СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2012 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к технике испытаний, в частности к способам испытаний конструкционных материалов на усталость, позволяющим контролировать восстановление усталостной прочности деталей в процессе их ремонта и после него.

Известно, что детали конструкций в процессе эксплуатации при циклических нагрузках повреждаются, причем эти повреждения часто бывают местными, что приводит к уменьшению предела усталости, в результате прогрессирующего повреждения материала в опасном месте и к часто наблюдаемому изменению положения опасных мест.

Существует и разрабатывается много способов ремонта или восстановления усталостной прочности деталей, повреждаемых наработкой, особенно, если эти детали являются ответственными и дорогостоящими. Например, можно определить положение опасного места наработанной детали, удалить поврежденный слой материала с опасного места, а затем нанести на поврежденную поверхность детали в этом месте наноструктурированное покрытие, с последующей термической обработкой. Но для этого нужно знать положение опасного места, кроме того, у небольшой части восстановленных или отремонтированных деталей усталостная прочность восстанавливается не полностью или не восстанавливается.

В связи с этим после ремонта возникает потребность контроля восстановления усталостной прочности, особенно, для критериальных деталей, например, авиационных лопаток турбин и вентиляторов, различных тяг, трубопроводов и т.д.

Известен классический способ контроля усталостной прочности, связанный с усталостными испытаниями до разрушения партий внешне одинаковых деталей с целью определения предела усталости для этой партии (1. Школьник, Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. Металлургия, 1978, 304 с.)

Но классический способ требует разрушения контролируемых деталей: поэтому его можно променять только для контроля качества технологических операций, используемых при ремонте, поэтому он не позволяет контролировать восстановление усталостной прочности каждой отремонтированной детали.

Использование ускоренного способа определения предела усталости путем испытания контролируемой детали при ступенчато увеличивающейся циклической нагрузке до разрушения также неприемлемо, так как контролируемая деталь при этом разрушается.

Использование различных способов неразрушающего контроля и дефектоскопии: например, ультразвуковых, магнитных, электромагнитных, токовихревых, методов акустической эмиссии и т.д. не позволяют гарантировать контроль восстановления усталостной прочности отремонтированной детали, так как эти способы связаны с поиском дефектов, которых может и не быть, или с регистрацией явлений, имеющих другую природу, чем усталостный процесс.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ испытаний на усталость, включающий нагружение симметричными циклами при различных уровнях нагрузки до разрушения эталонных образцов, определение калибровочной зависимости количества циклов до разрушения от величины нагрузки, нагружение испытуемого образца, при этом нагружении испытуемого образца регистрируют инфракрасное излучение с его поверхности, по интенсивности излучения измеряют приращение температуры от величины нагрузки и коэффициента асимметрии цикла, после чего по калибровочной зависимости для каждого приращения температуры находят соответствующее число циклов до разрушения (2. Пат. РФ №2252409, опубл. 20.10.2004 г.).

Известный способ использует в качестве информативного параметра приращение температуры в месте локального разогрева образца, при его нагружении, съем информации при этом бесконтактный, дистанционный, не приводящий к повреждению испытуемого образца, но для построения калибровочной зависимости количества циклов до разрушения от величины нагрузки необходимы усталостные испытания до разрушения эталонных образцов.

Недостатком данного способа является, связанная с усталостными испытаниями, высокая трудоемкость, а также недостаточная оперативность, малая надежность и низкая точность контроля восстановления усталостной прочности данной детали.

Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в создании нетрудоемкого, оперативного, надежного и точного способа контроля восстановления усталостной прочности деталей без проведения разрушающих усталостных испытаний эталонных образцов.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом способе контроля восстановления усталостной прочности деталей, закрепленных на стенде, включающем измерение инфракрасного излучения с их поверхности при нагружении деталей, сначала испытывают ненаработанные детали, нагружая их кратковременной фиксированной циклической нагрузкой, вызывающей локальное изменение интенсивности инфракрасного излучения на поверхности деталей, и, после его стабилизации или после заданного времени воздействия этой нагрузкой, регистрируют положение этих локальных мест и величину изменения интенсивности инфракрасного излучения в них, после чего аналогичные испытания проводят с деталями, по мере их восстановления или восстановленными после повреждения при эксплуатации, контроль восстановления усталостной прочности каждой детали оценивают по степени совпадения мест и величин локального изменения интенсивности инфракрасного излучения в каждом из этих мест, у детали ненаработанной и после восстановления.

Существенными отличительными признаками заявляемого способа являются:

- сначала на стенде испытывают ненаработанные (новые) детали;

- эти детали нагружают стационарной кратковременной циклической нагрузкой, вызывающей изменение интенсивности инфракрасного излучения на их поверхности;

- после стабилизации интенсивности инфракрасного излучения на поверхности или после заданного времени воздействия нагрузкой регистрируют, с помощью термограммы, положение мест каждой детали, в которых происходит увеличение интенсивности инфракрасного излучения, и величину локального изменения интенсивности инфракрасного излучения в каждом из этих мест;

- аналогичные испытания проводят с деталями, по мере их восстановления или восстановленными, после повреждения при эксплуатации;

- контроль восстановления усталостной прочности каждой детали оценивают по степени совпадения мест и величин локального изменения интенсивности инфракрасного излучения в каждом из этих мест детали ненаработанной и после восстановления.

