(225.13 кб)

ВИАМ/2006-204687
Неразрушающий контроль материалов
и изделий авиационного назначения
рентгеноскопическим и
микрорентгеноскопическим методами
К.Г. Мирошин
Е.И. Косарина
доктор технических наук
Октябрь 2006
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
журнале «Авиационная промышленность», № 3, 2007 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
в
Неразрушающий контроль материалов и изделий
авиационного назначения рентгеноскопическим и
микрорентгеноскопическим методами
К.Г. Мирошин, Е.И. Косарина
Одним из основных методов контроля качества материалов является
рентгенографический. Метод имеет широкую область применения и
характеризуется
высокими
чувствительностью
и
разрешающей
способностью, наглядностью результатов и широкой областью применения.
Основные недостатки метода – низкая производительность и высокая
себестоимость контроля, кроме этого метод невозможно автоматизировать.
Наиболее
эффективны
для
устранения
указанных
недостатков
рентгеноскопические системы, преобразующие ионизирующее излучение в
видимое изображение в реальном масштабе времени. Эти системы
гармонично встраиваются в процесс производства изделий различного
уровня сложности и на любых технологических этапах [1].
Проблема
перехода
от
рентгенографического
контроля
к
рентгеноскопическому – актуальная задача современного авиационного
материаловедения и машиностроения. Для ее решения необходимы
исследования
области
применения
современных
рентгеноскопических
систем при контроле материалов и изделий АТ. Авторами проведены
некоторые исследования рентгеноскопического контроля.
Все экспериментальные результаты, представленные в статье, были
получены на современном отечественном оборудовании нового поколения –
рентгеноскопической системе «Норка». Это мобильная рентгеноскопическая
система построена по модульному принципу, что значительно облегчает ее
сборку и дает возможность подобрать конфигурацию системы, наилучшим
образом отвечающую поставленным задачам. При проведении экспериментов
эту систему использовали с такими источниками излучения, как малогабаритный
рентгеновский аппарат РАП 90И-5 (максимальное анодное напряжение 90 кВ;
ток 5 мА; фокусное пятно 2×2 мм) и микрофокусный рентгеновский аппарат
РАП 150М (максимальное анодное напряжение 150 кВ; ток 120 мкА; фокусное
пятно 50 мкм). В качестве преобразователей в системе «Норка» были применены
флюороскопические экраны разных форматов (114×152 мм; 190×250 мм;
300×400 мм; 410×550 мм). Полученные рентгеноскопические изображения
архивировались и обрабатывались на персональном компьютере с помощью
специального программного обеспечения.
Параметры
контроля
выбирались
в
процессе
экспериментов
по
максимальной чувствительности, определяемой посредством стандартных
или специально разработанных авторами индикаторов качества изображения
для соответствующей толщины объектов контроля (ОК).
Контроль газовой пористости в алюминиевых литейных сплавах
Фасонные отливки из алюминиевых сплавов широко используются в
авиационном
машиностроении.
Особенность
алюминиевых
сплавов
–
образование в них характерных структурных неоднородностей даже при
правильно сконструированной литниковой системе и строгом соблюдении
технологии литья. Такой структурной неоднородностью алюминиевых сплавов
является газовая пористость. Степень ее (концентрация пор в объеме отливки и
их размер) влияет на предел прочности, предел текучести, относительное
удлинение отливок и в зависимости от требуемых механических свойств
отливок может рассматриваться как дефект или как допустимая несплошность.
Действующими
в
авиационной
промышленности
стандартами
[2–3]
установлены пять баллов пористости для алюминиевых сплавов. В настоящее
время основным видом неразрушающего контроля газовой пористости в
алюминиевых отливках является рентгенографический метод [4].
При рентгенографическом контроле отливок из алюминиевых сплавов
оценку их качества проводят с помощью эталонных рентгенограмм.
Сравнивая изображение пористости на эталонных рентгенограммах и
рисунок пористости на рентгенограмме с изображением ОК, оператор дает
заключение о наличии и балле пористости в нем.
