КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТОМОГРАФЫ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
И КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ДИАГНОСТИКИ ИЗДЕЛИЙ
АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ООО "Промышленная интроскопия":
Ирина Алексеевна Вайнберг, к.т.н.
Эдуард Ильич Вайнберг, д.т.н.

Отработка технологии, производство и эксплуатация ответственных изделий аэрокосмического назначения - все это немыслимо без использования высокоинформативных средств неразрушающего контроля качества и количественной технической диагностики.
К сожалению, традиционные методы неразрушающего контроля ориентированы на исследование наружной поверхности или изделий простой формы типа листов или труб, но не обеспечивают количественный контроль внутренней структуры сложных, пространственно развитых деталей и сборок, типичных для аэрокосмических конструкций.

Внешний вид, рентгенограмма, двумерная и трехерная томограммы топливораспределительного блока истребителя

Например, чем измерить толщину стенки замкнутой рубашки охлаждения или охлаждаемой турбинной лопатки сложной формы? Чем оценить распределение плотности по объему твердотопливного ракетного двигателя или ответственной боеголовки? А величину зазоров и правильность сборки ответственного клапана или датчика? Как оценить качество пайки внутри сложной форсунки или неразъемного соединения? Как оценить 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?

Внешний вид компьютерного томографа ВТ-800ЧФ и рабочего места оператора

Именно для этих целей разработаны и выпускаются промышленные рентгеновские компьютерные томографы, способные количественно исследовать внутреннюю пространственную структуру изделий любой сложности. Чем сложнее изделие, тем ярче проявляются уникальные информационные возможности компьютерных томографов.

Достаточно сравнить изображения цифровой рентгенограммы и компьютерных томограмм топливораспределительного блока истребителя (компьютерный томограф отечественной фирмы "Промышленная интроскопия" с использованием тормозного излучения электронов с энергий от 450 кэВ до 5 МэВ; изделия - с поперечными размерами от 100 до 800 мм).

Трехмерные и двумерные томограммы крупной охлаждаемой турбинной лопатки

На рентгенограмме тени внутренних структур накладываются друг 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, где бы они ни прятались внутри сложной конструкции. 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 радиационного неразрушающего контроля.

Сравнение качества пайки двух однотипных датчиков угловой скорости, изготовленных с интервалом в несколько лет (левый - более поздний, дефектный)

И все это без разрушения изделия, сидя за столом перед экраном компьютера. Для размещения томографического оборудования необходим рентгеновский бокс и пультовая - рабочее место оператора.

Каждая приведенная в этой статье томограмма ("слоеграмма") содержит миллион 16-разрядных цифровых значений, отражающих распределение плотности материалов в исследуемом сечении или выбранной оператором отдельной зоне такого сечения (локальная томограмма).

Результаты томографического контроля представляются на экране мониторов в виде изображений, графиков и распечаток внутренней структуры, позволяющих обнаружить дефекты в виде разноплотностей, пор, трещин, включений и бесконтактно измерить геометрические размеры внутренних конструктивных элементов. Это современнейшая аппаратура, объединившая четко сформулированную математическую идею, хорошо освоенную физику и технику радиационного просвечивания с последними достижениями современной компьютерной техники.

Сравнение распределения пластины в каталитических нейтрализаторах фирм Walker и General Motors (справа)

В упрощенном виде принцип работы рентгеновского компьютерного томографа состоит в реконструкции (восстановлении) трехмерного распределения плотности материалов в объеме объекта контроля (ОК) по совокупности интегральных теневых проекций, полученных при рентгеновском просвечивании изделия в различных направлениях. Это похоже на то, как Вы рассматриваете с разных сторон треснувший стакан, с той лишь разницей, что объект томографического контроля непрозрачен, а число необходимых углов (направлений) просвечивания порядка 1000. Если учесть, что обычный рентгеновский снимок - это только аналоговая запись одной из тысячи таких проекций, то станет понятным, почему компьютерные томографы - это сложные и достаточно дорогостоящие устройства.

Универсальный промышленный компьютерный томограф ВТ-800ХА имеет в своем составе: прецизионную многокоординатную сканирующую систему с подвижным столом, на котором закрепляются контролируемые изделия диаметром до 800 мм, длиной до 3 м и массой до 1 т; два мощных высокоэнергетических источника ионизирующего излучения (на 450 кэВ и 4 МэВ) с минимальными размерами фокусного пятна; многоканальный блок детекторов, сменные коллиматоры и фильтры; быстродействующий вычислительный комплекс, поддерживаемый специализированным программным обеспечением, два высококачественных монитора и цветной принтер.

Трехмерные томограммы многомерно армированного ракетного сопла из углерода и сложного запаянного клапана

Кроме того, в состав томографа входят элементы биологической защиты, средства загрузки и т.д.

Такой универсальный высокоэнергетический компьютерный томограф поддерживает несколько режимов неразрушающего контроля: цифровую рентгенографию, обзорную и локальную томографию выбранного сечения, многослойное сканирование с реконструкцией трехмерной объемной структуры изделия, построением произвольно ориентированных сечений и количественными измерениями размеров и плотности в объеме ОК.

