Разработка методики ультразвукового контроля изделий, изготовленных методом селективного лазерного плавления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Дегтярев Максим Николаевич

• Дегтярев Максим Николаевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Дегтярев Максим Николаевич

Перечень сокращений

Введение

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ МОТИВАЦИЯ И ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ

1.1. Общие сведения о структурных особенностях изделий, изготовленных по технологии селективного лазерного плавления

1.2. Дефекты, характерные для изделий, изготовленных по технологии селективного лазерного плавления

1.3. Обзор методов неразрушающего контроля, применяемых для готовых изделий селективного лазерного плавления

1.4. Сравнение анизотропии аддитивных изделий с анизотропией материалов традиционного производства. Основные особенности ультразвукового контроля анизотропных материалов

1.5. Анализ способов обеспечения равномерной чувствительности при контроле анизотропных изделий

1.6. Постановка исследовательских задач

1.7. Результаты и выводы первой главы

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБРАЗЦОВ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

2.1. Экспериментальные исследования анизотропии образцов аддитивного производства

2.2. Исследования влияния анизотропии упругих свойств жаропрочного никелевого сплава на амплитуду отраженного сигнала при изменении направления прозвучивания

2.3. Моделирование влияния анизотропии упругих свойств на амплитуду отраженного от плоскостного отражателя сигнала при различной ориентации осей симметрии свойств

2.4. Исследование чувствительности ультразвукового эхо-импульсного метода при контроле образца из жаропрочного никелевого сплава, полученного методом селективного лазерного плавления

2.5. Результаты и выводы второй главы

ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ ПО СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ АНИЗОТРОПИИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ

3.1. Параметры для оценки анизотропии

3.2. Оценка эффективности различных коэффициентов анизотропии

3.3. Разработка критерия для классификации материалов по степени влияния анизотропии на неравномерность чувствительности контроля

3.4. Результаты и выводы третьей главы

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОРРЕКТИРОВКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КОНТРОЛЯ ПРИ ПРОЗВУЧИВАНИИ ИЗДЕЛИЙ В ЗОНАХ С РАЗЛИЧНЫМИ АКУСТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

4.1. Постановка задачи регрессионного анализа

4.2. Верификация модели

4.3. Результаты и выводы четвертой главы

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ, ПРОИЗВЕДЕННЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ

5.1. Автоматизированный ультразвуковой контроль изделий селективного лазерного плавления

5.2. Результаты и выводы пятой главы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Перечень сокращений

СЛП - Селективное лазерное плавление ГИП - Горячее изостатическое прессование НК - Неразрушающий контроль КТ - Компьютерная томография EBSD - Electron backscatter diffraction (дифракции обратного рассеяния

электронов)

QL - Quasi-longitudinal (квази-продольная волна) QSV - Quasi-shear vertical (квази-поперечная волна вертикальной поляризации) QSH - Quasi-shear horizontal (квази-поперечная волна горизонтальной

поляризации) ТИ - Трансверсально-изотропный ПЛВ - Прямое лазерное выращивание ГИП - Горячее изостатическое прессование БЦО - Боковой цилиндрический отражатель УЗ - Ультразвуковой УЗК-Ультразвуковой контроль АУЗК - автоматизированный ультразвуковой контроль ПЭП - Пьезоэлектрический преобразователь СКО - Средняя квадратичная ошибка САО - Средняя абсолютная ошибка ОМД - Обработка металлов давлением

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики ультразвукового контроля изделий, изготовленных методом селективного лазерного плавления»

Актуальность работы

Нагрузки, которым подвержены лопатки турбин, являются одними из самых значительных среди всех других нагрузок, возникающих в деталях и узлах авиационных двигателей и стационарных энергетических установок. В связи с этим к данным изделиям предъявляются высокие требования, касающиеся их надежности. Лопатки работают при высоких температурах, величина которой может превышать 1000 градусов, имеют сложную геометрическую форму с переменной толщиной сечения и большим количеством концентраторов напряжений. Основными материалами, используемыми при изготовлении лопаток, являются жаропрочные никелевые сплавы, которые обеспечивают необходимые прочностные характеристики и стойкость к коррозии. Одним из основных способов производства турбинных лопаток в настоящий момент является литье. Однако современный рынок требует повышение скорости производства и значительную экономию строительных материалов. Эти задачи могут быть решены с использованием аддитивного производства изделий, которое заключается в выращивания деталей сложной формы путем сплавления гранулированного порошка на платформе построения с использованием высокотемпературных источников тепла. Наиболее зарекомендовавшей себя на сегодняшний день технологией является селективное лазерное плавление (СЛП), заключающееся в плавлении строительного материала слой за слоем по траектории, определяемой геометрическими особенностями изделия. Широкий диапазон параметров процесса плавления позволяет добиваться прочностных и эксплуатационных характеристик, не уступающих характеристикам аналогичных изделий традиционного производства.

Одним из основных препятствий для внедрения новой технологии производства является отсутствие верифицированных методик контроля, обеспечивающих достоверное обнаружение дефектов изделий СЛП с учетом уникальных особенностей технологии послойного выращивания.

В настоящий момент существует множество исследований о возможности использования различных методов неразрушающего контроля для изделий СЛП. Анализ показывает, что наиболее перспективными являются ультразвуковые методы контроля. Использование различных типов волн позволяет реализовать контроль изделия в полном объеме и с высокой производительностью выявлять различные дефекты, включая наиболее опасные плоскостные. Однако, существует ряд ограничений, касающихся применения этих методов. Большое количество исследователей констатируют наличие выраженной механической анизотропии свойств в аддитивных материалах из жаропрочных никелевых сплавов. Данный эффект приводит к анизотропии акустической свойств, которая создает проблемы для правильной интерпретации результатов ультразвукового контроля ввиду неравномерной чувствительности при прозвучивании материала в различных направлениях. В применении к изделиям сложной формы этот вопрос в настоящее время недостаточно изучен, а необходимые методические подходы, позволяющие учесть влияние анизотропии свойств материалов СЛП на результаты ультразвукового контроля, не разработаны.

