RU2386125C2

RU2386125C2 - Method for complex detection of flaws in turbomachine blades made from cobalt alloys

Info

Publication number: RU2386125C2
Application number: RU2007141871/28A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Михайлович Смыслов (RU); Анатолий Михайлович Смыслов; Марина Константиновна Смыслова (RU); Марина Константиновна Смыслова; Дмитрий Александрович Годовский (RU); Дмитрий Александрович Годовский; Аскар Джамилевич Мингажев (RU); Аскар Джамилевич Мингажев; Константин Сергеевич Селиванов (RU); Константин Сергеевич Селиванов; Вячеслав Юрьевич Гордеев (RU); Вячеслав Юрьевич Гордеев; Антон Владимирович Новиков (RU); Антон Владимирович Новиков
Original assignee: ООО "НПП Уралавиаспецтехнология"
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2010-04-10
Also published as: RU2007141871A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: to evaluate degree of deterioration of turbo-machine blades made from cobalt alloys, a method for measuring thermal emf and a magnetic method are used. The degree of deterioration of the material of the blades caused by diffusion and chemical factors is determined from the thermal emf values. Deterioration caused by physical and mechanical factors is determined from magnetic parametres. Measuring devices are setup using standard control objects which are in form of standard blades with known nature and degree of deterioration.

EFFECT: increased information content and reliability of evaluating the nature and degree of deterioration of the material of the blades.

4 cl, 5 tbl

Description

Изобретение относится к способам комплексной дефектоскопии металлических изделий и может быть использовано при обследовании лопаток турбомашин из кобальтовых жаропрочных сплавов.The invention relates to methods for integrated flaw detection of metal products and can be used in the inspection of turbomachine blades made of heat-resistant cobalt alloys.

Направляющие и рабочие лопатки турбин ГТД и ГТУ из кобальтовых жаропрочных сплавов в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, высоких температур и агрессивных сред, в результате чего происходит деградация материала и разрушение детали. В этой связи, для своевременного ремонта турбомашин и предотвращения аварийных ситуаций необходимы неразрушающие методы контроля и диагностики состояния лопаток в процессе эксплуатации.Guide and rotor blades of turbine engines and gas turbines made of heat-resistant cobalt alloys are exposed to significant dynamic and static loads, high temperatures and aggressive environments during operation, resulting in material degradation and destruction of the part. In this regard, for the timely repair of turbomachines and the prevention of emergency situations, non-destructive methods for monitoring and diagnosing the condition of the blades during operation are necessary.

Известен способ электромагнитной дефектоскопии, основанный на сканировании изделия электромагнитным преобразователем, подсчете общего числа импульсов от краев и дефектов изделия и выделении информации о его дефектности путем определения превышения общего числа импульсов над числом импульсов от краев [А.С.СССР №333460, МПК G01N 27/86, 1970].A known method of electromagnetic defectoscopy, based on scanning the product with an electromagnetic transducer, counting the total number of pulses from the edges and defects of the product and highlighting information about its defectiveness by determining the excess of the total number of pulses over the number of pulses from the edges [A.S.SSSR No. 333460, IPC G01N 27 / 86, 1970].

Известен способ контроля металлических материалов, включающий приведение в контакт электродов с материалом изделия, измерение термоЭДС и оценку по полученным значениям термоЭДС свойств исследуемого материала [Патент РФ №2229117, МПК G01N 25/32, Термоэлектрический способ контроля металлических материалов, 2004]. Недостатком известных способов является их низкая информативность.A known method of controlling metallic materials, including bringing the electrodes into contact with the material of the product, measuring the thermoelectric power and evaluating the obtained thermoelectric power of the properties of the test material [RF Patent No. 2229117, IPC G01N 25/32, Thermoelectric method for monitoring metallic materials, 2004]. A disadvantage of the known methods is their low information content.

Наиболее близким к предлагаемому способу является комбинированный способ дефектоскопии лопаток турбомашин, включающий совместное использование метода термоЭДС и метода индукционной дефектоскопии [Патент США №5430376, МПК G01B 7/02, Combined thermoelectric and eddycurrent method and apparatus for nondestructive testing of metallic of semiconductor coated objects, 1995].Closest to the proposed method is a combined method of flaw detection of turbomachine blades, including the combined use of thermoEMF and induction flaw detection [US Patent No. 5430376, IPC G01B 7/02, Combined thermoelectric and eddycurrent method and apparatus for nondestructive testing of metallic of semiconductor coated objects, 1995].

