CN111443102A - 检测单个晶体结构中的异常的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测晶体学结构中的异常的方法，所述方法包括：在相对于所述晶体学取向的已知方向上利用x射线辐射对所述结构进行照明；对所述结构进行定位使得所述结构的晶体学取向是已知的；对透射穿过所述结构的衍射的所述x射线辐射的图案进行检测；基于相对于所述晶体学取向的所述已知方向来生成模拟的所述图案；将所检测图案与在所述已知方向上进行照明的x射线辐射的模拟图案进行比较；以及基于所述比较来检测所述晶体学结构中的所述异常。

Description

检测单个晶体结构中的异常的方法
背景技术
技术领域
本公开涉及检测单个晶体结构中的异常的方法、分析衍射信号的方法和用于检测金属合金的单个晶体结构中的缺陷的分析方法的用途。
相关技术的描述
飞行器引擎(诸如气体涡轮引擎)的部件可具有晶体学结构。例如，涡轮叶片可由具有晶体学结构的金属合金制成，具体地讲，可由具有单个晶体的金属合金制成。
分析晶体学结构以识别异常或缺陷。已知使用x射线衍射来检测亚表面晶体学结构。
US 9,939,393 B2和US 2018/0231478 A1公开了对航空航天部件中的晶体学特性的检测。获得第一光束图案的参考规格。插入该部件以进行分析。激活辐射源。获得第二光束图案。将第二光束图案与第一光束图案进行比较。确定偏差是否大于阈值。如果偏差大于阈值，则该部件例如被拒绝或修复。如果偏差不高于阈值，则将该部件投入使用。
已知的检查过程是劳动密集的。由于依赖操作员的技能和/或解释，因此已知的检查过程是主观的。
本公开的目的是提供更准确和/或更容易地检测单个晶体结构中的异常的方法。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种检测单个晶体结构中的异常的方法，该方法包括：在相对于晶体学取向的已知方向上利用x射线辐射对该结构进行照明；对所述结构进行定位使得所述结构的晶体学取向是已知的；对透射穿过所述结构的衍射的所述x射线辐射的图案进行检测；基于相对于所述晶体学取向的所述已知方向来生成模拟的所述图案；将所检测图案与在所述已知方向上进行照明的x射线辐射的模拟图案进行比较；以及基于所述比较来检测所述晶体学结构中的所述异常。
在布置结构中，定位步骤包括基于对结构的晶体学取向的测量来控制机器以控制结构的取向。可控制结构的取向，使得该结构相对于x射线辐射的晶格取向是已知的。因此，可控制结构的取向，使得该结构相对于x射线辐射的已知方向的晶格取向是已知的。
在布置结构中，该方法包括测量结构的晶体学取向。在布置结构中，使用劳厄背反射或空间分辨声音光谱学测量结构的晶体学取向。
在布置结构中，针对相对于晶体学取向的多个不同方向来执行照明步骤和检测步骤。在布置结构中，在每个照明步骤之前重新定位结构，以便控制相对于晶体学取向的方向。
在布置结构中，照明步骤的x射线辐射为源自x射线源的x射线光束。在布置结构中，照明步骤的x射线辐射由定位在x射线源的下游的准直器准直以提供x射线光束。
在布置结构中，根据埃瓦尔德构造来生成模拟图案。
在布置结构中，该方法包括：在比较步骤之前，通过应用基于全局噪声估计的滤波器、中值滤波器和高斯滤波器中的至少一者来减少所检测图案中的图像噪声。在布置结构中，该方法包括：在比较步骤之前，通过应用侵蚀、扩张和拉普拉斯滤波器中的至少一者来对所检测图案执行图像优化。
在布置结构中，晶体学结构为金属合金。在布置结构中，晶体学结构为航空航天部件。在布置结构中，晶体学结构为用于飞行器引擎的涡轮的叶片。
根据本公开的第二方面，提供了一种分析x射线衍射信号的方法，该方法包括：确定产生x射线衍射信号的x射线辐射相对于单个晶体结构的晶体学取向的照明方向；将所述x射线衍射信号与在所确定方向上进行照明的x射线辐射的模拟图案进行比较；以及基于所述比较来检测单个晶体结构中的异常。
根据本公开的第三方面，提供了一种用于检测金属合金的单个晶体结构中的缺陷的分析方法的用途，其中该分析方法根据第一方面或第二方面。
如本文其他地方所述，本公开可涉及气体涡轮引擎。此类气体涡轮引擎可包括引擎核心，该引擎核心包括涡轮、燃烧器、压缩机和将该涡轮连接到该压缩机的芯轴。此类气体涡轮引擎可包括位于引擎核心的上游的(具有风扇叶片的)风扇。
本公开的布置结构可以特别但并非排他地有益于经由齿轮箱驱动的风扇。因此，该气体涡轮引擎可包括齿轮箱，该齿轮箱接收来自芯轴的输入并将驱动输出至风扇，以便以比芯轴低的旋转速度来驱动风扇。至齿轮箱的输入可直接来自芯轴或者间接地来自芯轴，例如经由正齿轮轴和/或齿轮。芯轴可将涡轮和压缩机刚性地连接，使得涡轮和压缩机以相同的速度旋转(其中，风扇以更低的速度旋转)。
如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何合适的通用架构。例如，气体涡轮引擎可具有将涡轮和压缩机连接的任何所需数量的轴，例如一个轴、两个轴或三个轴。仅以举例的方式，连接到芯轴的涡轮可以是第一涡轮，连接到芯轴的压缩机可以是第一压缩机，并且芯轴可以是第一芯轴。该引擎核心还可包括第二涡轮、第二压缩机和将第二涡轮连接到第二压缩机的第二芯轴。该第二涡轮、第二压缩机和第二芯轴可被布置成以比第一芯轴高的旋转速度旋转。
在此类布置结构中，第二压缩机可轴向定位在第一压缩机的下游。该第二压缩机可被布置成(例如直接接收，例如经由大致环形的管道)从第一压缩机接收流。
