JP4504117B2 - 欠陥の深さを判定する方法 - Google Patents

Description

本出願は一般に材料における疲労割れの検出に関し、特に、ガスタービン部品における疲労割れを検出する方法に関する。

航空機に誘導される振動応力、機械的応力及び熱応力は、多様な部品に疲労割れを発生させると考えられる。特に、周期的応力にさらされる部品には、低サイクル疲労（ＬＣＦ）割れが発生するであろう。時間の経過につれて、疲労割れを伴う部品の継続動作は部品内で亀裂を進行させ、部品の故障をもたらす。亀裂の成長における早期の段階で亀裂を検出することは、部品の故障を減らすために好都合であろう。

エンジン又は機体の故障を引き起こす可能性がある疲労割れ又は他の欠陥を求めて部品を検査するための少なくともいくつかの周知の非破壊評価（ＮＤＥ）方法は、例えば、表面波超音波試験、渦電流試験及び蛍光浸透検査（ＦＰＩ）を含む。一般に、周知のＮＤＥ方法は、いずれも、単独でＬＣＦ亀裂を十分な信頼性をもって、適用しやすく且つ環境、健康及び安全（ＥＨＳ）面の懸念も少なく検出することが可能であるとは考えられていない。特に、部品によっては、その特異な幾何学的配置によって、利用できる評価技法が限られてしまい、少なくともいくつかの周知の方法は検査されるべき部品の表面上の汚染物質、あるいは亀裂又は欠陥の内部の汚染物質によって誤差又は偽標示を発生しやすい。更に、少なくともいくつかの周知のＮＤＥ方法は、部品の故障にはつながらない表面の凹凸や、他の表面異常から誤って欠陥を指示するおそれがある。特に、被覆膜のひび割れは、少なくともいくつかの周知のＮＤＥ方法を使用した場合に多様な偽標示を発生させるであろう。

ＥＨＳの懸念を増大させることなく、正確で、より信頼できる結果を容易に得られるようにするために、少なくともいくつかの部品は赤外線ＮＤＥ方法を使用して検査されている。赤外線ＮＤＥ方法は、全ての物質が絶えず電磁放射を吸収し、放出するという前提に基づいて動作する。物質内部における帯電粒子の連続運動の結果、電磁放射は放出される。特に、帯電粒子の運動は温度の上昇に伴って増加し、それに対応して、材料からの放射の連続放出も増加する。通常、亀裂及び欠陥は部品の他の領域より多くの放射を吸収し、その結果、亀裂はその欠陥を取り囲んでいる相対的に平坦で、滑らかな表面領域と比較して高い放射率とラジアンスを有する。
米国特許第４３４５４５７号

しかし、そのようなＮＤＥ技法は故障をもたらす可能性がある欠陥と、さほど重大ではない他のわずかな表面異常とを識別することができないであろう。

１つの面においては、部品表面まで達する亀裂を検出する方法が提供される。方法は、検査されるべき部品の表面を少なくとも１つの赤外線放射検出器の光路内に位置決めすることと、部品表面に存在する欠陥からのラジアンスの増加を発生させるために、電磁放射を使用して部品表面を加熱することと、少なくとも１つの赤外線放射検出器を使用して、部品表面の複数の所定の場所で表面放射照度が測定されるように、部品表面内部の温度変化を検出することとを含む。方法は、赤外線放射検出器により受信された放射過渡応答データを解析することにより、部品の亀裂を検出することと、検出された亀裂の深さを判定するために、温度変化を放射過渡応答データと相関することとを更に含む。

別の面においては、部品における亀裂の深さを判定する方法が提供される。方法は、検出されるべき部品の表面を少なくとも１つの赤外線放射検出器の光路内に、光路が部品表面と平行な平面に対してほぼ垂直になるように位置決めすることと、部品表面に存在する欠陥からのラジアンスの増加を発生させるために、電磁放射を使用して、部品表面に対してほぼ垂直に熱が部品に加えられるように部品表面を加熱することと、少なくとも１つの赤外線放射検出器を使用して、部品表面に沿った複数の所定の場所で表面放射照度が測定されるように、部品表面内部の温度変化を検出することとを含む。方法は、赤外線放射検出器により受信された放射過渡応答データを解析することにより、部品の亀裂を検出することと、検出された亀裂の深さを判定するために、温度変化を放射過渡応答データと相関することとを更に含む。