Недостатками известного способа являются низкая информативность и достоверность оценки характера деградации материала лопатки в процессе эксплуатации.The disadvantages of this method are the low information content and the reliability of assessing the nature of the degradation of the material of the blade during operation.

Необходимо отметить, что известные неразрушающие методы оценки степени деградации металлических материалов, основанные на магнитных, термоэлектрических и других эффектах, не позволяют оценить соотношение долей химической и механической составляющих, что значительно снижает достоверность оценки характера деградации материалов. Кроме того, магнитные методы преимущественно используются для оценки состояния изделий, выполненных из ферромагнитных материалов.It should be noted that the known non-destructive methods for assessing the degree of degradation of metallic materials, based on magnetic, thermoelectric and other effects, do not allow us to estimate the ratio of the fractions of the chemical and mechanical components, which significantly reduces the reliability of assessing the nature of the degradation of materials. In addition, magnetic methods are mainly used to assess the condition of products made from ferromagnetic materials.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение информативности и достоверности оценки характера и степени деградации материала лопатки из кобальтовых сплавов после эксплуатации в условиях высоких температур.The technical result of the invention is to increase the information content and reliability of assessing the nature and degree of degradation of the material of the blade of cobalt alloys after operation at high temperatures.

Технический результат достигается тем, что в способе комплексной дефектоскопии лопаток турбомашин из кобальтовых сплавов, включающем замер значений термоЭДС материала лопатки и оценку состояния материала лопатки по полученному сигналу, в отличие от прототипа, предварительно настраивают прибор оценки термоЭДС на ряде эталонных образцов-лопаток с различной степенью деградации материала, вызванной диффузионно-химическими факторами, по своим размерам и материалу соответствующими контролируемой лопатке, при этом начальный образец соответствует нулевой степени деградации материала, а конечный образец - максимально возможной степени деградации, вызванной диффузионно-химическими факторами, и после замера значений термоЭДС контролируемой лопатки определяют степень деградации ее материала, вызванной диффузионно-химическими факторами, дополнительно настраивают магнитно-измерительное устройство на ряде эталонных образцов-лопаток с различной степенью деградации материала, вызванной физико-механическими факторами, по своим размерам и материалу соответствующими контролируемой лопатке, при этом начальный образец соответствует нулевой степени деградации материала, а конечный образец - максимально возможной степени деградации, вызванной физико-механическими факторами, производят замеры магнитно-измерительным устройством контролируемой лопатки, по замерам определяют степень деградации ее материала, вызванной физико-механическими факторами, и оценивают долю каждого вида деградации.The technical result is achieved by the fact that in the method of complex defectoscopy of blades of turbomachines made of cobalt alloys, which includes measuring the thermopower of the blade material and assessing the state of the material of the blade by the received signal, in contrast to the prototype, the thermoEMF evaluation device is preconfigured on a number of reference blade samples with various degrees material degradation caused by diffusion-chemical factors in size and material corresponding to the controlled blade, with the initial sample corresponding to there is a zero degree of degradation of the material, and the final sample - the maximum possible degree of degradation caused by diffusion-chemical factors, and after measuring the thermopower of the controlled blade, the degree of degradation of its material caused by diffusion-chemical factors is determined, and a magnetic measuring device is additionally set up on a number of reference samples -blade with varying degrees of material degradation caused by physical and mechanical factors, in size and material corresponding to counter the bladed blade, the initial sample corresponds to a zero degree of degradation of the material, and the final sample corresponds to the maximum possible degree of degradation caused by physical and mechanical factors, the magnetically measuring device of the controlled blade is measured, and the degree of degradation of its material caused by physical and mechanical factors is determined by measurements , and estimate the proportion of each type of degradation.

Технический результат достигается также тем, что в способе комплексной дефектоскопии берут, по крайней мере, одну эталонную лопатку с промежуточным состоянием деградации материала.The technical result is also achieved by the fact that in the method of complex flaw detection take at least one reference blade with an intermediate state of degradation of the material.