Цель работы и основные задачи исследований

Целью работы является обеспечение равномерной чувствительности при проведении ультразвукового контроля материала турбинных лопаток, произведенных методом селективного лазерного плавления из жаропрочного никелевого сплава, обладающих выраженной анизотропией акустических свойств. Для достижения установленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Определить особенности формирования структуры жаропрочного никелевого сплава, полученного по технологии селективного лазерного плавления.

2. Установить зависимости между структурными особенностями и акустическими свойствами материала.

3. Разработать модель, позволяющую по характеристикам анизотропной структуры материала корректировать параметры акустического контроля.

4. Провести верификацию предложенной модели на образцах с искусственными дефектами.

5. Разработать методику ультразвукового контроля лопаток, произведенных методом селективного лазерного плавления из жаропрочного никелевого сплава.

Методы исследования

Результаты проделанной работы были получены за счет теоретических исследований, численного и аналитического моделирования и экспериментальных исследований. Эксперименты были произведены с использованием дефектоскопа Omniscan MX. Экспериментальные образцы, произведенные методом СЛП, были получены на оборудовании Concept Laser M2. Компьютерная томография образцов была проведена на оборудовании GE Phoenix v|tome|x C450. Разработка образцов для экспериментальных исследований, численное и аналитическое моделирование, статистическая обработка данных и разработка регрессионных моделей были проведены с использованием стандартных программ, таких как KOMPAS 3D, Microsoft Excel, Mathcad 15, Python 3.0, CIVA.

Научная новизна работы

1. Предложен новый параметр (Ад), позволяющий количественно оценить степень неравномерности чувствительности при ультразвуковом контроле эхо-импульсным методом анизотропных материалов, полученных по аддитивной технологии. Параметр анизотропии (Ад) определяется как разность между отношениями скоростей поперечных волн взаимно-перпендикулярной поляризации, измеренных в направлениях под углом 45 градусов и по нормали к направлению выращивания соответственно.

2. Установлено критическое значение параметра Ад, при котором максимальное отклонение амплитуды эхо сигнала при изменении ракурса озвучивания не превышает 2 дБ. На примере плоскодонного отражателя диаметром 2 мм, расположенного на глубине 60 мм показано, что критическое значение параметра Ад составляет 6,5%. В случае если параметр анизотропии Ад > 6,5%,

необходимо проводить корректировку значения амплитуды принятого эхо-сигнала от дефекта.

Достоверность

Полученные в работе результаты и выводы подтверждаются использованием поверенного экспериментального оборудования, соответствием результатов экспериментов с результатами численного и аналитического моделирования, а также использованием методов статистической обработки данных.

Ценность выполненных исследований

Разработана и обоснована методика, которая позволяет учесть особенности отражения акустического поля от дефектов в анизотропных средах, характерных жаропрочным материалам, полученным по технологии селективного лазерного плавления.

Практическая значимость работы

Разработаны Технологические рекомендации (ТР 1.001-2022) и промышленный регламент (ПР-АУЗК-2022) для автоматизированного неразрушающего контроля качества, которые позволят обеспечить проведение ультразвукового неразрушающего контроля перспективных изделий, в том числе из жаропрочного никелевого сплава, изготовленных методом селективного лазерного плавления. Технологические рекомендации и промышленный регламент внедрены в Центр НТИ «Новые материалы и вещества». Разработана модель, основанная на машинном обучении, позволяющая осуществлять корректировку амплитуды при сканировании анизотропного материала в зависимости от ракурса озвучивания по отношению к направлению выращивания материала. Данная модель использована в программном обеспечении сканера-дефектоскопа роботизированного комплекса для выполнения ультразвукового контроля изделий аддитивного производства.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 3 научных работы [92, 93, 108], входящие в базу данных Scopus, из них 2 входящие в Перечень ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Установленная зависимость между анизотропией скорости УЗ-волн и изменением амплитуды эхо-сигнала при изменении ракурса озвучивания относительно направления выращивания на примере аддитивных материалов, используемых для производства турбинных лопаток СЛП.

2. Критерий классификации анизотропных аддитивных материалов СЛП по степени влияния анизотропии акустических свойств на результаты контроля.

3. Регрессионная модель, которая позволяет при ультразвуковом контроле анизотропных материалов турбинных лопаток СЛП определять величину корректировки амплитуды найденных отражателей ДА в зависимости от следующих параметров: угол между направлением прозвучивания и направлением выращивания, частота ультразвука, диаметр пьезоэлемента, глубина залегания отражателя, параметры анизотропии Aз и Alз.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 11 таблиц, состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов и списка литературы, включающего 108 наименований.

В первой главе проведен обзор основных структурных особенностей изделий СЛП, определены основные типы дефектов, обуславливаемые технологией производства, а также проведен обзор существующих исследований по применению различных неразрушающих методов контроля для изделий СЛП. На основе обзора определено, что наиболее перспективными методами для контроля лопаток СЛП из жаропрочного никелевого сплава являются ультразвуковые. Проведено сравнение особенностей УЗК анизотропных материалов изделий традиционного производства и материалов с анизотропией, характерной для СЛП.

Во второй главе проведены исследования по определению акустической и упругой анизотропии специальных аддитивных образцов из различных материалов, изготовленных методом СЛП и ПЛВ. На специальных образцах из материала ЭП648, полученных методом СЛП, проведены исследования по

определению связи между анизотропией скорости УЗ-волн и амплитудой отраженного сигнала от искусственного отражателя при прозвучивании с разных ракурсов. Для материалов с различной степенью анизотропии получены зависимости амплитуды отраженного сигнала от плоскодонного отражателя от положения кристаллографических осей по отношению к направлению прозвучивания. Проведено исследование чувствительности контроля в образце из ЭП648 СЛП с искусственными дефектами.

