrutura interna (18) com um grânulo estranho (20) Este grânulo estranho (20) é delimitado com a estrutura interna teórica (18) por uma costura de grânulo (22).

[0027] Como indicado acima, a invenção propõe um método e um dispositivo para analisar a microestrutura de uma pá, a fim de fornecer informações sobre a conformidade de fabricação da peça e, assim, deduzir se a pá é ou não adequada para uso em um motor turbo, isto é, se é adequada para resistir a tensões mecânicas em operação.

[0028] Para este fim, o dispositivo (22) inclui uma fonte de radiação eletromagnética de alta energia (24), mais particularmente uma fonte de raios X capaz de emitir um feixe (26) no sentido de uma pá (28) a ser controlada. Também inclui meios para a coleta bidimensional e gravação (30) do feixe difratado através da peça (28). Uma primeira máscara (32) é interposta entre a fonte de radiação (24) e a peça (28) e inclui uma abertura (34) configurada de modo que apenas uma porção da peça (28) é exposta à radiação incidente, representando a região de medição. Esta primeira máscara (32) também limita as reflexões parasitas. Uma segunda máscara (33) feita de um material capaz de absorver fortemente a radiação da fonte será alinhada com a abertura (34) de modo a remover o feixe direto (ordem 0) do sinal gravado. A área de controle da peça (28) pode ser posicionada no feixe por meio de um braço de garra controlado por computador (36). O conjunto usado neste caso é um conjunto de transmissão do tipo Laue.

[0029] O dispositivo (22) de acordo com a invenção é assim utilizado como se segue. Um feixe de raios X (26) passa pela peça (28) em um volume elementar da peça e é coletado por um sensor digital bidimensional com detecção indireta (normalmente um sensor digital plano com um cintilador de iodeto de césio) ou detecção direta (contador de fótons RX). As informações obtidas são informações de difração no feixe de raios X que podem ser representadas como uma imagem de difração (Figura 5). Esta imagem de difração representa um exemplo de um padrão de difração obtido quando a pá (38) contém um único grânulo cristalográfico.

[0030] A partir de tal uma imagem de difração, é possível determinar o número de grânulos na área da peça observada por raios X. Essa identificação pode ser feita por comparação com imagens de referência armazenadas em um banco de dados, essas imagens de referência correspondentes a orientações de grânulos conhecidas em uma peça do mesmo tipo da peça que está sendo analisada. Imagens de referência de difração são imagens de difração obtidas por experimentação em peças reais ou em peças simuladas digitalmente.

[0031] Depois de determinar a orientação espacial do volume elementar da pá (38), o método consiste em mover a peça por meio do braço (36) para escanear uma determinada área da peça ou, por exemplo, a peça inteira quando se deseja controlar sua totalidade. Isto proporciona uma pluralidade de informação de difração em cada uma das posições da peça e é possível determinar a orientação do cristal em cada uma das referidas localizações de peça.

[0032] Os volumes elementares com orientação de cristal idêntica são então determinados para formar um dado grânulo, por exemplo, um primeiro grânulo.

[0033] O desvio angular entre a orientação angular (37) obtida na pá (38) para o referido volume de interesse identificado e a direção longitudinal (39) da pá, isto é, a direção que se estende do pé para o topo da pá e corresponde substancialmente à direção radial, isto é, perpendicular ao eixo de rotação dos rotores do motor turbo (Figura 4), é então calculado.

[0034] Esse desvio angular α1 é comparado com um primeiro valor limiar predeterminado que pode estar no intervalo de -15° a 15°. De fato, além dessa faixa de valores, as tensões mecânicas aplicadas à pá durante a operação seriam muito altas para tal grânulo, o que poderia danificar a pá.

[0035] Se o desvio angular α1 é maior do que o primeiro valor limiar, então a pá controlada deve ser descartada, pois isso indica que o único grânulo da pá está muito fortemente desalinhado com a orientação ideal desejada, que é a do eixo longitudinal da pá. Assim, em tal caso, a pá seria submetida a tensões mecânicas excessivas durante a operação em comparação com a orientação dos átomos.

[0036] Em uma segunda realização de uma pá (40) com dois grânulos diferentes (Figura 6), é então obtido um padrão de difração na imagem de difração (Figura 7) que é diferente da obtida para a pá com um único grânulo. Esta imagem inclui duas séries de círculos (42a, 44a), a primeira série de círculos (42a) (linhas sólidas) corresponde a um primeiro grânulo da peça e a segunda série de círculos (44a) (linhas ponteadas) corresponde a um segundo grânulo da pá (40).