図１は、部品１０にある亀裂又は欠陥、及びそれと関連する亀裂又は欠陥の深さを検出するために使用できる非破壊評価試験システム８の一例の概略図である。図２は、検査されるべき部品１０の一部の赤外線ビデオ画像１２の一例を示す図である。図３は、所定の一様な温度で、図２に示される赤外線ビデオ画像１２に表示される部品１０の一部から放出されたラジアンスのグラフ１４の一例を示す図である。図４は、以下に更に詳細に説明するように、走査中に赤外線ビデオ画像１２に表示される部品１０の一部から放出されたラジアンスのグラフ１６の一例を示す図である。この実施例では、部品１０はタービンエンジン部品などの航空機の部品であるが、これに限定されない。部品１０は、検査のために、部品１０が少なくとも１つの検出器２６の光路２４内又は視野内に位置決めされるように固定器具２２に固着されている。この実施例においては、検出器２６は１つしか示されていないが、複数の赤外線検出器２６が利用されても良いことに注意すべきである。例えば、検出器２６は赤外線放射計及び／又は赤外線カメラであっても良いが、これに限定されない。一実施例では、検出器２６はマサチューセッツ州BillericaにあるFLIRS Systems Inc.より市販されている赤外線撮影放射計である。特に、欠陥の検出を容易にするために、部品１０は、光路２４が検査されるべき部品１０の表面２８と平行な平面に対してほぼ垂直になるように固定器具２２の内部に位置決めされている。

レーザー３０及び集束光学系３２は、部品１０の検査中に部品表面２８の複数の部分を選択的に加熱するために使用されるコヒーレントな走査レーザービーム３４を発生する。特に、集束光学系３２は、高い出力を維持しつつ、ビーム３４の独立したサイズ設定及び集束を可能にする。集束光学系３２は、レーザービーム３４に対して所望の形状出力を発生するために、フーリエ平面のマスクと連係して動作する。一実施例では、集束光学系３２は、レーザービーム３４が部品表面２８に沿って走査されている間にレーザービーム３４をＳ字形に集束させる。別の実施例においては、集束光学系３２はレーザービーム３４を円形に集束させるが、その円の半径はレーザービーム３４が部品表面２８に沿って走査されている間に拡張される。更に別の実施例では、集束光学系３２は、レーザービーム３４が部品表面２８に沿って走査されている間にレーザービーム３４を一連の同心円として集束させる。別の実施例においては、集束光学系３２はホログラフィ素子を使用して、レーザービーム３４を円のグリッドとして集束させる。更に別の実施例においては、集束光学系３２はレーザービーム３４を少なくとも部分的に部品表面２８に沿って１本の線として広がらせる。

走査レーザービーム３４は、周知の２次元（２−Ｄ）走査ミラー構造３６を使用して部品表面２８上に集束される。この実施例では、走査ミラー構造３６は第１のミラー３８と、第２のミラー４０と、部品１０及び固定器具２２に関する各々のミラー３６及び４０、並びに走査レーザービーム３４の相対運動を制御する複数の周知の運動制御装置（図示せず）を含む少なくとも１つの走査装置４２とを含む。一実施例では、各走査装置４２は圧電素子及び／又は検流計などの運動制御装置を含むが、それらには限定されない。この実施例においては、固定器具２２、検出器２６、レーザー３０及び走査ミラー構造３６は、それぞれ、安全エンクロージャ４４（概略的に図示する）内部の光学テーブル上に装着されている。

部品１０内部の欠陥の検出を最適化するのを容易にし、且つ部品１０内部の欠陥と周囲の材料との識別を容易にするために、レーザー３０と検出器２６は異なるスペクトルバンドで動作される。特に、この実施例では、レーザー３０は約１．０６μの波長で動作されるＹＡＧレーザーであり、検出器２６は、検出器２６が部品表面２８から反射される光を感知することにより起こる欠陥の偽標示を最小にするのに好都合であるように、約３μから約１２μの選択された波長帯で動作される。あるいは、検出器２６と干渉し合う、より広い帯域の熱源が使用される場合には、熱源が除去された後に、部品表面２８から放出される放射を検出することが必要であろう。