齿轮箱可被布置成由被配置成(例如在使用中)以最低旋转速度旋转的芯轴(例如上述示例中的第一芯轴)来驱动。例如，该齿轮箱可被布置成仅由被配置成(例如在使用中)以最低旋转速度旋转的芯轴(例如，在上面的示例中，仅第一芯轴，而不是第二芯轴)来驱动。另选地，该齿轮箱可被布置成由任何一个或多个轴驱动，该任何一个或多个轴例如为上述示例中的第一轴和/或第二轴。
该齿轮箱可以是减速齿轮箱(因为风扇的输出比来自芯轴的输入的旋转速率低)。可以使用任何类型的齿轮箱。例如，齿轮箱可以是“行星式”或“恒星”齿轮箱，如本文别处更详细地描述。该齿轮箱可以具有任何期望的减速比(定义为输入轴的旋转速度除以输出轴的旋转速度)，例如大于2.5，例如在3到4.2、或3.2到3.8的范围内，例如，大约或至少3、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4、4.1或4.2。例如，齿轮传动比可以介于前一句中的任何两个值之间。仅以举例的方式，齿轮箱可以是“恒星”齿轮箱，其具有在3.1或3.2到3.8的范围内的齿轮传动比。在一些布置结构中，该齿轮传动比可在这些范围之外。
在如本文所述和/或所要求保护的任何气体涡轮引擎中，燃烧器可被轴向设置在风扇和一个或多个压缩机的下游。例如，在提供第二压缩机的情况下，燃烧器可直接位于第二压缩机的下游(例如在其出口处)。以另一个示例的方式，在提供第二涡轮的情况下，可将燃烧器出口处的流提供至第二涡轮的入口。该燃烧器可设置在一个或多个涡轮的上游。
该压缩机或每个压缩机(例如，如上所述的第一压缩机和第二压缩机)可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子轮叶，该排定子轮叶可为可变定子轮叶(因为该排定子轮叶的入射角可以是可变的)。该排转子叶片和该排定子轮叶可彼此轴向偏移。
该涡轮或每个涡轮(例如，如上所述的第一涡轮和第二涡轮)可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子轮叶。该排转子叶片和该排定子轮叶可彼此轴向偏移。
每个风扇叶片可被限定为具有径向跨度，该径向跨度从径向内部气体洗涤位置或0％跨度位置处的根部(或毂部)延伸到100％跨度位置处的尖端。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率可小于(或大约为)以下中的任何一个：0.4、0.39、0.38、0.37、0.36、0.35、0.34、0.33、0.32、0.31、0.3、0.29、0.28、0.27、0.26或0.25。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如，在0.28到0.32的范围内。这些比率通常可称为毂部-尖端比率。毂部处的半径和尖端处的半径都可以在叶片的前缘(或轴向最前)部分处测量。当然，毂部-尖端比率指的是风扇叶片的气体洗涤部分，即径向地在任何平台外部的部分。
可在引擎中心线和风扇叶片的前缘处的尖端之间测量该风扇的半径。风扇直径(可能只是风扇半径的两倍)可大于(或大约为)以下中的任何一个：220cm、230cm、240cm、250cm(约100英寸)、260cm、270cm(约105英寸)、280cm(约110英寸)、290cm(约115英寸)、300cm(约120英寸)、310cm、320cm(约125英寸)、330cm(约130英寸)、340cm(约135英寸)、350cm、360cm(约140英寸)、370cm(约145英寸)、380cm(约150英寸)、390cm(约155英寸)、400cm、410cm(约160英寸)或420cm(约165英寸)。风扇直径可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在240cm至280cm或330cm至380cm的范围内。
风扇的旋转速度可以在使用中变化。一般来讲，对于具有较大直径的风扇，旋转速度较低。仅以非限制性示例的方式，风扇在巡航条件下的旋转速度可小于2500rpm，例如小于2300rpm。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在220cm至300cm(例如240cm至280cm或250cm至270cm)范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1700rpm至2500rpm的范围内，例如在1800rpm至2300rpm的范围内，例如在1900rpm至2100rpm的范围内。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在330cm至380cm范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1200rpm至2000rpm的范围内，例如在1300rpm至1800rpm的范围内、例如在1400rpm至1800rpm的范围内。
在使用气体涡轮引擎时，(具有相关联的风扇叶片的)风扇围绕旋转轴线旋转。该旋转导致风扇叶片的尖端以速度U尖端移动。风扇叶片13对流所做的功导致流的焓升dH。风扇尖端负载可被定义为dH/U尖端 2，其中dH是跨风扇的焓升(例如1-D平均焓升)，并且U尖端是风扇尖端的(平移)速度，例如在尖端的前缘处(可被定义为前缘处的风扇尖端半径乘以角速度)。巡航条件下的风扇尖端负载可大于(或大约为)以下中的任何一者：0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39或0.4(所有值都是无量纲的)。风扇尖端负载可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在0.28至0.31或0.29至0.3的范围内。