Технический результат достигается также тем, что в способе комплексной дефектоскопии в качестве диффузионно-химических факторов принимают процессы деградации материала лопатки, вызванные образованием окислов.The technical result is also achieved by the fact that in the method of complex flaw detection, diffusion-chemical factors take the processes of degradation of the material of the blade caused by the formation of oxides.

Технический результат достигается также тем, что в способе комплексной дефектоскопии замер значений термоЭДС производят при помощи зонда-электрода, выполненного из кобальтового сплава, соответствующего по химическому составу и структуре исходному состоянию сплава контролируемой лопатки.The technical result is also achieved by the fact that in the method of complex flaw detection, the thermopower is measured using a probe electrode made of a cobalt alloy, which, in terms of chemical composition and structure, corresponds to the initial state of the alloy of the controlled blade.

При исследовании степени и характера деградации материала лопаток из кобальтовых сплавов в процессе эксплуатации, авторами экспериментально установлено, что деградация материала, вызванная физико-механическими факторами, в значительной степени выявляется магнитными методами дефектоскопии, а деградация материала, вызванная диффузионно-химическими факторами (например, окисление), выявляется при дефектоскопии по значениям термоЭДС. Полученные результаты позволили разработать комплексный метод оценки степени и характера деградации материала лопатки, позволяющий определить вклад каждого из рассматриваемых факторов на деградацию материала лопатки. Так например, крайними случаями подобной деградации материала являются лопатки, изменение свойств которых произошло либо в результате воздействия только механических факторов (оценивается изменением магнитных параметров материала от величины М₀ до величины М_i, где М₀ - магнитные характеристики исходного материала лопатки, М_i - магнитные характеристики текущего состояния материала лопатки, М₀-М_i≠0; в то время как изменение параметров термоЭДС равны нулю, т.е. химико-диффузионные причины деградации материала исключаются), либо - в результате воздействия только химических процессов (т.е. когда изменение магнитных параметров равно нулю, в то время как наблюдается изменение значений термоЭДС от некоторого значения Т₀ до Т_i, где Т₀ - характеристики термоЭДС исходного материала лопатки, Т_i - характеристики термоЭДС текущего состояния материала лопатки, т.е. физико-механические факторы деградации материала исключаются). Однако, в процессе эксплуатации лопаток турбомашин из кобальтовых сплавов, как правило, деградация материала происходит в результате совместного воздействия механических и химико-диффузионных факторов. В этом случае вклад каждого из этих факторов в картину общей деградации материала определяется исходя из доли каждого из них, рассчитанной по шкале от минимального значения степени деградации того или иного вида до его максимально возможного значения.In studying the degree and nature of the degradation of the material of cobalt alloy blades during operation, the authors experimentally established that the degradation of the material caused by physical and mechanical factors is largely detected by magnetic flaw detection methods, and the degradation of the material caused by diffusion-chemical factors (for example, oxidation ), is detected during defectoscopy by the values of thermopower. The results obtained allowed us to develop a comprehensive method for assessing the degree and nature of the degradation of the material of the scapula, which allows us to determine the contribution of each of the considered factors to the degradation of the material of the scapula. So, for example, the extreme cases of such degradation of the material are blades, the change in the properties of which occurred either as a result of the influence of only mechanical factors (estimated by a change in the magnetic parameters of the material from M ₀ to M _i , where M ₀ are the magnetic characteristics of the original material of the blade, M _i - magnetic characteristics of the current state of the material of the blade, M ₀ -M _i ≠ 0; while the change in the thermopower parameters is zero, i.e., the chemical-diffusion causes of material degradation are excluded), or - as a result the effects of only chemical processes (i.e., when the change in magnetic parameters is zero, while there is a change in thermopower values from a certain value of T ₀ to T _i , where T ₀ are the thermopower characteristics of the blade material, T _i are the current thermopower characteristics the state of the material of the blade, i.e., physical and mechanical factors of material degradation are excluded). However, during the operation of the blades of turbomachines made of cobalt alloys, as a rule, the degradation of the material occurs as a result of the combined influence of mechanical and chemical diffusion factors. In this case, the contribution of each of these factors to the picture of the overall degradation of the material is determined on the basis of the share of each of them, calculated on a scale from the minimum value of the degree of degradation of a particular species to its maximum possible value.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.The proposed method is implemented as follows.