В третьей главе проведен обзор существующих методов оценки степени анизотропии и предложен новый метод для оценки анизотропии акустических свойств материалов турбинных лопаток СЛП. Проведено сравнение эффективности различных коэффициентов анизотропии, показано, что предложенный метод является наиболее эффективным. На основе оценки влияния различной степени анизотропии на результаты ультразвукового контроля получен критерий, позволяющий классифицировать материалы СЛП на слабо и сильно анизотропные.

В четвертой главе рассматривается задача коррекции изменения амплитуды отраженного сигнала при прозвучивании анизотропных лопаток СЛП в различных направлениях по отношению к направлению выращивания в приближении, что направление выращивания является осью симметрии свойств, а материал объекта контроля трансверсально-изотропным. На основе машинного обучения получена модель, позволяющая определить коррекцию амплитуды отраженного от дефекта сигнала, для всего диапазона углов между направлением прозвучивания и направлением выращивания. Произведена верификация модели на образцах с искусственными дефектами.

В пятой главе на основе выполненных исследований приведена разработанная методика контроля лопаток СЛП из жаропрочного никелевого сплава, в том числе разработан алгоритм действий по обеспечению равномерной чувствительности контроля при прозвучивании изделия во всем диапазоне углов между направлением прозвучивания и направлением выращивания.

Апробация работы

Основные результаты проведенной работы были доложены на XVI Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2023 г.), XXIII Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Москва, 2023 г.), XV Международной научно-технической конференции «НАУКОЁМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ» (г. Москва, 2023 г.), научных семинарах кафедры «Сварка, диагностика и специальная робототехника» МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2021, 2022 г, 2023г.).

Глава 1. Исследовательская мотивация и обзор проблемы

В главе проводится анализ проблем, связанных с выявлением и идентификацией дефектов на этапе после изготовления турбинной лопатки из жаропрочного никелевого сплава, изготовленной методом селективного лазерного плавления (СЛП). В результате проведенного обзора:

• определены основные дефекты, которые могут возникать в изделии в процессе печати методом СЛП,

• проведен анализ различных методов контроля, а также определены границы применения рассмотренных методов,

• сделаны выводы о возможности использования ультразвукового (УЗ) метода контроля и определены основные существующие ограничения, связанные с использованием этого метода для изделий СЛП

1.1. Общие сведения о структурных особенностях изделий, изготовленных по технологии селективного лазерного плавления

Механизмы, использующие лопатки, применяются в агрегатах с различным назначением. Чаще всего они применяются в турбинах и компрессорах. Лопатки паровых турбин и газотурбинных установок подразделяются на рабочие и направляющие. Геометрические размеры лопаток в зависимости от ступени и сферы применения сильно различаются: высота лопаток первых ступеней, как правило, небольшая - от 10 мм, а последних ступеней может достигать 400-500 мм. Лопатки работают в агрессивных условиях из-за высоких температур газа или пара в турбине, значения которых могут превышать 1000 градусов. В связи с этим к надежности данного изделия применяют значительные требования. Возможность сохранять устойчивость к износу при работе в агрессивных условиях достигается за счет применения жаропрочных никелевых сплавов для изготовления лопаток. В авиационной промышленности, например, широко используются жаропрочные никелевые сплавы. Основным способом производства лопаток на данный момент

является литье. Переход от традиционной технологии к 3D-печати обуславливается экономией материалов и значительным сокращением затрачиваемого времени на производство изделия.

Процесс селективного лазерного плавления основан на селективном плавлении слоя порошка, нанесенного на платформу построения. Порошок, предварительно нанесенный на платформу, селективно сплавляется по траектории, определяемой сечением CAD-модели, как это показано на Рисунке 1.1, а, б, в. В качестве источника тепла используется лазерный луч. После отверждения одного слоя платформа перемещается на шаг построения в вертикальном направлении, после чего формируется новый слой и так повторяется до тех пор, пока изделие не будет полностью напечатано (Рисунок 1.1, г, д, е).

(а)

(б)

(в)

(г) (д) (е)

Рисунок 1.1. Общая схема процесса СЛП турбинной лопатки

Аддитивное производство лопаток на данный момент является экспериментальной технологией. Перспективность и актуальность разработки методики неразрушающего контроля лопаток турбин СЛП из жаропрочного никелевого сплава обуславливается широким распространением аддитивного производства в промышленности, однако, отсутствие верифицированных методик

контроля готовых изделий, является существенным препятствием для внедрения новой прогрессивной технологии производства.

Процесс селективного лазерного плавления осуществляется по траектории, называемой также стратегией сканирования [1-2]. В зависимости от производителя изделия и параметров используемого оборудования стратегии сканирования могут быть различны. В результате сплавления материала по определенной траектории в поперечном сечении изделия формируется трековая структура, а в продольном сечении наблюдаются треки ванн расплава, расположенные вертикально и горизонтально [3], как это показано на Рисунке 1.2. В зависимости от параметров процесса плавления форма рядов может откланяться от овальной.

Рисунок 1.2. Микроструктура сплава ЖС32 с ячеистой структурой [3]

Лазерный луч, выступающий источником тепла для плавления слоя материала, обладает малым диаметром. При плавлении определенного слоя объем материала, который плавится, также мал, однако кристаллизационные скорости нагрева и охлаждения являются очень высокими, что в результате приводит к образованию неравновесной структуры, нехарактерной для традиционных технологий, таких как литье и обработка давлением, применяемых ранее [4].

Анализ различных литературных источников по исследованиям микроструктуры СЛП образцов [5-8] показал, что при послойном отверждении материала, зеренная структура имеет преимущественную направленность вдоль направления выращивания. Также отмечается, что ориентация зерен зависит от геометрии изделия [9]. В зависимости от ориентации изделия по отношению к

платформе построения может получаться различный уровень пористости в материале [10].