根据本公开的气体涡轮引擎可具有任何期望的旁路比率，其中该旁路比率被定义为在巡航条件下穿过旁路管道的流的质量流率与穿过核心的流的质量流率的比率。在一些布置结构中，该旁路比率可大于(或大约为)以下中的任何一个：10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5、17、17.5、18、18.5、19、19.5或20。该旁路比率可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在12至16的范围、或13至15的范围、或13至14的范围内。该旁路管道可以是基本上环形的。该旁路管道可位于核心引擎的径向外侧。旁路管道的径向外表面可以由短舱和/或风扇壳体限定。
本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎的总压力比可被定义为风扇上游的滞止压力与最高压力压缩机出口处的滞止压力(进入燃烧器之前)之比。以非限制性示例的方式，如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎在巡航时的总压力比可大于(或大约为)以下中的任何一个：35、40、45、50、55、60、65、70、75。总压力比可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在50至70的范围内。
引擎的比推力可被定义为引擎的净推力除以穿过引擎的总质量流量。在巡航条件下，本文中描述和/或要求保护的引擎的比推力可小于(或大约为)以下中的任何一个：110Nkg-1s、105Nkg-1s、100Nkg-1s、95Nkg-1s、90Nkg-1s、85Nkg-1s或80Nkg-1s。该比推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在80Nkg-1s至100Nkg-1s，或85Nkg-1s至95Nkg-1s的范围内。与传统的气体涡轮引擎相比，此类引擎可能特别高效。
如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何期望的最大推力。仅以非限制性示例的方式，如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮可产生至少为(或大约为)以下中的任何一个的最大推力：160kN、170kN、180kN、190kN、200kN、250kN、300kN、350kN、400kN、450kN、500kN或550kN。最大推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。仅以举例的方式，如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮可能够产生在330kN至420kN，例如350kN至400kN范围内的最大推力。上面提到的推力可为在标准大气条件下、在海平面处、加上15℃(环境压力101.3kPa，温度30℃)、引擎静止时的最大净推力。
在使用中，高压涡轮的入口处的流的温度可能特别高。该温度，可被称为TET，可在燃烧器的出口处测量，例如紧接在自身可被称为喷嘴导向轮叶的第一涡轮轮叶的上游。在巡航时，该TET可至少为(或大约为)以下中的任何一个：1400K、1450K、1500K、1550K、1600K或1650K。巡航时的TET可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。引擎在使用时的最大TET可以是，例如，至少为(或大约为)以下中的任何一个：1700K、1750K、1800K、1850K、1900K、1950K或2000K。最大TET可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在1800K至1950K的范围内。可以例如在高推力条件下发生最大TET，例如在最大起飞(MTO)条件下发生最大TET。
本文中描述和/或要求保护的风扇叶片和/或风扇叶片的翼面部分可由任何合适的材料或材料组合来制造。例如，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可至少部分地由复合材料来制造，该复合材料为例如金属基质复合材料和/或有机基质复合材料，诸如碳纤维。以另外的示例的方式，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可以至少部分地由金属来制造，该金属为诸如基于钛的金属或基于铝的材料(诸如铝锂合金)或基于钢的材料。风扇叶片可包括使用不同材料制造的至少两个区域。例如，风扇叶片可具有保护性前缘，该保护性前缘可使用比叶片的其余部分更好地抵抗(例如，来自鸟类、冰或其他材料的)冲击的材料来制造。此类前缘可以例如使用钛或基于钛的合金来制造。因此，仅以举例的方式，该风扇叶片可具有碳纤维或具有带钛前缘的基于铝的主体(诸如铝锂合金)。