Одним из известных методов производят замер значений термоЭДС материала лопатки. Для этого вначале производят настройку прибора, осуществляя замеры значений термоЭДС материала на ряде эталонных лопаток, имеющих различную (заданную) степень химической деградации материала. При этом используются эталоны, выполненные из одного и того же исходного материала, имеющие одинаковые размерные и геометрические параметры. Для оценки зависимости значений термоЭДС материала от степени его деградации во всем исследуемом диапазоне, берут начальный эталонный образец, соответствующий нулевой степени деградации, а конечный эталонный образец - максимально возможной (предельной) степени деградации материала. Для повышения достоверности результатов оценки используют дополнительные промежуточные эталонные образцы с фиксированным значением деградации материала. Затем, используя шкалу от нуля до ста процентов деградации материала, производят настройку прибора для измерения значений термоЭДС по указанным эталонам в фиксированных зонах лопатки.One of the known methods measure the thermopower of the material of the blade. To do this, first configure the device by measuring the thermopower of the material on a number of reference blades having a different (predetermined) degree of chemical degradation of the material. In this case, standards are used, made of the same source material, having the same dimensional and geometric parameters. To assess the dependence of the thermoEMF of a material on the degree of its degradation in the entire studied range, take the initial reference sample corresponding to the zero degree of degradation, and the final reference sample - the maximum possible (limiting) degree of degradation of the material. To increase the reliability of the evaluation results, additional intermediate reference samples with a fixed value of material degradation are used. Then, using a scale from zero to one hundred percent degradation of the material, the device is tuned to measure the thermopower according to the specified standards in the fixed areas of the blade.

Производят замер значений термоЭДС у контролируемой лопатки и по полученной зависимости «величина термоЭДС - степень деградации» определяют величину химической деградации материала контролируемой лопатки.The thermopower values of the controlled blade are measured, and the chemical degradation of the material of the controlled blade is determined from the obtained dependence “thermopower value - degree of degradation”.

Далее, дополнительно настраивают магнитно-измерительное устройство на ряде эталонных образцов-лопаток с различной степенью деградации материала, вызванной физико-механическими факторами, по своим размерам и материалу соответствующими контролируемой лопатке, при этом начальный образец соответствует нулевой степени деградации материала, а конечный образец - максимально возможной степени деградации, вызванной физико-механическими факторами, производят замеры магнитно-измерительным устройством контролируемой лопатки, по замерам определяют степень деградации ее материала, вызванной физико-механическими факторами. Также используют дополнительные промежуточные эталонные образцы с фиксированными значениями степени деградации материала. Затем, используя шкалу от нуля до ста процентов, соответствующую нулевой и максимальной степени механической деградации материала, производят настройку прибора для измерения значений магнитных параметров материала по указанным эталонам в фиксированных зонах лопатки.Further, a magnetic measuring device is additionally set up on a number of reference blade samples with various degrees of material degradation caused by physicomechanical factors, in size and material corresponding to the controlled blade, with the initial sample corresponding to zero degree of material degradation, and the final sample to the maximum a possible degree of degradation caused by physical and mechanical factors, they are measured by a magnetic measuring device of a controlled blade, according to the measurements of degree of degradation of its fissile material caused by mechanical and physical factors. Also use additional intermediate reference samples with fixed values of the degree of degradation of the material. Then, using a scale from zero to one hundred percent, corresponding to the zero and maximum degrees of mechanical degradation of the material, the device is tuned to measure the magnetic parameters of the material according to the specified standards in fixed areas of the blade.

Производят замеры магнитно-измерительным устройством контролируемой лопатки и по полученной зависимости «значения показаний магнитно-измерительного устройства - степень деградации» определяют степень деградации материала контролируемой лопатки, вызванную механическими факторами.Measurements are made by the magnetic measuring device of the controlled blade and according to the obtained dependence “the values of the readings of the magnetic measuring device is the degree of degradation”, the degree of degradation of the material of the controlled blade caused by mechanical factors is determined.