レーザー３０及び走査ミラー構造３６は、走査装置４２を制御するために信号を発生する周知の関数発生器４４に結合されている。この実施例では、関数発生器４４は各々の走査装置４２を制御するためのアナログ信号を発生する。特に、関数発生器４４から送信される信号に応答して、各走査装置４２は、部品１０の検査中に部品表面２８の選択された部分の全てがレーザービーム３４により走査されるように、ミラー３８及び４０の動きをＸ−Ｙ座標系において制御する。

検出器２６の焦点及びコントラストを調整するために、検出器２６に放射計制御装置５０が結合されている。放射計制御装置５０は、ビデオ表示装置５４に結合されたイメージディジタイザ５２に結合されている。プロセッサ５６はシステム８の動作実行を制御し、放射計制御装置５０、イメージディジタイザ５２及びビデオ表示装置５４に結合されている。ここで使用される用語「プロセッサ」はマイクロプロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、特定アプリケーション向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路及びここで説明するような検査システム８の動作を実行することが可能である他の何らかの回路又はプロセッサを表す。プロセッサ５６は関数発生器４４、レーザー３０及び集束光学系３２にも結合されている。

イメージディジタイザ５２は知られており、以下に更に詳細に説明するように、ラジアンスの過渡応答を解析するために部品表面２８から受信されるラジアンスの一連の画像１２のプロセッサ５６による格納を容易にする。特に、イメージディジタイザ５２は、レーザービーム３４が部品表面２８に沿って走査されている間に部品表面２８にある最も小さな欠陥でさえ検出する能力を改善するために、検出器２６により提供されるビデオ画像１２から作成されるデジタル化信号を向上させるのに好都合であるようなソフトウェアを含む。例えば、一実施例では、イメージディジタイザ５２は、以下に更に詳細に説明するように、特定の検出器レベル設定、すなわち、カメラの黒色レベル設定と関連して、部品表面２８内部で検出される深い亀裂を垂直ではない亀裂から識別することを容易にするデータ圧縮アルゴリズムを含む。一実施例においては、イメージディジタイザ４２はマサチューセッツ州にあるDatacube, Inc.より市販されている「DIGIMAX」イメージディジタイザである。

この実施例では、レーザービーム３４が部品表面２８に沿って走査している間に検出器２６により受信される実際のアナログビデオ画像１２を記録するために、放射計制御装置５０とビデオ表示装置５４との間に画像記録装置６０が結合されている。例えば、一実施例では、画像記録装置６０はビデオカセットレコーダである。別の実施例においては、イメージディジタイザ４２によりビデオ信号がデジタル化された後に、画像はコンピュータハードドライブなどのデジタルデータ記憶装置に格納される。特に、画像記録装置６０は、わずかな表面異常（８２で指示するような異常）を部品１０の故障をもたらす可能性がある欠陥から識別できるように、ビデオ画像１２の解析の改善に好都合である。

部品１０の検査がプロセッサ５６に結合された入出力（Ｉ／Ｏ）ドライバ６４を介してオペレータにより事前プログラム及び／又は制御されることが可能になるように、プロセッサ５６は関数発生器４４、レーザー３０及び集束光学系３２にも結合されている。特に、レーザー３０はレーザーコンソール６６及び入出力（Ｉ／Ｏ）ドライバレジスタＡ６８を介してプロセッサ５６に結合されている。コンソール６６とレジスタＡ６８の組み合わせにより、オペレータはレーザー３０のゲーティング及びパワーレベルを端末６２を介して事前にプログラムできる。レーザー出力密度の調整によって、部品表面２８がレーザービーム３４により選択的に加熱されたときに部品１０を損傷することなく、欠陥とそれを取り囲む材料とのコントラスト差を識別することが容易になる。

部品１０の検査中、まず、検査されるべき部品１０の表面２８の部分の放射率を低下させるのに好都合であるように、部品１０は洗浄される。更に、部品表面２８を洗浄すると、欠陥を遮断してしまう塗料及び／又は熱障壁被覆膜などの何らかの種類の被覆膜の除去が容易になり、そのため、検査システム８の検出能力が容易に向上される。洗浄後、先に説明したように、部品１０は２−Ｄ走査ミラー構造３８及び検出器２６と整列する状態で固定器具２２に装着される。