如本文所述和/或所要求保护的风扇可包括中央部分，风扇叶片可从该中央部分例如在径向上延伸。该风扇叶片可以任何期望的方式附接到中央部分。例如，每个风扇叶片可包括固定件，该固定件可与毂部(或盘状部)中的对应狭槽接合。仅以举例的方式，此类固定件可以是燕尾形式的，其可以插入和/或接合毂部/盘状部中对应的狭槽，以便将风扇叶片固定到毂部/盘状部。以另外的示例的方式，该风扇叶片可与中央部分一体地形成。此类布置结构可以称为叶片盘状部或叶片环。可以使用任何合适的方法来制造此类叶片盘状部或叶片环。例如，风扇叶片的至少一部分可由块状物来加工而成，以及/或者风扇叶片的至少部分可通过焊接(诸如线性摩擦焊接)来附接到毂部/盘状部。
本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎可能或可能不设有可变面积喷嘴(VAN)。此类可变面积喷嘴可允许旁路管道的出口面积在使用中变化。本公开的一般原理可应用于具有或不具有VAN的引擎。
如本文所述和/或要求保护的气体涡轮的风扇可具有任何期望数量的风扇叶片，例如14、16、18、20、22、24或26个风扇叶片。
如本文所用，巡航条件具有常规含义并且将易于被技术人员理解。因此，对于飞行器的给定气体涡轮引擎，技术人员将立即识别巡航条件是指该气体涡轮引擎被设计用于附接到飞行器的引擎在给定任务(其在行业中可被称为“经济任务”)的中间巡航的操作点。就这一点而言，中间巡航是飞行器飞行周期中的关键点，在该点处，在上升最高点和开始降落之间燃烧的总燃料的50％已燃烧(其在时间和/或距离方面可近似于上升最高点和开始降落之间的中点。因此，巡航条件定义气体涡轮引擎的操作点，该操作点在考虑提供给气体涡轮引擎被设计用于附接到的飞行器的引擎数量的情况下，提供将确保该飞行器在中间巡航时的稳态操作(即，保持恒定的高度和恒定的马赫数)的推力。例如，如果引擎被设计为附接到具有两个相同类型的引擎的飞行器上，则在巡航条件下，引擎提供该飞行器在中间巡航时稳态运行所需的总推力的一半。
换句话讲，对于飞行器的给定气体涡轮引擎，巡航条件被定义为在中间巡航大气条件(在中间巡航高度下由根据ISO 2533的国际标准大气定义)下提供指定推力的引擎的操作点(需要在给定中间巡航马赫数下，与飞行器上的任何其他引擎相结合，提供气体涡轮引擎被设计用于附接到的飞行器的稳态操作)。对于飞行器的任何给定气体涡轮引擎而言，中间巡航推力、大气条件和马赫数是已知的，因此在巡航条件下，引擎的操作点是明确定义的。
仅以举例的方式，巡航条件下的前进速度可为从0.7马赫至0.9马赫的范围内的任何点，例如0.75至0.85、例如0.76至0.84、例如0.77至0.83、例如0.78至0.82、例如0.79至0.81、例如大约0.8马赫、大约0.85马赫或0.8至0.85的范围内。这些范围内的任何单一速度可以是巡航条件的一部分。对于某些飞行器，巡航条件可能超出这些范围，例如低于0.7马赫或高于0.9马赫。
仅以举例的方式，巡航条件可对应于在以下范围内的高度处的标准大气条件(根据国际标准大气ISA)：10000m至15000m，例如在10000m至12000m的范围内、例如在10400m至11600m(约38000英尺)的范围内、例如在10500m至11500m的范围内、例如在10600m至11400m的范围内、例如在10700m(约35000英尺)至11300m的范围内、例如在10800m至11200m的范围内、例如在10900m至11100m的范围内、例如大约11000m。巡航条件可对应于这些范围内的任何给定高度处的标准大气条件。
仅以举例的方式，巡航条件可对应于提供在前向马赫数0.8下的已知的所需推力水平(例如，在30kN至35kN的范围内的值)和在38000ft(11582m)的高度下的标准大气条件(根据国际标准大气)的引擎的操作点。仅以另一个示例的方式，巡航条件可对应于提供在前向马赫数0.85下的已知的所需推力水平(例如，在50kN到65kN范围内的值)和在35000ft(10668m)的高度下的标准大气条件(根据国际标准大气)的引擎的操作点。
在使用中，本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎可在本文别处定义的巡航条件下操作。此类巡航条件可通过飞行器的巡航条件(例如，巡航中期条件)来确定，至少一个(例如2个或4个)气体涡轮引擎可以安装在该飞行器上以提供推进推力。
根据一个方面，提供了一种飞行器，该飞行器包括如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮引擎。根据该方面的飞行器为气体涡轮引擎已被设计用于附接到的飞行器。因此，根据该方面的巡航条件对应于飞行器的中间巡航，如本文其他部分所定义的。
根据一个方面，提供了一种操作如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮引擎的方法。该操作可在如本文其他部分所定义的巡航条件(例如，就推力、大气条件和马赫数而言)下进行。
根据一个方面，提供了一种操作包括如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮引擎的飞行器的方法。根据该方面的操作可包括(或可以是)在飞行器的中间巡航处的操作，如本文其他部分所定义的。
本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征或参数可应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征或参数可应用于任一个方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征或参数组合。