Рассмотренные выше закономерности формирования структуры оказывают влияние на механические свойства изделий, определяемые в различных направлениях. При испытаниях на растяжение образцов, изготовленных с различной ориентацией по отношению к платформе построения, в большинстве случаев прочностные свойства образцов оказываются неодинаковыми [12, 13]. Данный эффект является следствием анизотропии свойств образцов, полученных по технологии СЛП. Физический механизм, который отражает влияние исходного сырья и параметров процесса на микроструктуру изделия, до сих пор полностью не изучен.

1.2. Дефекты, характерные для изделий, изготовленных по технологии селективного лазерного плавления

Вариации технологических параметров и свойств исходного сырья влияют не только на микроструктурные особенности изделий СЛП, но и на образование дефектов. Любое нарушение целостности структуры, может рассматриваться как нарушение сплошности, или как дефект в зависимости от требований к конечному изделию. В связи с тем, что требования к различным изделиям в зависимости от сферы применения и степени ответственности различны, то в дальнейшем понятие дефект будем рассматривать как любое отклонение от сплошности. Примерами, попадающими под такое определение дефекта, могут служить пористость, несплавление, трещины и микротрещины.

Пористость является одним из наиболее распространенных дефектов в изделиях СЛП [14-17]. Многие параметры процесса и исходного материала коррелируют с уровнем пористости конечного изделия. Кроме того, пористость может иметь как макроскопический характер, так и микроскопический, так называемая микропористость. Микропористость обычно связана с наличием пор внутри исходного строительного материала, которая в результате процесса

отверждения материала переходит в конечное изделие. Размер микропор в среднем не превышает 40 мкм [18]. Пористость приводит к нарушению физических характеристик материала, таких как плотность, прочностные характеристики, электроповодность и др. Распределение пор в объеме изделия в основном бывает неравномерным в результате того, что ряд причин возникновения пор обладает стохастическим характером. Пористость, существующая в макромасштабе, может быть классифицирована на 2 основных вида: газовая пористость и пористость, возникающая в результате несплавлений [19].

Пористость, возникающая из-за неполного сплавления частиц порошка, как правило, локализуется вдоль границ зерен между слоями, поры формируются нерегулярно и часто содержат внутри нерасплавленный порошок, как это показано на Рисунке 1.3 [20]

Рисунок 1.3. Оптические микрофотографии дефектов типа несплавления в поперечных сечениях СЛП образцов [20]

В изделиях СЛП возможно появление трещин. Дефекты типа трещин оказывают значительное влияние на прочностные свойства изделий и ограничивают их применение, поэтому важно обеспечить обнаружение таких дефектов [21]. Наличие кристаллизационных напряжений, процессы усадки во время синтеза изделий, неправильное сплавление могут спровоцировать появление трещин в деталях СЛП. Одним из основных факторов, влияющих на возникновение трещин в деталях, являются параметры процесса печати. Кроме того, направление зерен определяет возможное направление роста трещин. Как только возникает

трещина, она распространяется по расплавленному слою, существенно влияя на механические свойства детали. Частным случаем растрескивания является расслоение, когда трещины начинают расти и распространяться между соседними слоями (межслойное растрескивание). Расслоение возникает в случае, если остаточные напряжения начинают превышать допустимые напряжения между двумя связанными слоями. На Рисунке 1.4 показан пример макроскопического растрескивания и расслоения в деталях СЛП [22].

Рисунок 1.4. Пример значительного расслоения и растрескивания в образцах,

полученных методом СЛП [22]

В результате того, что материал может вступать в химическую реакцию с защитным газом, могут образовываться экзогенные интерметаллические частицы, такие как оксиды и сульфиды. Размеры этих включений обычно находятся в диапазоне от 0,5 мкм до 1 мм. Примеси в порошках могут усугубить их размер. Количество, размер, форма (морфология) и распределение включений по объему существенно влияют на характеристики конечной детали и особенно на усталостную прочность.

Одним из ключевых факторов возникновения дефектов нарушения сплошности или формы являются остаточные напряжения. Они могут приводить к возникновению деформаций, отклонению геометрических размеров изделия от заданных и к образованию макротрещин. Основной причиной возникновения остаточных напряжений являются высокие скорости охлаждения и большие

температурные градиенты. Для устранения остаточных напряжений применяется последующая термообработка изделия или горячее изостатическое прессование (ГИП). Оба этих метода имеют свои ограничения и не могут быть применимы во всех случаях.

Как следует из приведенного анализа, методика контроля должна обеспечивать обнаружение и идентификацию различных видов дефектов, наиболее опасными из которых в соответствии с [21] являются дефекты нарушения сплошности, такие как трещины, поры и отсутствие сплавления.

1.3. Обзор методов неразрушающего контроля, применяемых для готовых изделий селективного лазерного плавления

Неразрушающий контроль (НК) дает возможность проверить качество изделий без непосредственного нарушения сплошности материала, а также без изменения эксплуатационных характеристик изделия. НК готовых изделий может быть произведен как во время сдачи-приемки, так и в процессе эксплуатации изделий, выполненных по технологии СЛП. Одна из наиболее важных задач, которую необходимо решить при помощи НК - это обнаружение и идентификация различных дефектов, а также последующий мониторинг их развития.

Согласно классификации, приведенной в [27] для НК готовых изделий аддитивного производства могут применяться следующие физические методы:

• Ультразвуковой,

• Вихретоковый,

• Рентгеновский,

• Магнитный,

• Термография.

Результат анализа возможностей различных методов для выявления дефектов, а также для исследования микроструктуры и свойств изделий АП, проведенный в работе [27] представлен в Таблице 1.

Таблица 1

Возможности различных методов неразрушающего контроля [27]

Метод контроля Микроструктура Трещины, пористость, пустоты Механические свойства Точность геометрических Шероховатость Остаточные напряжения

Ультразвуковой Д П,В Д Д Н Д

Вихретоковый Д П Н Н Н Н

Рентгеновский Д П,В Н П,В П, В Н

Магнитный Д П Н Н Н Д

Термография Н Д Н Н Н Н

Примечание: Н — нет возможности применения; П — есть возможность применения только для поверхностного слоя; В — есть возможность применения только для внутреннего объема изделия; Д — есть возможность применения.

