ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ В ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ

Эдуард Вайнберг, президент ООО
"ПРОМИНТРО", д.т.н.

Отработка технологии, производство и эксплуатация современных авиационных, энергетических, автомобильных и ракетных двигателей немыслимы без использования высокоинформативных средств неразрушающего контроля качества и количественной технической диагностики.

К сожалению, традиционные методы неразрушающего контроля, незаменимые при исследовании наружной поверхности или изделий простейшей формы типа листов или труб, не обеспечивают в необходимой степени контроль внутренней структуры сложных, пространственно развитых деталей и сборок, типичных для конструкций современных двигателей.

Например, чем измерить толщину стенки замкнутой рубашки охлаждения или охлаждаемой турбинной лопатки сложной формы? Чем оценить распределение плотности по объему твердотопливного ракетного двигателя или боеприпаса? Как оценить качество пайки внутри сложной форсунки или неразъемного соединения? Как проверить соответствие пространственного армирования и структуры многослойной композиционной конструкции требованиям чертежа? Как гарантировать качество и надежность сложного литья, если в вашем распоряжении нет адекватных средств неразрушающего контроля изделий произвольной формы и структуры?

Именно для решения указанных задач разработаны и выпускаются промышленные рентгеновские компьютерные томографы, способные количественно исследовать внутреннюю пространственную структуру изделий любой сложности.
На рентгенограмме тени сложной структуры накладываются друг на друга и маскируют важные фрагменты конструкции, а тем более мелкие дефекты.

На томограммах - все наоборот. Сложная внутренняя структура изделия воспроизводится без наложений, как на чертеже сечения. Материалы разной плотности и состава четко различаются. Размеры любой недоступной полости и стенки могут быть измерены с точностью лучше 0,05 мм. Дефекты в виде пор и включений отчетливо обнаруживаются. Трещины с раскрытием в 50 мкм уверенно обнаруживаются вне зависимости от их ориентации.

По чувствительности к локальным дефектам, малым отклонениям геометрии и плотности внутри изделий со сложной внутренней структурой компьютерные томографы на два порядка превосходят возможности традиционных средств неразрушающего контроля.

И все это один оператор способен оценить без разрушения изделия, сидя за столом перед экраном компьютера.
Томограмма ("слоеграмма") может содержать около миллиона 16-разрядных цифровых значений, отражающих распределение плотности материалов в исследуемом сечении или выбранной оператором отдельной зоне (локальная томограмма).
Результаты томографического контроля представляются в виде изображений на экране монитора, графиков и т.д., позволяющих обнаружить дефекты.

В упрощенном виде принцип работы рентгеновского компьютерного томографа состоит в реконструкции (восстановлении) трехмерного распределения плотности материалов в объеме объекта по совокупности интегральных теневых проекций, полученных при рентгеновском просвечивании изделия в различных направлениях.

Современный промышленный компьютерный томограф обычно имеет в своем составе прецизионную многокоординатную сканирующую систему с подвижным столом, на котором закрепляется контролируемое изделие, мощный высокоэнергетический источник рентгеновского излучения с минимальными размерами фокусного пятна, многоканальный блок детекторов, сменные коллиматоры и фильтры, быстродействующий вычислительный комплекс.

Кроме того, в состав томографа входят элементы биологической защиты, стандартные образцы для юстировки и проверки метрологического состояния, а также многочисленные электронные подсистемы, обеспечивающие совместную работу всех частей томографа под управлением компьютера и оператора.

Универсальные компьютерные томографы обычно поддерживают несколько режимов неразрушающего контроля: цифровую рентгенографию, обзорную и локальную томографию выбранного сечения, многослойное сканирование с трехмерной реконструкцией объемной структуры изделия и др.

Для интерактивной расшифровки цифровых результатов томографического контроля предусмотрен широкий спектр современных математических методов обработки, визуализации и документирования. Неограниченное время хранения цифровых томограмм (в неизменном виде) создает качественно новые возможности проведения функциональной диагностики и исследования малых изменений внутренней структуры на протяжении всей "жизни" ответственных изделий: на последовательных стадиях изготовления, при хранении, в процессе эксплуатации, при ремонте и испытаниях, под влиянием внешних воздействий. Регулярное архивирование томограмм в производстве позволяет контролировать технологическую дисциплину.

Для повышения уровня разработок и технологии бывает полезно без разрушения детально изучить особенности внутреннего устройства изделий-аналогов, выпускаемых конкурентами или с использованием альтернативных технологических приемов.
Вычислительные томографы незаменимы при отработке технологии, измерении толщины стенок и сертификации охлаждаемых турбинных лопаток современных авиационных и энергетических газотурбинных двигателей.

Высокая достоверность неразрушающего томографического контроля с обнаружением критичных утонений толщины стенок и скрытых внутренних дефектов - необходимый фактор обеспечения качества и надежности охлаждаемых турбинных лопаток и двигателя в целом. Ни рентгенография, ни ультразвуковая аппаратура не эффективны при контроле современных лопаток, целых блоков и турбин со все усложняющейся внутренней структурой. Каждая сверхскоростная турбина ЖРД "Вулкан" ракеты "Ариан-5" сертифицируется с помощью российского компьютерного томографа ВТ-500.

Трудно переоценить возможности количественного неразрушающего томографического контроля при отработке технологии и сертификации в процессе хранения камер сгорания и сопловых блоков ракетных твердотопливных двигателей. Количественная оценка распределения плотности твердого топлива по объему двигателя дополняется эффективностью обнаружения малых отслоений в зоне сопряжения топлива с корпусом и уникальной информативностью при изучении внутренней структуры сопловых блоков и многослойных конструкций управления вектором тяги.

В основе технологии производства большинства композиционных материалов и конструкций лежит метод формирования оптимальной пространственной структуры изделий из специально подобранных исходных материалов и элементов. Эффективность зависит от способности используемого технологического процесса воспроизводить требуемую объемную структуру.

Однако в рамках традиционных методов нет средств объективной неразрушающей оценки фактических геометрических параметров внутренней объемной структуры изделий из композиционных материалов.

В этой связи метод рентгеновской компьютерной томографии представляются чрезвычайно важными. Современная наука не располагает другим методом с подобным информационным потенциалом при неразрушающем исследовании сложной объемной структуры ответственных промышленных изделий.

Несмотря на уникальные информационные возможности вычислительных томографов, для многих руководителей предприятий, конструкторов и технологов они еще не стали привычным элементом технологии. Этой цели и служит настоящая публикация.

Все представленные томограммы были получены с помощью компьютерных томографов серии ВТ, выпускаемых ООО "Проминтро".

Тел./ Факс: (7-095) 361-9802.
Факс: 362-5617.
E-mail: indintro@vei.ru