附图说明
现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：
图1是气体涡轮引擎的截面侧视图；
图2是气体涡轮引擎的上游部分的特写截面侧视图；
图3是用于气体涡轮引擎的齿轮箱的局部剖视图；
图4示意性地示出了用于执行检测晶体学结构中的异常的方法的系统的配置；并且，
图5是示出检测晶体学结构中的异常的方法中的步骤的流程图。
具体实施方式
图1示出了具有主旋转轴线9的气体涡轮引擎10。引擎10包括进气口12和推进式风扇23，该推进式风扇生成两股气流：核心气流A和旁路气流B。气体涡轮引擎10包括接收核心气流A的核心11。引擎核心11以轴流式串联包括低压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮17、低压涡轮19和核心排气喷嘴20。短舱21围绕气体涡轮引擎10并限定旁路管道22和旁路排气喷嘴18。旁路气流B流过旁路管道22。风扇23经由轴26和周转齿轮箱30附接到低压涡轮19并由该低压涡轮驱动。
在使用中，核心气流A由低压压缩机14加速和压缩，并被引导至高压压缩机15中以进行进一步的压缩。从高压压缩机15排出的压缩空气被引导至燃烧设备16中，在该燃烧设备中压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴20排出之前通过高压涡轮和低压涡轮17、19膨胀，从而驱动高压涡轮和低压涡轮17、19以提供一些推进推力。高压涡轮17通过合适的互连轴27来驱动高压压缩机15。风扇23通常提供大部分推进推力。周转齿轮箱30是减速齿轮箱。
图2中示出了齿轮传动风扇气体涡轮引擎10的示例性布置结构。低压涡轮19(参见图1)驱动轴26，该轴26联接到周转齿轮布置结构30的太阳轮或太阳齿轮28。在太阳齿轮28的径向向外处并与该太阳齿轮相互啮合的是多个行星齿轮32，该多个行星齿轮通过行星架34联接在一起。行星架34约束行星齿轮32以同步地围绕太阳齿轮28进动，同时使每个行星齿轮32绕其自身轴线旋转。行星架34经由连杆36联接到风扇23，以便驱动该风扇围绕引擎轴线9旋转。在行星齿轮32的径向向外处并与该行星齿轮相互啮合的是齿圈或环形齿轮38，其经由连杆40联接到固定支撑结构24。
需注意，本文中使用的术语“低压涡轮”和“低压压缩机”可分别表示最低压力涡轮级和最低压力压缩机级(即，不包括风扇23)，和/或通过在引擎中具有最低旋转速度的互连轴26(即，不包括驱动风扇23的齿轮箱输出轴)连接在一起的涡轮级和压缩机级。在一些文献中，本文中提到的“低压涡轮”和“低压压缩机”可被另选地称为“中压涡轮”和“中压压缩机”。在使用此类另选命名的情况下，风扇23可被称为第一或最低压力的压缩级。
在图3中以举例的方式更详细地示出了周转齿轮箱30。太阳齿轮28、行星齿轮32和环形齿轮38中的每一者包括围绕其周边以用于与其他齿轮相互啮合的齿。然而，为清楚起见，图3中仅示出了齿的示例性部分。示出了四个行星齿轮32，但是对本领域的技术人员显而易见的是，可以在要求保护的发明的范围内提供更多或更少的行星齿轮32。行星式周转齿轮箱30的实际应用通常包括至少三个行星齿轮32。
在图2和图3中以举例的方式示出的周转齿轮箱30是行星式的，其中行星架34经由连杆36联接到输出轴，其中环形齿轮38被固定。然而，可使用任何其他合适类型的周转齿轮箱30。以另一个示例的方式，周转齿轮箱30可以是恒星布置结构，其中行星架34保持固定，允许环形齿轮(或齿圈)38旋转。在此类布置结构中，风扇23由环形齿轮38驱动。以另一个另选示例的方式，齿轮箱30可以是差速齿轮箱，其中环形齿轮38和行星架34均被允许旋转。
应当理解，图2和图3中所示的布置结构仅是示例性的，并且各种另选方案都在本公开的范围内。仅以举例的方式，可使用任何合适的布置结构来将齿轮箱30定位在引擎10中和/或用于将齿轮箱30连接到引擎10。以另一个示例的方式，齿轮箱30与引擎10的其他部件(诸如输入轴26、输出轴和固定结构24)之间的连接件(诸如图2示例中的连杆36、40)可具有任何期望程度的刚度或柔性。以另一个示例的方式，可使用引擎的旋转部件和固定部件之间(例如，在来自齿轮箱的输入轴和输出轴与固定结构诸如齿轮箱壳体之间)的轴承的任何合适的布置结构，并且本公开不限于图2的示例性布置结构。例如，在齿轮箱30具有恒星布置结构(如上所述)的情况下，技术人员将容易理解，输出连杆和支撑连杆以及轴承位置的布置结构通常不同于图2中以举例的方式示出的布置结构。
因此，本公开延伸到具有齿轮箱类型(例如恒星或行星齿轮)、支撑结构、输入和输出轴布置结构以及轴承位置中的任何布置结构的气体涡轮引擎。
可选地，齿轮箱可驱动附加的和/或另选的部件(例如，中压压缩机和/或增压压缩机)。
本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选配置。例如，此类引擎可具有另选数量的压缩机和/或涡轮和/或另选数量的互连轴。以另外的示例的方式，图1中所示的气体涡轮引擎具有分流喷嘴18、20，这意味着穿过旁路管道22的流具有自己的喷嘴18，该喷嘴与核心引擎喷嘴20分开并径向地在该核心引擎喷嘴的外部。然而，这不是限制性的，并且本公开的任一个方面也可应用于如下引擎，在该引擎中，穿过旁路管道22的流和穿过核心11的流在可被称为混流喷嘴的单个喷嘴之前(或上游)混合或组合。一个或两个喷嘴(无论是混合的还是分流的)可具有固定的或可变的面积。虽然所描述的示例涉及涡轮风扇引擎，但是本公开可应用于例如任何类型的气体涡轮引擎，诸如开放式转子(其中风扇级未被短舱围绕)或例如涡轮螺旋桨引擎。在一些布置结构中，气体涡轮引擎10可不包括齿轮箱30。