Авторы провели ряд рентгеноскопических исследований эталонных
образцов из алюминиевых сплавов различных марок (AЛ2, AЛ4, АЛ5, АЛ9,
AЛ9-1, АЛ32, АЛ34, ВАЛ10, ВАЛ14) с определенными баллами газовой
пористости. Для стабильного разделения образцов третьего, четвертого и
пятого
баллов
увеличение
пористости
необходимо
изображения
ОК,
микрорентгеноскопическим
микрорадиографии
десятикратное
которого
методом
[5]).
В
проекционное
можно
добиться
(аналог
проекционной
результате
проведенных
микрорентгеноскопических исследований была создана шкала пористости
для сплавов группы «силумин» (алюминий–кремний) и сплавов ВАЛ10,
ВАЛ14
(алюминий–медь).
Чаще
отбраковочным
баллом
пористости
алюминиевых отливок был третий балл. С помощью микрорентгеноскопии
появилась возможность значительно быстрее и дешевле определять в партии
произведенных отливок те, у которых балл пористости выше третьего. При
необходимости
определения
микрорентгеноскопия
может
первого
балла
значительно
пористости
снизить
в
отливках
издержки
путем
предварительной отбраковки отливок с пористостью баллом выше третьего,
затем в целях определения отливок, имеющих пористость первого балла,
использовать рентгенографический метод.
Контроль литейных дефектов магниевых сплавов.
Для литейных магниевых сплавов (системы магний–алюминий–цинк)
характерна склонность к образованию в отливках специфического дефекта –
микрорыхлоты, которая бывает сильной, средней или слабой [6]. Кроме
микрорыхлоты в магниевых отливках возникают и другие литейные дефекты –
включения шлаков, окисные плены, газовые раковины, неплотности и
структурные неоднородности. В настоящее время все вышеперечисленные
дефекты магниевых отливок контролируются рентгенографическим методом [4].
Авторами исследовались эталонные образцы с дефектами различных видов и
размеров из сплавов МЛ5, МЛ12, МЛ15, МЛ9 и МЛ10. Провели сравнение
результатов
рентгенографического,
микрорентгеноскопического
контроля
рентгеноскопического
эталонных
образцов,
и
результаты
представлены в таблице. Видно, что далеко не все дефекты, хорошо выявляемые
рентгенографическим методом, можно увидеть на рентгеноскопическом
изображении даже при большом проекционном увеличении изображения ОК
(микрорыхлота, структурная неоднородность, неплотности первого и второго
баллов).
Применение
микрорентгеноскопического
метода
значительно
расширяет возможности обнаружении таких дефектов, как шлаковые включения,
окисные плены и газовые раковины.
Дефекты
Микрорыхлота
Структурная
неоднородность
Включения шлака
Окисные плены
Газовые раковины
Неплотности
Выявляемость дефекта методами НК
рентгенографическим рентгеноскопическим микрорентгеноскопическим
Выявляет слабую,
Не выявляет
Не выявляет
среднюю и сильную
степени
Выявляет
-«-«Выявляет 1-, 2- и 3-й
баллы
Выявляет 3-й балл
Выявляет 1-, 2- и 3-й
баллы
Выявляет,
диаметр 2–4 мм
Не выявляет
Выявляет 1-й и 2-й
баллы
Выявляет,
диаметр 3–4 мм
Не выявляет
Выявляет 1-й и 2-й баллы
при проекционном
увеличении в 5 раз,
а 3-й балл при проекционном
увеличении в 2 раза
То же
Выявляет, диаметр 2–4 мм
при проекционном
увеличении в 2 раза
Не выявляет
Контроль дефектов в алюминиевых сварных соединениях
Сварные соединения могут содержать различные дефекты: непровары,
подрезы, шлаковые включения, газовые поры, трещины и т.д. Было проведено
сопоставление
результатов
рентгеноскопического
и
микрорентгеноскопического контроля алюминиевых сварных соединений с
результатами рентгенографического контроля. Рентгеноскопическим методом
удалось обнаружить крупные дефекты сварки объемного характера: газовые
раковины, шлаковые включения, включения других металлов. Объемные
дефекты, если их размеры в направлении просвечивания соответствуют
чувствительности контроля (около 5% от просвечиваемой толщины), могут
быть легко обнаружены. Рентгеноскопическая выявляемость плоскостных,
мелких и малоконтрастных дефектов в сварных соединениях (непроваров,
подрезов, трещин с малым раскрытием, газовых пор, мелких шлаковых
включений). Микрорентгеноскопический контроль позволяет устранить этот
недостаток. Например, на рис. 1 представлены результаты контроля без
увеличения и с проекционным увеличением одного и того же ОК.