Возможности ультразвукового контроля (УЗК) готовых изделий СЛП

В [28] исследованы возможности ультразвукового иммерсионного контроля деталей АП, изготовленных методом СЛП. Испытания проводились на плоскопараллельных образцах, выполненных из порошка ЭП648, с внутренними искусственными несплошностями, являющимися имитаторами несплавления порошка. Дефекты были заранее заложены в спроектированную 3D-модель образца в виде внутренних полостей с глубиной залегания до 20 мм. Результаты исследований были представлены в виде изображений С-сканов. Авторами установлено, что ультразвуковой метод позволяет обнаруживать дефекты с раскрытием от 0,2 мм. Также отмечается, что при проведении экспериментов наблюдалась неравномерность чувствительности в зависимости от локализации

зоны возбуждения-приема сигнала. Отмечается, что ГИП обработка образцов приводит к уменьшению неоднородности сигналов.

В [29] авторы исследуют возможности использования фазированных антенных решеток для контроля аддитивного образца из титанового сплава ТС18. Были проведены ультразвуковые исследования на кубическом образце с трех взаимно перпендикулярных сторон. Показано, что использование кольцевой фазированной решетки и алгоритма визуализации данных, основанном на методе общей фокусировки, позволяют получить лучшие результаты контроля по сравнению с линейной многоэлементной фазированной решеткой. По данным контроля удалось визуализировать дефекты в виде плоскодонных отражателей диаметром 0,8 мм на различных глубинах образца (Рисунок 1.5).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дегтярев Максим Николаевич, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Влияние толщины слоя построения при селективном лазерном плавлении сплава Inconel 718 на микроструктуру и свойства / В.Ш. Суфияров [и др.] // Цветные металлы. 2016. №1. С. 81-86.

2. Эволюция структуры и свойств жаропрочного никелевого сплава после селективного лазерного плавления, горячего изостатического прессования и термической обработки. В.Ш. Суфияров [и др.] // Цветные металлы. 2017. №1. С. 77-82.

3. Тренинков И.А., Заводов А.В., Петрушин Н.В. Исследование кристаллической структуры и микроструктуры жаропрочного никелевого сплава ЖС32-ВИ, синтезированного методом селективного лазерного сплавления, после высокотемпературных механических испытаний // Авиационные материалы и технологии. 2019. №1. С.57-64.

4. Анизотропия механических свойств изделий, изготовленных методом селективного лазерного плавления порошковых материалов / В.Ш. Суфияров [и др.] // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2016. №3. С. 4-11.

5. Simonelli M., Tse Y.Y., Tuck C. Effect of the build orientation on the Mechanical Properties and Fracture Modes of SLM Ti—6Al—4 V. Mater. Sci. Eng. A. 2014. Vol. 616. P. 1—11.

6. Kunze K., Etter T., Grasslin J., Shklover V. Texture, anisotropy in microstructure and mechanical properties of IN738LC alloy processed by selective laser melting (SLM). Mater. Sci. Eng. A. 2015. Vol. 620. P. 213—222.

7. Strong morphological and crystallographic texture and resulting yield strength anisotropy in selective laser melted tantalum / Thijs L. [et al.] // Acta Mater. 2013. Vol. 61. №12. P. 4657—4668.

8. The influence of the laser scan strategy on grain structure and cracking behaviour in SLM powder-bed fabricated nickel superalloy / Carter L.N. [et al.] // Journal Alloys and Compounds. 2014. Vol. 615. P. 338—347.

9. Effects of build orientation and heat treatment on the microstructure and mechanical properties of selective laser melted Ti6Al4V lattice structures / Wauthle R. [et al.] // Additive Manufacturing. 2015. Vol. 5. P. 77—84.

10.Mechanical anisotropy of additively manufactured stainless steel 316L: An experimental and numerical study / Charmi, A. [et al.] // Mater. Sci. Eng., 2021, vol. 799. URL: https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140154.

11.Microstructure and mechanical properties of a novel в titanium metallic composite by selective laser melting / Vrancken B. [et al.] // Acta Mater. 2014. Vol. 68. P. 150—158.

12.Wu M.W., Lai P.H., Chen J.K. Anisotropy in the impact toughness of selective laser melted Ti—6Al—4V alloy. Mater. Sci. Eng.: A. 2016. Vol. 650. P. 295— 299.

13.Vilaro T., Colin C., Bartout J.D. As-fabricated and heat-treated microstructures of the Ti—6Al—4 V alloy processed by selective laser melting. Metal. Mater. Trans.: A. 2011. Vol. 42. №10. P. 3190—3199.

14.Frazier W. E. Metal additive manufacturing: A review. J. Mater. Eng. Perform. 2014. Vol. 23. №6. P. 1917— 1928.

15.Use of track/layer morphology to develop functional parts by selective laser melting / Yadroitsev I. [et al.] // Journal Laser Application. 2013. Vol. 25. №5. P. 052003.

16.Wu M.W., Lai P.H., Chen J.K. Anisotropy in the impact toughness of selective laser melted Ti—6Al—4V alloy. 2016. Vol. 650. P. 295—299.

17.Microstructure and mechanical behaviour of Ti6Al7Nb alloy produced by selective laser melting / Chlebus E. [et al.] // Mater. Characterization. 2011. Vol. 62. №5. P. 488—495.

18.Powder-based additive manufacturing - a review of types of defects, generation mechanisms, detection, property evaluation and metrology / Taheri H. [et al.] // Int. J. Additive and Subtractive Materials Manufacturing. 2017. Vol. 1. №2. P.172-209.

19.Porosity formation and gas bubble retention in laser metal deposition / Ng G.K.L. [et al.] // Applied Physics A: Materials Science and Processing. 2009. Vol. 97. №3. P.641-649.