气体涡轮引擎10的几何形状及其部件由传统的轴系限定，包括轴向(与旋转轴线9对准)、径向(在图1中从下到上的方向)和周向(垂直于图1视图中的页面)。轴向、径向和周向相互垂直。
气体涡轮引擎10的部件可具有单个晶体结构。例如，部件可由金属合金诸如镍合金(例如镍超合金)、铝合金或钛合金制成。金属合金可具有单个晶体结构。下文将在高压涡轮17的叶片50的上下文中描述本公开。然而，本公开并不限于在涡轮叶片的上下文中使用，但是可应用于其他部件，特别是可具有晶体学结构的其他航空航天部件。另一个此类部件的示例是喷嘴导向轮叶。
涡轮叶片50被制成具有晶体学结构。对涡轮叶片50进行测试以确定该涡轮叶片例如是否可投入使用，或是否需要进行修复或移除。具体地讲，如果在晶体学结构中存在太多或太严重的异常，则可能需要对该晶体学结构进行修复或移除。如果该晶体学结构具有低于阈值的缺陷，则可将该晶体学结构投入使用。
图4示意性地示出了用于测试涡轮叶片50的系统的配置。具体地讲，图4示出的系统可在检测晶体学结构(例如，涡轮叶片50的晶体学结构)中的异常的方法中使用。本公开不限于如图4所示配置的系统。
如图4所示，在布置结构中，该系统包括源41。源41为用于生成x射线辐射的辐射源。x射线辐射可具有在0.01nm至10nm的范围内的波长。源41的类型没有特别限制。仅作为示例，源41可以是具有4mm焦点的300kV、15mA的恒定电位x射线管。
如图4所示，在布置结构中，该系统包括准直器42。准直器42可相对于源41固定。准直器42定位在源41的下游。准直器42被配置成准直由源41输出的x射线辐射。准直器的类型没有特别限制。仅作为示例，准直器42可以是具有0.75mm直径孔口的铅准直器。在布置结构中，使用三个调节器螺栓将准直器42固定在适当的位置，以使得能够准确地对准到源41的焦点上，然后将该准直器锁定在适当的位置。准直器42允许准确地控制x射线辐射的方向。
组合地，源41和准直器42被配置成生成方向得以良好控制的高能x射线光束43。如图4所示，高能x射线光束43被引导到涡轮叶片50。x射线光束43入射在涡轮叶片50上。
如图4所示，在布置结构中，该系统包括固定装置44。固定装置44被配置成将涡轮叶片50保持在适当的位置。在布置结构中，涡轮叶片(或其他样本材料)被夹紧到固定装置44中。
尽管在图4中未示出，但是在布置结构中，固定装置44定位在可旋转台上。可旋转台被配置成围绕多个轴线旋转，以便允许准确地对准涡轮叶片50。可相对于x射线光束43的方向准确地控制涡轮叶片50的位置和取向。
如图4所示，在涡轮叶片50的下游存在透射光束46和多个衍射光束45。透射光束46为已透射穿过涡轮叶片50所定位的区域的x射线辐射。透射光束46具有与由源41和准直器42生成的高能x射线光束43基本上相同的方向。衍射光束45相对于高能x射线光束43以不同角度从涡轮叶片50行进。
如图4所示，在布置结构中，该系统包括检测器47。检测器47被配置成检测衍射光束45。检测器47被配置成捕获衍射图像。检测器47被配置成检测衍射光束45的图案，即x射线衍射信号。在布置结构中，该系统包括在检测器47上的光束截捕器(在图4中未示出)。光束截捕器被配置成对入射在检测器47上的透射光束进行衰减。
检测器的类型没有特别限制。仅作为示例，在布置结构中，检测器47是尺寸为200mm×200mm的平板。在布置结构中，检测器47相对于源41和/或准直器42固定在适当的位置。例如，源41、准直器42和检测器47可安装到相同的框架上。该框架可为例如铝滑轨。通过提供滑轨，检测器47可移动得更靠近或更远离源41和准直器42。
在布置结构中，该系统包括用于控制涡轮叶片50的移动并且在扫描过程期间记录衍射图像的软件。
在布置结构中，该系统包括用于获取从扫描生成的图像的分析软件。该分析软件被配置成处理和解释这些图像以允许作出判决决定。该判决决定是关于应该如何处理涡轮叶片50的决定，例如，是可将该涡轮叶片投入使用还是进行修复或移除。
图5是示出检测晶体学结构中的异常的方法中的步骤的流程图。该方法的步骤中的一些步骤可使用图4示出的系统来执行。
如图5所示，在布置结构中，该方法包括对结构(例如涡轮叶片50)进行定位S6，使得该结构的晶体学取向是已知的。叶片50被取向为如操作员所理解或通过经由背反射对晶体取向的先前测量所理解的已知取向。具体地讲，控制结构(例如涡轮叶片50)的取向，使得该结构相对于来自源41和准直器42的x射线光束43的晶格取向是已知的。因此，控制结构(例如涡轮叶片50)的取向，使得该结构相对于x射线辐射的已知方向的晶格取向是已知的。因此，将部件(例如涡轮叶片50)移动到已知取向上。涡轮叶片50可使用由软件控制的固定装置44来移动。
如图5所示，在布置结构中，该方法包括：在相对于晶体学取向的已知方向上利用x射线辐射对结构进行照明S2、S7，并且检测S7透射穿过涡轮叶片50的衍射x射线辐射的图案。从相对于涡轮叶片50的晶体学取向控制的方向利用高能x射线光束43对涡轮叶片50进行照明。由检测器47检测衍射透射光束45的图案。这产生x射线衍射信号。
如图5所示，在布置结构中，该方法包括将所检测图案与在已知方向(即相对于晶体学取向的已知方向)上对涡轮叶片50进行照明的x射线辐射的模拟图案进行比较S11。该比较用于确定跨涡轮叶片的区域的实际检测图案与模拟图案之间的任何差异。在布置结构中，该方法包括基于该比较来检测晶体学结构中的异常。异常或缺陷显示为在所检测衍射图案与模拟之间的差异。如果涡轮叶片50的晶体学结构没有缺陷或异常，则该模拟是将可预期的衍射图案。