После проведения оценки механической и химической деградации материала контролируемой лопатки оценивают долю каждого вида деградации материала.After assessing the mechanical and chemical degradation of the material of the controlled blade, the fraction of each type of degradation of the material is estimated.

Зная вклад каждой из составляющих, можно судить о доминирующем механизме разрушения лопаток и принимать соответствующие технологические или эксплуатационные меры для продления или увеличения срока службы деталей турбомашин.Knowing the contribution of each of the components, one can judge the dominant mechanism of destruction of the blades and take appropriate technological or operational measures to extend or increase the service life of parts of turbomachines.

Для повышения степени достоверности можно производить, дополнительно, разделения выявленных дефектных зон материала лопатки по их размерам и расположению.To increase the degree of reliability, it is possible to additionally separate the identified defective areas of the material of the scapula according to their size and location.

Пример реализации способаAn example implementation of the method

Для оценки степени и характера деградации материала лопаток турбин, были изготовлены эталонные образцы лопаток из кобальтового сплава FSX-414, с различной степенью механической и химической (окисление) деградации. Снятие магнитных характеристик производилось с помощью ферро-зонда (магнитоизмерительного феррозондового комбинированного прибора Ф-205.30А), а параметров термоЭДС - прибором ТЭП 10-К. После получения данных с эталонных образцов производился замер магнитных и термоЭДС характеристик с лопаток, деградация материала которых была осуществлена в процессе эксплуатации. Для контрольной оценки степени и вида деградации материала эталонных и контролируемых лопаток были использованы разрушающие методы контроля с приготовлением шлифов и проведением металлографических исследований, включая оценку структурно-фазового и химического составов материалов. Сравнительные результаты исследований приведены в таблицах 1-4. В таблице 5 приведены данные по соотношению долей механической и химической деградации материала лопаток.To assess the degree and nature of degradation of the material of the turbine blades, reference samples of the blades were made of cobalt alloy FSX-414, with varying degrees of mechanical and chemical (oxidation) degradation. Magnetic characteristics were measured using a ferro-probe (a magnetic measuring flux-probe combined device F-205.30A), and thermoEMF parameters were measured using a TEP 10-K device. After obtaining data from the reference samples, magnetic and thermoEMF characteristics were measured from the blades, the material degradation of which was carried out during operation. For the control assessment of the degree and type of degradation of the material of the reference and controlled blades, destructive control methods were used with the preparation of sections and metallographic studies, including the assessment of the structural phase and chemical compositions of the materials. Comparative research results are shown in tables 1-4. Table 5 shows data on the ratio of the shares of mechanical and chemical degradation of the material of the blades.

Таблица 1Table 1 Эталонные лопаткиReference vanes №No. Степень механической деградации материала, %The degree of mechanical degradation of the material,% Среднее значение показаний магнитно-измерительного устройства, Ht_cp (ед. шкалы прибора)The average value of the readings of the magnetic measuring device, Ht _cp (unit scale of the device) ПримечаниеNote 1one 22 33 4four 1one 00 4,54,5 ОтсутствиеLack of дефектовdefects 22 14fourteen 6,96.9 -- 33 3434 10,910.9 -- 4four 5656 13,413,4 -- 55 8181 14,614.6 -- 66 9797 15,915.9 ПредельноеLimit состояниеstate

Таблица 2table 2 Контролируемые лопаткиControlled shoulder blades №No. Среднее значение показаний магнитно-измерительного устройства, Ht_сp (ед. шкалы прибора)The average value of the readings of the magnetic measuring device, Ht _cp (unit scale of the device) Степень механической деградации материала, определенная по предлагаемому способу, %The degree of mechanical degradation of the material, determined by the proposed method,% Степень механической деградации материала, определенная металлографическим методом, %The degree of mechanical degradation of the material, determined by the metallographic method,% 1one 22 33 4four 1one 9,39.3 2323 2525 22 11,711.7 3131 3535 33 15,315.3 8989 9090 4four 15,015.0 8181 8585 55 12,612.6 5252 5555 66 8,88.8 2121 2525