20.The effect of manufacturing defects on the fatigue behaviour of Ti-6Al-4V specimens fabricated using selective laser melting / Liu Q.C. [et al.] // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 891-892. P.1519-1524.

21.Дефекты жаропрочных сплавов, синтезированных методом селективного лазерного сплавления / Алёшин Н.П. [и др.] // Материаловедение. 2016. № 4. С. 34—38.

22.The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing / Sames W. J. [et al.] // International Materials Reviews. 2016. Vol. 61. №5. P. 315-360.

23.Влияние горячего изостатического прессования и термической обработки на свойства сплава ЭП648, синтезированного методом селективного лазерного сплавления / Евгенов А.Г. [и др.] // Технология машиностроения. 2015. №9. С. 11-16.

24.Евгенов А.Г., Горбовец М.А., Прагер С.М. Структура и механические свойства жаропрочных сплавов ВЖ159 и ЭП648, полученных методом селективного лазерного сплавления. Авиационные материалы и технологии. 2016. №S1 (43). DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-S1-8-15

25.Прагер С.М., Солодова Т.В., Татаренко О.Ю. Исследование механических свойств и структуры образцов, полученных методом селективного лазерного сплавления (СЛС) из сплава ВЖ159. Труды ВИАМ. 2017. №11. C. 3-10.

26.Formation of defects in selective laser melted Inconel 718 and its correlation with mechanical properties through dimensionless numbers / Luo, Z. [et al.] // Sci. China Phys. Mech. 2022. Astron. №65. P. 254611.

27.Применение методов неразрушающего контроля для оценки качества готовых деталей аддитивного производства / Алёшин Н.П. [и др.] // Дефектоскопия. 2016. №10. с. 63—75.

28.Экспериментальные исследования возможностей и особенностей ультразвукового контроля деталей, изготовленных по аддитивным технологиям / Алёшин Н.П. [и др.] // Дефектоскопия. 2016. №12. С. 17—24.

29.Li W., Zhou Z., Li Y. Application of Ultrasonic Array Method for the Inspection of TC18 Addictive Manufacturing Titanium Alloy. Sensors 2019. №19. P. 4371.

30.Detection of Internal Holes in Additive Manufactured Ti-6Al-4V Part Using Laser Ultrasonic Testing / Yu J. [et al.] // Appl. Sci. 2020. №10. P. 365.

31.Laser Ultrasonic Technique for Laser Powder Deposition Inspection / Cerniglia D. [et al.] // Paper presented at the 13th International Symposium on Nondestructive Characterization of Materials (NDCM- XIII). Le Mans, France. 2013. D0I:10.1016/j.ultras.2015.06.001.

32.Inspection of Laser Powder Deposited Layers / Rudlin J. [et al.] // Paper presented at the 11th European Conference on Non-Destructive Testing (ECNDT 2014). Prague, Czech Republic. 2014. October. URL:

https://doi.org/10.1016/j.ultras.2015.06.001.

33.Defect detection in laser powder deposition components by laser thermography and laser ultrasonic inspections / S. Santospirito [et al.] // In Frontiers in Ultrafast Optics: Biomedical, Scientific, and Industrial Applications XIII. 2013. vol. 8611: International Society for Optics and Photonics. P. 86111N.

34.D. Foster, M. Dapino, S. Babu. Elastic constants of ultrasonic additive manufactured AL 3003-H18. Ultrasonics 53 (1). 2013. P. 211-218.

35.Javidrad, H.R., Salemi Sina, Determination of elastic constants of additive manufactured Inconel 625 specimens using an ultrasonic technique, Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2020. Vol. 107. P. 4597-4607.

36.Measurement of the Anisotropic Dynamic Elastic Constants of Additive Manufactured and Wrought Ti6Al4V Alloys / Tevet O. [et al.] // Materials. 2022. № 15. P. 638.

37.Slotwinski J.A., Garboczi E.J., Hebenstreit K.M. Porosity Measurements and Analysis for Metal Additive Manufacturing Process Control. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. 2014. Vol. 119. P. 494— 528.

38.High Frequency Ultrasonic Nondestructive Evaluation of Additively Manufactured Components / Karthik N.V. [et al.] // Paper presented at the 24th Annual International Solid Freeform Fabrication (SFF) Symposium. Austin, TX. USA. 2013. P. 311-325.

39.Wong B.S., Ong M.Y. Non-Destructive testing of metallic 3D printed specimens. Saarbrucken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2015. P. 75.

40.Исследование ультразвукового метода оценки пористости изделий аддитивного производства / Алешин Н.П. [и др.] // Цветные металлы. 2019. №5. С. 45-52.

41.Крупнина О.А., Косарина Е.И., Смирнов А. В. Особенности рентгеновского неразрушающего контроля изделий, изготовленных по аддитивным технологиям. Аддитивные технологии: настоящее и будущее: Материалы IV Международной конференции. Москва. ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». 2018. С. 326-338.

42.Ye N., Jian F. Effect of voxel size and partial volume effect on accuracy of tooth volumetric measurements with cone beam CT. Dentomaxillofac Radiol. 2013. vol. 42(5). 20130070 p.

43.Computed tomography approach to quality control of the Inconel 718 components obtained by additive manufacturing (SLM) / Ortega N. [et al.] // Procedia Manufacturing. 2017. №13. P. 116-123.

44.Evaluation of polychromatic X-ray radiography defect detection limits in a sample fabricated from Hastelloy X by selective laser melting / Rometsch P.A. [et al.] // NDT & E International. 2014. Vol. 62. P. 184—192.

45.Raguvarun K., Balasubramaniam K., Rajagopal P. A Study of Internal Structure in Components Made by Additive Manufacturing Process Using 3D X-Ray

Tomography. Paper presented at the QNDE Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. Boise, Idaho, 2014. DOI: 10.1063/1.4914604. 46.Slotwinski J.A., Garboczi E.J. Porosity of Additive Manufacturing Partsfor Process Monitoring. Paper presented at AIP Conference Proceedings. Baltimore. Maryland. USA. 2013. July. DOI: 10.1063/1.4864957.