根据本公开，入射x射线光束43与涡轮叶片50的已知晶体学轴线对准。这允许生成准确的图案模拟以进行比较。这还使得选择最佳成像条件变得更容易。
对特定的感兴趣区域进行图像捕获。模拟图案(例如自动)匹配并且覆盖在每个记录的衍射图案上。在布置结构中，使用初级晶体的初始图案来匹配模拟图案，然后将该模拟图案在扫描上进行匹配并且用于比较。这使得能够识别与晶体学结构的初级晶粒相关联的衍射点。因此，不需要用于产生参考图像的参考光束。使用模拟(而不是参考光束)还允许将该方法应用于复杂的部件几何形状。当与使用参考光束图案相比时，使用模拟增加对不可接受的晶粒缺陷的检测概率。在已知系统中，需要参考光束图案(而不是模拟)，因为涡轮叶片50的晶体学结构相对于高能x射线光束43的取向是不受控制的。
本公开的布置结构是期望使得能够对在涡轮叶片内更复杂的冷却布置结构进行检查。
在布置结构中，定位步骤S6包括基于对结构的晶体学取向的测量来控制机器(例如固定装置44)以控制结构(例如涡轮叶片50)的取向。控制固定装置44的软件可接收指示涡轮叶片50的所测量晶体学取向的数据作为输入。具体地讲，如图5所示，在布置结构中，该方法包括将取向测量结果转化为机器移动的步骤S5。在布置结构中，根据第一原理计算出测量角度的数学转化。
如图5所示，在布置结构中，该方法包括测量涡轮叶片50的晶体学取向S3。然而，该方法不必包括测量晶体学取向的步骤。例如，先前可能已测量了取向，在这种情况下，可使用来自先前测量的数据(而不是执行进一步的取向测量)。
在布置结构中，使用劳厄背反射测量涡轮叶片50的晶体学取向。劳厄背反射是用于评估例如单个晶体涡轮叶片中的初级晶粒取向和晶粒取向错位的生产技术。劳厄背反射是多级检查过程。
在布置结构中，劳厄背反射技术包括将涡轮叶片50装载到固定装置44(或其他机器)中、捕获涡轮叶片50的图像、覆盖模拟图案、手动(或自动)将模拟与所捕获图像对准以及计算结果(可自动完成计算结果)。
劳厄背反射或另选的取向测量技术提供取向测量结果S4。本公开不限于使用劳厄背反射来确定取向。例如，可使用空间分辨声音光谱学(SRAS)。然后可使用取向测量结果S4来通过固定装置44控制对涡轮叶片50的取向的改变。
如图5所示，在布置结构中，该方法包括装载涡轮叶片50以用于检查S1。涡轮叶片50可被装载到固定装置44中。在布置结构中，该方法包括激活x射线源41S2。通过激活源41，高能x射线光束43被引导朝向涡轮叶片50。当然，如果已装载了涡轮叶片50和/或已激活了x射线源41，则这些步骤可能是不必要的。
通过执行对涡轮叶片进行照明和检测衍射x射线辐射的图案的步骤，完成部件扫描。在布置结构中，针对相对于晶体学取向的(高能x射线光束43的)多个不同方向来执行照明步骤和检测步骤。如图5所示，扫描可以是在多个取向上重复的扫描。通过在多个取向上执行扫描，可能提供晶体学结构的3D位置信息和/或3D尺寸信息(以及晶体学结构中的任何异常或缺陷)。
然而，在多个取向上重复扫描是不必要的。例如，在布置结构中，扫描可以是2D区域/线扫描。在这种情况下，可能仅需要一个取向。
如图5所示，在布置结构中，在每个照明步骤之前重新定位涡轮叶片50，以便控制相对于晶体学取向的方向。在每次重复扫描之间，将部件移动到新的已知取向上。因此，可通过控制涡轮叶片50相对于x射线光束43的取向以用于不同扫描来获得提供3D位置/尺寸信息所需的数据。
如图5所示，步骤S1至S7可在机器(即，在图4中示出的装置)中执行。后续的处理步骤可在外部执行，即远离机器执行。另选地，步骤S1至S7和后续的处理步骤在一台机器中执行。例如，第二检测器可被布置成捕获反射光束以允许取向测量S3并且提供取向测量结果S4。
对涡轮叶片50执行的扫描的结果为原始图像(即，对应于x射线衍射信号的衍射图案)的数据集S8。
如图5所示，在布置结构中，该方法包括减少所检测图案中的图像噪声S9。图像降噪可通过应用一个或多个噪声滤波器来实现。此类噪声滤波器可基于例如全局噪声估计。在布置结构中，使用中值滤波和/或高斯滤波来减少图像噪声。
如图5所示，在布置结构中，该方法包括对所检测图案进行图像优化S9。可通过应用侵蚀和扩张技术来实现图像优化。图像优化可通过使用拉普拉斯滤波和/或结构化元件来实现。此类图像优化可有助于在图像的自适应阈值化之前增强衍射点特征。降噪和/或图像优化为可选的。
如图5所示，在布置结构中，该方法包括基于相对于晶体学取向的已知方向生成模拟图案S10。对晶体学取向的了解允许准确地生成模拟。
在布置结构中，根据埃瓦尔德构造来生成模拟图案。可使用另选的方法来生成模拟图案。埃瓦尔德构造为允许计算晶体衍射图案的几何构造。埃瓦尔德构造基于布拉格定律在倒易晶格空间中的应用。当然，除了埃瓦尔德构造之外，可使用其他模拟技术。如果先前已生成了适当的模拟，则可能不必执行生成模拟的步骤。例如，在这种情况下，可使用存储的模拟。
如图5所示，在布置结构中，相对于所检测图案覆盖模拟图案S11。这允许识别涡轮叶片50的晶体学结构中的异常或缺陷。将所捕获图像直接与模拟图案进行比较。这有助于确保能够考虑可见衍射点的变化(例如，由于影响衍射对比度的材料厚度或其他材料特性)。这增加识别缺陷的准确性。