[0037] Para determinar se a pá, que compreende dois grânulos (42, 44), enquanto em teoria deve compreender apenas um grânulo orientado na direção longitudinal, o método de acordo com a invenção consiste, portanto, em determinar a orientação espacial (42b, 44b) do primeiro grânulo (42) e do segundo grânulo (44) e medir o desvio angular α1 e α2 de cada uma das orientações (42b, 44b) a partir da direção longitudinal (39). Se um dos dois desvios angulares α1 e α2 é maior que o primeiro valor limiar, então a peça deve ser descartada. No entanto, no caso em que estes dois desvios angulares α1 e α2 são menores do que o primeiro valor limiar predeterminado, então o desvio angular β deve ser calculado entre a orientação espacial do referido primeiro grânulo e a orientação espacial do referido segundo grânulo e comparar este novo desvio angular β que pode ser descrito como desvio inter- grânulos, com um segundo valor limiar predeterminado. O desvio angular β deve ser menor que o segundo valor limiar predeterminado para a peça não ser descartada.

[0038] Com o método de acordo com a invenção, é assim possível determinar se a orientação espacial de um grânulo é aceitável em relação à orientação nominal que o grânulo deve ter e se a presença de vários grânulos de diferentes orientações é também aceitável.

[0039] O método de acordo com a invenção foi descrito com referência a apenas uma peça da pá, no entanto, entende-se que o método pode ser repetido sucessivamente ao longo de toda a altura da peça, realizando assim um controle não destrutivo da peça sobre todo o seu comprimento.

[0040] Deve ser notado que, para ser capaz de realizar as medidas de desvio angular acima a partir das orientações espaciais dos grânulos, uma orientação espacial de cada um dos grânulos é primeiro obtida no marcador de meio de coleta (ou sensor) (30). Efetua-se então uma mudança de marcador da orientação espacial do marcador de meio de coleta no marcador de braço de agarrar (36), depois é feita uma mudança de marcador do braço de agarrar no marcador da peça (38, 40).

Claims (11)

1. MÉTODO PARA CONTROLAR A ORIENTAÇÃO DO CRISTAL DE PELO MENOS UM GRÂNULO CRISTALOGRÁFICO (42, 44) DE UMA PEÇA (28) DE MOTOR TURBO, caracterizado por compreender as etapas de: a) emitir um feixe de radiação eletromagnética através da peça (28) em um volume elementar da peça (28) e registrar a informação de difração sobre a radiação eletromagnética que passa através da peça (28); b) repetir a etapa a) em pelo menos outro volume elementar sobre uma determinada área da peça (28); c) determinar a orientação espacial (42b, 44b) do cristal de cada um dos volumes elementares e deduzir a presença de pelo menos um primeiro grânulo cristalográfico (42) para o qual os volumes elementares são orientados de acordo com a mesma orientação cristalográfica; d) calcular o desvio angular (α1, α2) entre a orientação espacial do cristal do primeiro grânulo (42) e uma direção predeterminada tirada da peça (28) e compará-la com um primeiro valor limiar predeterminado, e) determinar um estado de uso da peça (28).

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda as seguintes etapas: i. identificar na determinada área a presença de pelo menos um primeiro e segundo grânulos cristalográficos (42, 44) distintos da informação de difração; ii. determinar uma orientação espacial do segundo grânulo (44) da peça (28) a partir da informação de difração; iii. calcular o desvio angular (α1, α2) entre a orientação espacial do segundo grânulo (44) e a direção predeterminada da peça (28) e compará-la com o primeiro valor limiar predeterminado; iv. calcular o desvio angular (β) entre a orientação espacial do primeiro grânulo (42) e a orientação espacial do segundo grânulo (44) e compará-la com um segundo valor limiar predeterminado; v. determinar um estado de uso da peça (28) nas etapas d), iii) e iv).

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo primeiro valor de limiar predeterminado estar entre -15 e 15.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo segundo valor limiar predeterminado estar entre -12 e 12.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela determinação do estado de uso resultar no sucateamento da peça (28) se um dos desvios for superior a um limiar predeterminado ao qual é comparado.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela identificação da presença de um grânulo (42, 44) ser realizada por comparação de uma imagem de difração da radiação que passou através da peça (28) em um banco de dados que compreende imagens de referência de difração correspondentes a orientações conhecidas de grânulos (42, 44) em uma peça (28), de preferência do mesmo tipo da peça (28) analisada, ou comparando a posição dos picos na imagem de difração com posições conhecidas de referência de pico contidas em um banco de dados.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelas imagens de referência de difração serem imagens de difração obtidas por experimentação em peças reais ou em peças simuladas digitalmente de um ponto de vista cristalográfico.

8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pela informação de difração consistir em uma imagem de difração obtida a partir do feixe difratado através da peça (28).

9. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pela peça (28) ser uma pá de uma turbina com motor turbo, a direção predeterminada tomada na peça (28) sendo a direção longitudinal (39) que se estende entre o pé e o topo da pá.

10. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo feixe de radiação eletromagnética ser um feixe de raios X.

11. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por ser realizada uma identificação de todos os grânulos cristalográficos (42, 44) da determinada área da peça (28), sendo a determinada área da peça (28) possivelmente correspondente a toda a peça (28).