次に、最適の欠陥検出を行えるように、レーザービーム３４が実質的に部品表面２８に対してできる限り垂直に近い角度で入射するようにレーザー３０が位置決めされる。次に、検査されるべき部品表面２８の部分に沿って部品表面２８の動作温度をほぼ一様に上昇させるために、部品表面２８はレーザービーム３４による走査によって予熱される。加熱中に欠陥を取り囲む表面領域に対する欠陥７０の放射率の量を示す、より高い吸収率を利用するために、伝導加熱又は対流加熱ではなく、放射加熱又は電磁加熱が採用される。欠陥の背景となる領域は熱の大半を消散してしまうため、亀裂７０でエネルギー吸収の量が増すことにより発生する温度差は、欠陥７０とその周囲の表面領域との間に大きな信号対雑音比（ＳＮＲ）又はコントラストを生じさせる。特に、部品表面２８の亀裂がない領域、又は欠陥を含まない部品表面２８の領域においては、熱は部品表面２８を経て外部へ消散される。欠陥７０は検出器２６により捕捉されるビデオ画像１２に現れる。

少なくとも部品表面２８に沿って伸びる可変選択線７１に沿って走査された放射照度を示すグラフ１６を生成するために、検出器２６及び放射計制御装置５０は可変選択されることも可能である。従って、部品表面２８に沿って走査している間に検出器２６により受信されるラジアンスを部品表面２８に沿った異なる場所で測定することができる。グラフ１４に示すように、部品表面２８に沿った欠陥７０は、いずれも、ピーク７４として現れる。

レーザービーム３４が予熱された部品表面２８に沿って走査されている間、ビーム３４の通過に従って選択的な局所加熱が起こる。特に、レーザービーム３４は当初は部品表面２８に沿って第１の方向に走査され、その後、第１の方向と同じではない第２の方向へ再度走査される。この両方向走査により、垂直ではない欠陥７０からより深い亀裂７０を識別することが容易になる。部品表面２８から放出されたラジアンスは検出器２６により検出され、ビデオ表示装置４４にグラフとして表示される。特に、レーザービーム３４が欠陥７０を通過する間、欠陥７０の吸収率及び放射力が周囲の材料と比較して高いために、グラフ１６に対してラジアンスはピークを示す（図４に８０として示す）。従って、レーザービーム３４による走査によって、欠陥７０の検出能力は向上する。特に、各々の走査場所で記録され且つ／又は格納される一連の赤外線画像１２は、欠陥７０から受信されるラジアンスがレーザービーム３４が実際に欠陥７０を照射しているピーク８０から減衰して、走査後に元の強さレベルに戻るまでの過渡応答の解析及び観測を容易にする。

一連の画像１２は、合わせてレーザー走査後の欠陥７０からのラジアンスの遷移又は過渡応答を表すグラフ１４及び／又は１６に類似するグラフの形態に変換される。更に、画像１２に基づいてコンピュータ当てはめ校正曲線が生成される。次に、校正曲線に基づいて欠陥深さマップが生成される。特に、深さ判定曲線は、ほぼ一様な特性をもって製造された材料の試料片に刻み込まれた様々に異なる深さの亀裂の過渡熱を測定した後に生成される。次に、測定値は亀裂の深さの実際値と比較され、「最適適合」指数曲線当てはめアルゴリズムを使用して校正曲線が作成される。

選択された時間周期にわたる連続する画像１２のピークの間の減衰の量又は程度が解析され、部品の故障をもたらす可能性がある欠陥７０と、部品１０の選択された表面２８の内部の他のわずかな欠陥８２とが識別される。部品１０の故障の原因になると考えられる欠陥７０の過渡応答の減衰時間は、通常、その欠陥又は亀裂７０の大きさに応じて、わずかな表面異常８２の約２から４倍の長さである。わずかな表面異常８２と、部品１０の故障につながる可能性がある欠陥７０との識別を容易にするために、部品表面２８からのラジアンスの過渡応答が解析される。