在布置结构中，使用通过连接部件分析进行编号的自适应阈值化行为对图像进行阈值化。然后对照模拟图案点位置检查所检测点位置以检测是否存在异常衍射点，从而检测晶体学缺陷。具体地讲，衍射图像经历阈值化程序以检测图像中的点。然后使用连接部件算法对这些点进行编号，其中在扫描上的每个图像中的数字是一致的(然后将这些点位置与来自模拟图案的预期点位置(在模拟图案中，使用阈值来确定这些点位置是否为预期的)进行比较)。
在布置结构中，一个或多个神经网络被配置成执行分段。具体地讲，所述一个或多个神经网络可被配置成分析图像并且输出阈值掩模，其中所检测点位置可与模拟图案点位置进行比较。
在布置结构中，该方法包括阈值和识别缺陷/位置S12。可确定晶体学结构中的缺陷的水平是否高于阈值。可识别在涡轮叶片50的晶体学结构内的缺陷的位置，以便有助于确定缺陷的严重性。
在布置结构中，该方法包括测量晶体学结构的晶粒取向错位(RVal)S13。这有助于确定应如何处理涡轮叶片50。这为可选的测量。可使用分析软件来执行该测量。
如图5所示，在布置结构中，该方法包括判决S14涡轮叶片50。例如，可确定涡轮叶片50良好，在这种情况下，涡轮叶片50可投入使用。判决S14的结果可以是涡轮叶片损坏。该确定可导致涡轮叶片50被发送去修复或被拒绝(即移除)。在布置结构中，判决S14是完全自动化的。另选地，可由操作员协助判决S14。
如上所述，识别衍射点。衍射点可对应于涡轮叶片50的晶体学结构中的缺陷或异常。在布置结构中，该方法包括对所检测的衍射点进行标记。通过对衍射点进行标记，可能在感兴趣的扫描区域上跟踪记录的衍射图案上的点。这有助于识别不与初级晶体相关联的衍射点，使得可识别晶体结构中的异常。
在布置结构中，该方法包括补偿图案失真效应。此类图案失真效应可包括伸长、扭转和光束分离。在布置结构中，在点标记程序期间进行对图案失真效应的补偿。这有助于允许在限定的扫描区域上清楚地跟踪标记点。
本公开提供了可能够可靠地应用于复杂的几何形状的技术。针对使用参考光束而不是模拟的技术而言，这并不那么容易。涡轮叶片50被定位成使得该涡轮叶片的晶体学取向相对于x射线光束43是已知的事实使得更容易准确地生成模拟。
本公开允许在2D或3D空间中映射结果。这有助于更准确地定位和评估缺陷或异常。本公开允许测量次级晶粒取向错位。
根据本公开，不必在检查之前准备表面。这与已知技术有所不同。
应当理解，本公开不限于上述实施方案，并且在不脱离本文所述的概念的情况下可以进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (15)

1.一种检测晶体学结构(50)中的异常的方法，所述方法包括：
在相对于晶体学取向的已知方向上利用x射线辐射对所述结构进行照明；
对所述结构进行定位使得所述结构的晶体学取向是已知的；
对透射穿过所述结构的衍射的所述x射线辐射的图案进行检测；
基于相对于所述晶体学取向的所述已知方向来生成模拟的所述图案；
将所检测图案与在所述已知方向上进行照明的x射线辐射的模拟图案进行比较；并且，
基于所述比较来检测所述晶体学结构中的所述异常。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述定位步骤包括基于对所述结构的所述晶体学取向的测量来控制机器以控制所述结构的所述取向。
3.根据权利要求1所述的方法，包括：
测量所述结构的所述晶体学取向。
4.根据权利要求3所述的方法，其中使用劳厄背反射或空间分辨声音光谱学测量所述结构的所述晶体学取向。
5.根据权利要求1所述的方法，其中针对相对于所述晶体学取向的多个不同方向来执行所述照明步骤和所述检测步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在每个照明步骤之前重新定位所述结构，以便控制相对于所述晶体学取向的所述方向。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述照明步骤的所述x射线辐射为源自x射线源的x射线光束。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述照明步骤的所述x射线辐射由定位在所述x射线源的下游的准直器准直以提供所述x射线光束。
9.根据权利要求1所述的方法，其中根据埃瓦尔德构造来生成所述模拟图案。
10.根据权利要求1所述的方法，包括：
在所述比较步骤之前，通过应用基于全局噪声估计的滤波器、中值滤波器和高斯滤波器中的至少一者来减少所检测图案中的图像噪声；以及
在所述比较步骤之前，通过应用侵蚀、扩张和拉普拉斯滤波器中的至少一者来对所检测图案执行图像优化。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述晶体学结构为金属合金。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述晶体学结构为航空航天部件。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述晶体学结构为用于飞行器引擎的涡轮的叶片(50)。
14.一种分析x射线衍射信号的方法，所述方法包括：
确定产生所述x射线衍射信号的x射线辐射相对于单个晶体结构的晶体学取向的照明方向；
将所述x射线衍射信号与在所确定方向上进行照明的x射线辐射的模拟图案进行比较；以及
基于所述比较来检测所述单个晶体结构中的异常。
15.一种用于检测金属合金的所述单个晶体结构中的缺陷的分析方法的用途，其中所述分析方法根据权利要求1或权利要求14所述。
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