47.Application of microCT to the non-destructive testing of an additive manufactured titanium component / Plessis du A. [et al] // Case Studies in Nondestructive Testing and Evaluation. 2015. Vol. 4. P. 1—7.

48.Г0СТРИС015549-2009. Неразрушающий контроль. Контроль вихретоковый. Основные положения Москва. Стандартинформ. 2011. 12 с.

49.ГОСТ Р 58600-2019. Аддитивные технологии. Неразрушающий контроль металлических изделий, изготовленных методами аддитивных технологий. Основные положения. Москва. Стандартинформ. 2019. 8 с.

50.Javier G. M., Jaime G.G., Ernesto V.S. Nondestructive techniques based on eddy current testing. Sensors (ISSN: 14248220). 2011. №11(3). P. 2525-2565.

51.Guo S., Ren G., Zhang B. Subsurface defect evaluation of selective-lasermelted inconel 738LC alloy using eddy current testing for additive/subtractive hybrid manufacturing, Chin. J. Mech. Eng. 2021. № 34 (1). P. 111.

52.Fundamental experiments of eddy current testing for additive manufacturing metallic material toward inprocess inspection / N. Kobayashi [et al.] // AIP Conf. Proc. 2102. May. 2019. Vol. 38. P. 1-8.

53.Ehlers H., Pelkner M., Thewes R. Heterodyne eddy current testing using magnetoresistive sensors for additive manufacturing purposes. IEEE Sens. J. 2020. №20 (11). P. 1.

54.Jorge A.I., Venegas B.P., Vega G.L. Review of thermal imaging systems in composite defect detection. Infrared Phys Technol. 2013. №61. P. 167-175.

55.D'accardi E, Altenburg S, Maierhofer C. Detection of typical metal additive manufacturing defects by the application of thermographic techniques. 2019. №27(1). P. 24.

56.Netzelmann U, Walle G, Lugin S. Quantitative InfraRed Thermography Journal Induction thermography: principle, applications and first steps towards standardisation Induction thermography: principle, applications and first steps towards standardisation. Quant infrared Thermography. 2019. №13. P. 170-181.

57.Mandache C, Krause TW, Clapham L. Investigation of optimum field amplitude for stress dependence of magnetic barkhausen noise. IEEE Trans Magn. 2007. №43. P. 3976-3983.

58.Sharratt B.M. Non-destructive techniques and technologies for qualifcation of additive manufactured parts and processes: a literature review. Dep Natl Def Canada. 2015. №55. P. 91-127.

59.Алешин Н. П., Вадковский Н. Н., Волкова Н. Н. Ультразвуковой контроль аустенитных сварных швов: анализ способов и рекомендации повышения надежности. Дефектоскопия. 1988. №2. С. 43-59.

60.Методы акустического контроля металлов / Алешин Н.П. [и др.]. М.: Машиностроение. 1989. 456 с.

61.Baikie B.L., Wagg A. E. Ultasonic inspection of austenitic welds. J Brit Nucl. Energy Soc 1976. №15. №1. P. 3-8.

62.Handbook on the ultrasonic examination of austenitic weld. IIW, Document N VC-423-84. 1984. 10p.

63.Kolkoori S., Rahman M.U., Prager J. Efect of columnar grain orientation on ultrasonic plane wave energy refection and transmission behaviour in anisotropic austenitic weld materials. Journal of Nondestructive Evaluation. 2012. №31(3). P. 253-269.

64.Ultrasonic and structural characterization of anisotropic austenitic stainless steel welds: towards a higher reliability in ultrasonic non-destructive testing / Chassignole B. [et al.] // NDTE. 2010. №43(4), P. 273-282.

65.Quantitative evaluation of ultrasonic C-scan image in acoustically homogeneous and layered anisotropic materials using three dimensional ray tracing method. / Kolkoori, S. [et al.] // Ultrasonics. 2014. №54. P. 551-562.

66.Ринкевич А.Б., Смородинский Я.Г. Упругие волны в неоднородной пластине аустенита в модели трансверсально-изотропной среды. Дефектоскопия. 2001. № 7. С. 40-64.

67.Смородинский Я.Г. Расчет поляризации упругих волн в трансверсально-изотропном аустените. Дефектоскопия. 1999. № 4.1. C.9-12.

68.Групповая скорость ультразвука в трансверсально изотропной среде / Ринкевич А.Б. [и др] // Дефектоскопия. 1994. №2. С.58-63.

69.Влияние анизотропии упругости проката на выявляемость дефектов при ультразвуковом контроле качества сварки труб большого диаметра / Алешин Н.П. [и др.] // Дефектоскопия. 1986. №6. С. 80-86.

70.0n- und Offline Materialcharakterisierung bei der Additiven Fertigung / Spies M. [et al.] // Miscellaneous Workshops of the German Society of NDT. 2018. D0I:10.13140/RG.2.2.34178.17609.

71.Аббакумов К.Е., Вагин А.В. Волновые процессы в мелкослоистой среде. Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2018. № 8. С. 87—91.

72.Рытов С.М. Акустические свойства мелкослоистой среды. Акустический журнал. 1956. Т. 2. № 1. С. 71—83.

73.Javidrad H.R. Salemi S. Determination of elastic constants of additive manufactured Inconel 625 specimens using an ultrasonic technique, Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2020. Vol. 107. P. 4597-4607.

74.Investigation on Porosity and Microhardness of 316L Stainless Steel Fabricated by Selective Laser Melting / Yusuf S.M. [et al.] // Metals 2017. 7. P. 64.

75.B. Köhler, Ch. Schurig. Visualization of ultrasonic fields on solids. World Congress on Ultrasonics. 1995. P. 459-462.

76.Nondestructive ultrasonic evaluation of additively manufactured AlSi10Mg samples / T. Sol [et al.] // Additive Manufacturing. 2018. Vol. 22. P. 700-707.