Рисунок 1. Рентгеноскопическое изображение фрагментов
сварного соединения (а), сварного соединения, увеличенного в 5 раз (б),
сварного соединения, увеличенного в 10 раз (в), (г)
Увеличение в пять-десять раз гарантирует обнаружение дефектов по
второму-третьему классу чувствительности (ГОСТ 7512–82).
Контроль качества восковых моделей и керамических стержней
литых охлаждаемых лопаток ГТД
Процесс производства литых охлаждаемых лопаток ГТД состоит из
нескольких этапов. Один из них – изготовление керамических стержней и
восковых моделей лопаток ГТД. Керамический стержень имеет форму
внутренней полости лопатки, а восковая модель – форму самой лопатки.
Естественно, что качество изготовления керамических стержней и восковых
моделей будет в значительной мере определять и качество самих лопаток
ГТД. Следовательно, как и лопатка, керамические стержни и восковые
модели проходят 100%-ный неразрушающий контроль. Рентгеновский
контроль проводят в целях обнаружения в ОК скрытых от визуального
контроля трещин, пор, раковин. Особенно коварными дефектами являются
трещины, так как они могут быть обнаружены только при условии
совпадения их плоскости с направлением излучения, а криволинейная
конструкция керамических стрежней и восковых моделей не позволяет
получить такого совпадения за одну экспозицию, что при использовании
рентгенографии несет в себе дополнительные затраты.
Были
проведены
экспериментальные
исследования
керамических
стрежней и восковых моделей рентгеноскопическим методом с вращением
ОК перед окном радиоскопического преобразователя и при одновременном
проекционном увеличении в два раза ОК. Применение микрорентгенографии
позволяет
значительно
расширить
получаемую
дефектоскопическую
информацию. На рис. 2 представлен результат рентгеноскопического
контроля керамического стержня и восковой модели без проекционного
увеличения (рис. 2, а) и увеличенные в 2 раза изображения его «замковой»
части (рис. 2, в) и его «корыта» (рис. 2, б). На рентгеноскопическом
изображении без увеличения была пропущена трещина, которая хорошо
выявилась с помощью микрорентгеноскопии (см. рис. 2, б).
Рисунок 2. Рентгеноскопическое изображение керамического стержня
и восковой модели литой охлаждаемой лопатки ГТД (а); увеличенное в два раза
изображение части «корыта» (б) и «замка» (в) ОК
Оптимальные режимы контроля для различных участков керамических
стержней и восковых моделей позволили обнаружить трещины раскрытием
до 0,1 мм. По результатам исследований была разработана технология
контроля [7].
Итак,
разработки
и
результаты
исследований,
проведенных
на
рентгеноскопической установке «Норка», могут быть легко адаптированы
для решения схожих задач НК в авиастроении.
Решение каждой конкретной задачи перехода на рентгеноскопический
контроль позволяет значительно сократить временные и материальные
издержки при контроле, что, безусловно, сказывается и на себестоимости.
Список литературы:
1. Соснин
Ф.Р.
Неразрушающий
контроль:
Справочник
/
Под
общей
ред.
В.В. Клюева. Т. 1: В 2 кн.: Кн. 1: Визуальный измерительный контроль:
Кн. 2: Радиационный контроль. – М.: Машиностроение, 2003. – 560 с.
2. ОСТ 1.90021–79. Отливки фасонные из алюминиевых сплавов. Общие технические
требования.
3. ОСТ 1.90029–71. Методы определения структуры отливок из алюминиевых литейных
сплавов.
4. ПИ 1.2.226–83. Рентгеновский контроль литых деталей. – М.: ВИАМ, 1983. – 70 с.
5. Добромыслов В.А. Радиационные методы неразрушающего контроля. – М.:
Машиностроение, 1999. – 104 с.
6. ОСТ 1.90248–77. Отливки фасонные из магниевых сплавов. Общие технические
требования.
7. ТР 1.2.1795–2004. Неразрушающий контроль радиоскопическим методом восковых
моделей и керамических стержней для литых охлаждаемых лопаток ГТД. – М.:
ВИАМ, 2004.