Для интерактивной расшифровки цифровых результатов томографического контроля предусмотрен широкий спектр современных математических методов обработки, визуализации и документирования. Неограниченное время хранения цифровых томограмм позволяет сертифицировать неразъемные ответственные аэрокосмические изделия, проводить функциональную диагностику и исследования малых изменений внутренней структуры на протяжении всей "жизни" этих изделий: на последовательных стадиях изготовления, при хранении, в процессе эксплуатации, при ремонте и испытаниях, под влиянием внешних воздействий (механических, тепловых, радиационных, влаги и т.п.).

Томограммы охлаждаемых турбинных лопаток, модеей и форм

Регулярное архивирование томограмм при серийном производстве однотипных изделий позволяет контролировать технологическую дисциплину, качество используемых материалов и износ технологического оборудования.

Для повышения уровня разработок и технологии бывает полезно при отсутствии конструкторской документации детально изучить особенности внутреннего устройства изделий-аналогов, выпускаемых конкурентами с использованием альтернативных технологических приемов.

Томограмма турбины ЖРД

Наиболее широкое применение вычислительных томографов связано с отработкой технологии, измерением толщины стенок и сертификацией сложных охлаждаемых турбинных лопаток современных газотурбинных двигателей.

Высокая достоверность неразрушающего томографического обнаружения критичных утонений толщины стенок и дефектности внутренних отверстий - важный фактор обеспечения качества и надежности охлаждаемых турбинных лопаток и газотурбинного двигателя в целом. Как иначе без разрушения измерить локальную толщину разнотолщинной стенки в подобных изделиях да еще с точностью лучше 50 мкм? Ни рентгенография, ни ультразвуковая аппаратура не эффективны при контроле современных лопаток, целых блоков и турбин со все усложняющейся внутренней структурой. Поэтому томографический контроль за последние годы стал важным элементом повышения конкурентоспособности изделий ведущих аэрокосмических и двигателестроительных фирм.

Томограммы керамического турбинного колеса

Высока эффективность применения компьютерной томографии и для контроля турбинных колес из стали, титана, керамики. Например, каждая сверхскоростная турбина ЖРД "Вулкан" ракеты "Ариан-5" сертифицируется с помощью российского компьютерного томографа ВТ-500.

Не менее информативен томографический контроль качества сварных, паяных и клеевых соединений в сложных сборках.

Томограммы паяных и сварных соединений

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.

Неразрушающее изучение внутренней структуры сложных многослойных композитов - в наибольшей степени выявляет уникальные информационные достоинства томографического контроля.

Томограммы современных РДТТ

В основе технологии большинства композиционных материалов и конструкций лежит метод достижения необходимых механических и теплофизических свойств путем формирования оптимальной (применительно к условиям эксплуатации) пространственной структуры изделий из специально подобранных исходных материалов и структурных элементов. Эффективность этого приема в решающей степени зависит от способности используемого технологического процесса воспроизводить с необходимой точностью требуемую объемную структуру в каждом изготавливаемом изделии.

Локальные томограммы композитной лопасти с последовательным увеличением разрешения

Однако в рамках традиционных методов промышленной диагностики в распоряжении разработчика и технолога нет средств объективной неразрушающей оценки фактической геометрии внутренней объемной структуры изделий из композиционных материалов, что разрывает необходимую причинно-следственную связь между технологией, структурой и эксплуатационными свойствами.

Томограммы поперечного сечения диска из армированного титана, сотового теплозащитного лопаток вентилятора, лопасти вертолета и графитовых уплотнительных колец

В этой связи метод и аппаратура рентгеновской компьютерной томографии представляются чрезвычайно важными для всей технологической цепи создания конструкций из композиционных материалов, будь то: сотовые конструктивные или теплозащитные блоки; многомерно армированные углерод-углеродные рули или тормозные диски; армированные волокнами титановые диски перспективных авиационных двигателей; высокотемпературные графитовые уплотнительные кольца; вертолетные лопасти или лопатки малошумных вентиляторов из угле- и органопластиков.

Томограмма сложного стального литья с крупной порой

Навигационные датчики и приборы современных авиационных, ракетных и спутниковых комплексов становятся все сложнее и миниатюрнее, а требования к их надежности и метрологическим характеристикам непрерывно возрастают. В этой связи возможность количественного томографического неразрушающего контроля правильности сборки и величины зазоров внутри герметизированного неразборного объема подобных приборов становятся важным фактором обеспечения надежности аэрокосмических систем.

Томограммы продольных и поперечных сечений сложных навигационных приборов аэрокосмического назначения

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. Теперь Вы знаете, что возрастающая сложность внутренней структуры изделий аэрокосмической промышленности - не препятствие, а повод ощутить красоту метода вычислительной томографии.

ООО "Промышленная интроскопия"
11250, Москва,
ул. Красноказарменная, д. 12
Тел./Факс: (495) 361-9802.
E-mail: indintro@vei.ru