Технический результат заключается в создании оперативного, надежного и достаточно не трудоемкого способа контроля восстановления усталостной прочности каждой детали, без ее повреждения.

Заявляемый способ соответствует критерию «новизна», поскольку проведенный патентный поиск не выявил аналогичных технических решений.

Совокупность существенных отличительных признаков, позволяющих решить поставленную задачу, не известна из существующего уровня техники и, следовательно, заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемый способ контроля восстановления усталостной прочности деталей связан с регистрацией тепловыделения в материале контролируемых деталей, при их циклическом нагружении, которое имеет туже природу, что и усталостный процесс. При этом до наработки тепловыделение возникает в местах, которые являются наиболее нагруженными или слабыми. По мере наработки может наблюдаться увеличение тепловыделения еще и в других местах детали, которые повреждаются при эксплуатации. У лопаток турбин и вентиляторов опасные места в процессе наработки смещаются. Например, до наработки опасные места лопатки находятся, обычно, около корневой части пера. Здесь, при циклическом нагружении, и наблюдается наибольшее увеличение интенсивности инфракрасного излучения. В процессе наработки к струе раскаленных газов интенсивно повреждается средняя часть пера, поэтому, при циклическом нагружении, после определенной наработки опасное место перемещается в среднюю часть пера, и теперь уже здесь наблюдается наибольшее увеличение интенсивности инфракрасного излучения. Отметим, что повреждение материала детали лопатки в том числе и от усталости приводит к увеличению тепловыделения в поврежденных местах.

Пример осуществления заявляемого способа.

Четыре лопатки турбин авиационных двигателей, не подвергавшихся наработке (новые), закрепили в испытательной машине и, при нормальных условиях испытания, при одной и той же нагрузке на первой форме колебаний измеряли термограммы каждой лопатки и фиксировали для каждой лопатки положение ее опасного места, определяемое местом наибольшего увеличения интенсивности инфракрасного излучения, и величину саморазогрева в этом месте. При этом наибольшее повышение интенсивности инфракрасного излучения у всех новых лопаток наблюдалось в корневой части пера.

Затем среднюю часть каждой лопатки повреждали кислотой так, чтобы при той же нагрузке опасное место лопатки перемешалось в среднюю часть пера, и снова при том же циклическом нагружении определяли положение опасных места каждой лопатки и измеряли величину интенсивности инфракрасного излучения в этих местах. При этом наибольшее увеличение интенсивности инфракрасного излучения было в средней части пера. Такие операции имитируют наблюдаемое перемещение опасного места лопаток, при повреждении лопаток струей раскаленных газов в процессе эксплуатационной наработки.

Затем проводили ремонт: упрочнение каждой поврежденной лопатки и, особенно ее поврежденной средней части, постепенным напылением наноструктурированного покрытия. Ремонт проводили до тех пор, пока опасное место отремонтированной лопатки не переместится в корневую часть лопатки. Варьируя степень напыления средней и корневой части лопатки, несложно добиться того, чтобы при фиксированном циклическом нагружении лопатки тепловыделение в бытием опасном месте средней части и в опасном месте корневой части восстанавливаемой лопатки было снижено до уровня, которое было у неповрежденной лопатки.

По сравнению с прототипом, заявляемый способ позволяет оперативно, надежно, без больших трудозатрат и без поведения усталостных испытаний до разрушения, контролировать восстановление усталостной прочности деталей, у которых при эксплуатации опасные места фиксированы или смещены из-за местных повреждений.

Изобретение относится к технике испытаний, в частности к способам испытаний конструкционных материалов на усталость, позволяющим контролировать восстановление усталостной прочности деталей в процессе их ремонта и после него. Сущность: измеряют инфракрасное излучение при нагружении с поверхности деталей, закрепленных на стенде, сначала ненаработанных, а затем восстановленных. На стенде испытывают ненаработанные детали, нагружая их кратковременной фиксированной циклической нагрузкой, вызывающей локальное изменение интенсивности инфракрасного излучения на поверхности деталей, и, после его стабилизации или после заданного времени воздействия этой нагрузкой регистрируют положение этих мест и величину локального изменения интенсивности инфракрасного излучения в них. Аналогичные испытания проводят с деталями, восстановленными после повреждения при эксплуатации, контроль восстановления усталостной прочности каждой детали оценивают по степени совпадения мест и величин локального изменения интенсивности инфракрасного излучения в каждом из этих мест, у этой детали ненаработанной и после восстановления. Технический результат: возможность оперативного, надежного и достаточно нетрудоемкого способа контроля восстановления усталостной прочности каждой детали, без ее повреждения.

Способ контроля восстановления усталостной прочности деталей путем измерения инфракрасного излучения с их поверхности при нагружении деталей, закрепленных на стенде, сначала ненаработанных, а затем восстановленных, отличающийся тем, что, сначала на стенде испытывают ненаработанные детали, нагружая их кратковременной фиксированной циклической нагрузкой, вызывающей локальное изменение интенсивности инфракрасного излучения на поверхности деталей, и после его стабилизации или после заданного времени воздействия этой нагрузкой регистрируют положение этих мест и величину локального изменения интенсивности инфракрасного излучения в них, после чего аналогичные испытания проводят с деталями, восстановленными после повреждения при эксплуатации, контроль восстановления усталостной прочности каждой детали оценивают по степени совпадения мест и величин локального изменения интенсивности инфракрасного излучения в каждом из этих мест у этой детали ненаработанной и после восстановления.