77.Recent advances and current trends of ultrasonic modelling in CIVA / Mahaut, S. [et al.] // Insight Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. 2009. №51. P. 78-81.

78.A semi-analytic-FEM hybrid model for simulating UT configurations involving complicated interactions of waves with defects / Gengembre N. [et al.] // In Review of progress in QNDE, Green Bay, AIP Conference Proceedings. 2004. DOI: 10.1063/1.1711608.

79.A Semi-Analytic-FEM Hybrid Model for Simulating UT Configurations Involving Complicated Interactions of Waves with Defects defects / Gengembre N. [et al.] // Review of Quantitative Nondestructive Evaluation. 2004. Vol.23. P.74-80.

80.Шнеэ Я. И. Теория газовых турбин. Учебное пособие для вузов. М.: Машгиз. 1960. 560 с.

81.Уваров В.В. Газовые турбины и газотурбинные установки. Учебное пособие для машиностроительных вузов. М.: Высшая школа. 1970. 320 с.

82.Горбацевич Ф.Ф. К проблеме оценки упругой анизотропии горных пород квазиортотропной симметрии. Физика земли. 2019. №6. с. 130-139.

83.Александров К.С., Продайвода Г.Т. Анизотропия упругих свойств минералов и горных пород. Новосибирск: изд-во СО РАН. 2000. 354 с.

84.Бaтyгин C.A., Hиpeнбypг P.K. Пpиближeннaя зaвиcимocть мeждy у^угими кoнcтaнтaми rop^ix пopoд и пapaмeтpы aнизoтpoпии. Физикo-тexничecкиe пpoблeмы paзpaбoт- ки пoлeзныx иcкoпaeмыx. 1972. Т. 7. №1. С. 7-11.

85.Thomsen L. Week elastic anisotropy. Geophysics. 1986. Vol. 51. №10. P. 1-37.

86.Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах: применение для обработки сигналов. Пер. с фр. под ред. В. В. Леманова. М.: Наука. 1982. 424 с.

87.Effect of NbC inoculants on the elastic properties and microstructure of additively manufactured IN718 / Markanday J.F.S. [et al.] // Materialia. 2023. Vol. 27. P. 101701.

88.ГОСТ Р 50.05.05-2018. Система оценки соответствия в области использования атомной энергии. Оценка соответствия в форме контроля. Унифицированные методики. Ультразвуковой контроль основных материалов (полуфабрикатов). М.: Стандартинформ. 2018. 32 с.

89.Ермолов И.Н., Вопилкин А.Х., Бадалян В.Г. Расчеты в ультразвуковой дефектоскопии. Краткий справочник. М.: ООО НПЦ НК «ЭХО+». 2004. 109 с.

90.Оценка результатов ультразвуковых исследований деталей, изготовленных по аддитивным технологиям, альтернативными методами / Алёшин Н.П. [и др.] // Дефектоскопия. 2016. №12. С. 25-31.

91.Ультразвуковой контроль моно- и поликристаллических изделий из жаропрочных сплавов на никелевой основе / Ринкевич А.Б. [и др.] // Дефектоскопия. 2009. №11. С.3-21.

92.Об использовании пазов для моделирования трещин при ультразвуковой дефектоскопии / Алешин Н.П. [и др.] // Дефектоскопия. 2022. №2. С. 3-12

93.Алешин Н.П., Щипаков Н.А., Дегтярев М.Н. Моделирование процесса распространения ультразвуковых колебаний в анизотропном материале изделий, изготовленных по аддитивным технологиям. Дефектоскопия. 2022. №6. С. 17-25.

94.Rokach L., Maimon O. Decision trees. In: Data mining and knowledge discovery handbook. Springer. 2005. P. 165-92.

95.Breiman L. Random forests. Mach Learn. 2001. №45. P. 5-32.

96.Freund Y., Schapire R.E. A Decision-theoretic generalization of on-line learning and an application to boosting. Journal of computer and system sciences. 1997. №55. P.119-139.

97.Boosting Algorithms as Gradient Descent in Function Space / Mason L. [et al.] // 1999. P. 29.

98.Exploring the Power of eXtreme Gradient Boosting Algorithm in Machine Learning: Review / Ali Z.A. [et al.] // Acad J Nawroz Univ. 2023. №12(2). P. 32015.

99.Дж. Себер. Линейный регрессионный анализ. М.: Мир.1980. 456 с.

100. Tibshirani R. Regression Shrinkage and Selection via the lasso. Journal of the Royal Statistical Society. Series B (methodological). Wiley. 1996. №58. P. 267-288.

101. Hoerl A.E., Kennard R.W. Ridge Regression: Biased Estimation for Nonorthogonal Problems. Technometrics. 1970. №12(1). P. 55-67.

102. Stigler M.S. Gergonne's 1815 paper on the design and analysis of polynomial regression experiments. Historia Mathematica. Vol. 1 (4). 1974. P. 431-439.

103. Seifert B., Gasser T. Data Adaptive Ridging in Local Polynomial Regression. Journal of Computational and Graphical Statistics. Vol. 9(2). 1970. P. 24.

104. Firinguetti L., Pereira M. Bayesian estimation of the shrinkage parameter in ridge regression. Communications in Statistics-Simulation and Computation. 2020. Vol. 49. №12. P. 3314-3327.

105. Martinetz T.M., Berkovich S.G., Schulten K.J. Neural-gas network for vector quantization and its application to time-series prediction. IEEE Trans. on Neural Networks. 1993. №4. P. 558—569.

106. Output-sensitive algorithms for computing nearest-neighbor decision boundaries. Discrete and Computational Geometry / Bremner D. [et al.] // 2005. 33(4). P. 593-604.

107. Миронов А.М. Машинное обучение, часть 1. МАКС-пресс. 2018. 100 с.

108. Исследование возможности обнаружения трещин в полимерном композиционном материале / Елизаров П.Г. [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2023. №5. С.32-47.