Таблица 3Table 3 Эталонные лопаткиReference vanes №No. Степень химической деградации материала, %The degree of chemical degradation of the material,% Среднее значение термоЭДС, Тэдс_ср, мАThe average value of thermopower, Ted _sr , mA ПримечаниеNote 1one 22 33 4four 1one 00 11eleven Отсутствие дефектовNo defects 22 2323 4848 -- 33 4444 7676 -- 4four 5858 9393 -- 55 7676 9898 -- 66 9595 102102 Предельное состояниеLimit state

Таблица 4Table 4 Контролируемые лопаткиControlled shoulder blades №No. Среднее значение термоЭДС, Тэдс_ср, мАThe average value of thermopower, Ted _sr , mA Степень химической деградации материала, определенная по предлагаемому способу, %The degree of chemical degradation of the material, determined by the proposed method,% Степень химической деградации материала, определенная по известному способу, %The degree of chemical degradation of the material, determined by a known method,% 1one 22 33 4four 1one 7878 3939 4545 22 5656 2828 3535 33 4949 2323 30thirty 4four 8484 4747 5555 55 9191 6262 6565 66 3535 1212 15fifteen

Таблица 5Table 5 Общий характер деградации материалаGeneral nature of material degradation №No. СтепеньPower СтепеньPower Заключение о характере деградацииConclusion on the nature of degradation механическойmechanical химическойchemical материала, МД/ХДmaterial, MD / HD деградации (МД) материала, %degradation (MD) of the material,% деградации (ХД) материала, %,degradation (HD) of the material,%, 1one 22 33 4four 1one 2323 3939 37%/63%37% / 63% 22 3131 2828 52,5%/47,5%52.5% / 47.5% 33 8989 2323 79,5%/20,5%79.5% / 20.5% 4four 8181 4747 63,3%/36,7%63.3% / 36.7% 55 5252 6262 45,6%/54,4%45.6% / 54.4% 66 2121 1212 63,6%/36,4%63.6% / 36.4%

Приведенные данные по оценке величины механической и химической деградации материала с использованием предлагаемого способа комплексной дефектоскопии лопаток турбомашин из кобальтовых сплавов показали, что предлагаемый способ неразрушающего контроля позволяет повысить информативность и достоверность результатов оценки характера деградации материала лопатки в процессе эксплуатации, что подтверждает заявленный технический результат.The data on the assessment of the value of mechanical and chemical degradation of the material using the proposed method for complex flaw detection of turbomachine blades made of cobalt alloys showed that the proposed method of non-destructive testing improves the information content and reliability of the results of evaluating the nature of the degradation of the material of the blade during operation, which confirms the claimed technical result.

Claims

1. A method for complex defectoscopy of blades of turbomachines made of cobalt alloys, including measuring the thermoEMF of the material of the blade and evaluating the condition of the material of the blade according to the received signal, characterized in that the device for evaluating the thermoEMF is preconfigured on a number of standard samples of blades with different degrees of material degradation caused by diffusion chemical factors, in size and material corresponding to the controlled blade, while the initial sample corresponds to a zero degree of degradation of the material a, and the final sample - the maximum possible degree of degradation caused by diffusion-chemical factors, and after measuring the thermoEMF of the controlled blade, the degree of degradation of its material caused by diffusion-chemical factors is determined, and a magnetic measuring device is additionally set up on a number of reference blade samples with different the degree of degradation of the material caused by physical and mechanical factors, in size and material corresponding to the controlled blade, while the initial sample with corresponds to a zero degree of degradation of the material, and the final sample - to the maximum possible degree of degradation caused by physical and mechanical factors, measure with a magnetic measuring device of a controlled blade, measure the degree of degradation of its material caused by physical and mechanical factors, and assess the proportion of each type of degradation .

2. The complex flaw detection method according to claim 1, characterized in that at least one reference blade with an intermediate state of material degradation is taken.

3. The method of complex defectoscopy according to claim 1, characterized in that the processes of degradation of the material of the blade caused by the formation of oxides are adopted as diffusion chemical factors.

4. The method of complex flaw detection according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the thermopower is measured using a probe electrode made of a cobalt alloy corresponding in its initial chemical composition and structure to the initial state of the controlled blade alloy.