欠陥又は亀裂７０と、その欠陥７０を取り囲んでいる部品１０の領域とのコントラストが向上する理由の１つは、欠陥７０がレーザー照射を受けている間に信号対雑音比が高くなることである。ＳＮＲ値はレーザービーム３４による走査の直後は高いままであるが、欠陥７０からのラジアンスの強さレベルの減衰速度に対応する所定の速度でレーザー走査前の元の値まで減衰する。従って、欠陥７０を部品表面２８内部の背景アーティファクトから識別する定性分析の補助手段としてＳＮＲ値を使用しても良い。別の実施例においては、亀裂又は欠陥が表面の下方にあり、表面２８に近接している場合、部品表面においてそのような欠陥を検出するのを容易にするために、部品１０に応力が誘導される。

一般に、検査システムの基礎は、欠陥又は亀裂７０が材料を通して熱が伝播する経路を変化させることである。最も単純なケースでは、材料を通って伝播する熱の最も効率の良い経路が欠陥７０の周囲をめぐるように、亀裂又は欠陥７０は断熱境界を形成する。材料中の熱伝播速度を判定し、それを加熱ゾーンと、検査されるべき部品表面２８上の２つ以上の測定ポイントとの間の物理的距離と比較することにより、熱エネルギーが実際にたどった経路の長さを判定できる。欠陥７０の下方を進む熱はエネルギー経路の経路長をほぼ亀裂の深さの２倍増加させ、それにより、欠陥境界における熱の伝達速度を遅くする。その結果、欠陥の一方の側で熱の増加が起こり、欠陥の反対側では熱の欠落が誘発される。

上述の欠陥検査システムは費用効率に優れ、信頼性も高い。システムは、検査されるべき部品の表面で検出された温度変化を相関することにより、欠陥の深さの判定を可能にする。その結果、部品表面の検査中、部品の故障を引き起こす可能性がある欠陥をわずかな表面異常から費用効率良く、高い信頼性をもって識別することを容易にするために、各欠陥の深さが判定される。特に、欠陥検査システムの感度と正確さによって、金属又は複合材料における多孔率及び／又は空隙率などの他の種類の欠陥の検出も可能になる。

以上、検査システムの実施例を説明した。検査システム及びそれと関連する使用方法はここで説明した特定の実施例に限定されず、各アセンブリの構成要素はここで説明した他の構成要素とは別個に、独立して利用されても良い。検査システムの各々の構成要素及び使用方法は他の検査システム構成要素と組み合わせて使用されることも可能である。

なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

非破壊評価検査システムの一例の概略図。 図１に示す検査システムを使用して検査のために選択された部品の一部の赤外線ビデオ画像の一例を示す図。 所定の均一な温度で、図２に示す赤外線ビデオ画像に表示された部品部分から放出されたラジアンスのグラフの一例を示す図。 走査中に、図２に示す赤外線ビデオ画像に表示された部品部分から放出されたラジアンスのグラフの一例を示す図。

符号の説明

８…非破壊評価試験システム、１０…部品、１２…ビデオ画像、２２…固定器具、２４…光路、２６…検出器、２８…部品表面、３０…レーザー、３２…集束光学系、３４…レーザービーム、３６…２−Ｄ走査ミラー構造、４４…関数発生器、５０…放射計制御装置、５２…イメージディジタイザ、５４…ビデオ表示装置、５６…プロセッサ、６０…画像記録装置、６２…端末、６６…レーザーコンソール、６８…入出力ドライバレジスタＡ、７０…欠陥（亀裂）

Claims (10)

1. 部品表面まで達する亀裂（７０）を検出する方法において、
   検査されるべき部品（１０）の表面（２８）を少なくとも１つの赤外線放射検出器（２６）の光路（２４）内に位置決めすることと、
   部品表面に存在する欠陥からのラジアンスの増加を発生させるために、波長帯域が前記赤外線放射検出器（２６）の波長帯域と干渉する電磁放射を行う熱源（３０）の電磁放射を使用して部品表面を加熱することと、
   部品表面に沿った複数の所定の場所で表面放射照度が測定されるように、前記少なくとも１つの赤外線放射検出器を使用して部品表面内部の温度変化を検出することと、
   前記赤外線放射検出器（２６）により受信された、前記部品表面の照射時からピークが元のレベルに戻るまでの放射過渡応答データを解析することにより、前記部品（１０）の亀裂（７０）を検出することと、
   検出された亀裂（７０）の深さを判定するために、温度変化を放射過渡応答データと相関することと
   から成り、
   前記部品表面内部の温度変化を検出することは、前記熱源が除去された後に前記部品表面から放出される放射を検出することを含む方法。
2. 前記赤外線放射検出器（２６）により検出された放射照度を使用して、加熱された表面（２８）の一連のビデオ画像（１２）を生成することと、
   ピーク放射照度強さレベルの判定を容易にするために、前記部品表面に沿った放射照度と距離との関係を表す一連のグラフ（１４）を生成することとを更に含む請求項１記載の方法。
3. 前記赤外線放射検出器（２６）を使用して部品表面（２８）内部の温度変化を検出することは、
   放射照度の強さレベルを判定することと、
   熱を除去した後の放射照度強さレベルの減衰速度を判定することとを更に含む請求項１記載の方法。
4. 前記赤外線放射検出器（２６）により受信された放射過渡応答データを解析することにより、前記部品（１０）の亀裂（７０）を検出することは、部品表面（２８）に沿った両方向走査を使用することを更に含む請求項１記載の方法。
5. 電磁放射を使用して部品表面（２８）を加熱することは、部品表面上にレーザービーム（３４）を集束することを更に含む請求項１記載の方法。
6. 部品表面（２８）上にレーザービーム（３４）を集束することは、円形投射及びＳ字形投射のうちの少なくとも一方を有するレーザービームを使用することを更に含み、電磁放射を使用して部品表面（２８）を加熱することは、レーザービーム（３４）を部品表面に対してほぼ垂直に維持することを更に含む請求項５記載の方法。
7. 部品（１０）における亀裂（７０）の深さを判定する方法において、
   検査されるべき部品の表面（２８）を少なくとも１つの赤外線放射検出器（２６）の光路（２４）内に、光路が部品表面と平行な平面に対してほぼ垂直になるように位置決めすることと、
   部品表面に存在する欠陥からのラジアンスの増加を発生させるために、波長帯域が前記赤外線放射検出器（２６）の波長帯域と干渉する電磁放射を行う熱源（３０）の電磁放射を使用して、熱が部品表面に対してほぼ垂直に前記部品に加えられるように前記部品を加熱することと、
   前記少なくとも１つの赤外線放射検出器（２６）を使用して、部品表面に沿った複数の所定の場所で表面放射照度が測定されるように、部品表面内部の温度変化を検出することと、
   前記赤外線放射検出器（２６）により受信された、前記部品表面の照射からピークが元のレベルに戻るまでの放射過渡応答データを解析することにより、前記部品（１０）の亀裂（７０）を検出することと、
   検出された亀裂（７０）の深さを判定するために、温度変化を放射過渡応答データと相関することとから成り、
   前記部品表面内部の温度変化を検出することは、前記熱源が除去された後に前記部品表面から放出される放射を検出することを含む方法。
8. 前記部品（１０）の亀裂（７０）を検出することは、亀裂を検出するためにリアルタイムフィードバックを使用することを更に含み、方法は、
   前記赤外線放射検出器（２６）により検出された放射照度を使用して、加熱された表面の一連のビデオ画像（１２）を生成することと、
   部品表面（２８）に存在するわずかな表面異常（８２）から部品表面に形成された亀裂（７０）を識別することを容易にするために、一連のビデオ画像をデジタル化することとを更に含む請求項７記載の方法。
9. 電磁放射を使用して部品表面（２８）を加熱することは、Ｓ字形及び拡張可能である円形のうちの少なくとも一方によってビームが投射されるようにレーザービーム（３４）を部品表面（２８）上に集束することを更に含み、部品表面（２８）上にレーザービーム（３４）を集束することは、所望のレーザービーム形状を作成するためにフーリエ平面でマスクを使用することを更に含む請求項７記載の方法。
10. 部品表面（２８）に近接する表面下欠陥の検出を容易にするために前記部品（１０）に応力を加えることを更に含み、表面下欠陥の検出を容易にするために前記部品に応力を加えることは、前記部品の特性損傷閾値応力拡大係数以下である応力を前記部品に加えることを更に含む請求項７記載の方法。

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