[发明专利]用于热机械结构健康监测的原位标记的方法

说明书

本发明涉及一种监测组件的表面和近表面区中的残余应力的方法，其包括识别组件表面上预期在所述组件正常操作条件期间经受高应力的预定位置。标记颗粒在组件在预定位置处的添加制造期间被引入所述组件中。然后，使用x射线技术在与标记材料对应的位置处测量所述组件的残余应力。

发明背景

本发明一般涉及添加制造领域。具体说来，本发明涉及一种添加制造工艺，其使得能够测量组件中在特定位置处的残余应力。

添加制造是一种工艺，可通过该工艺，使用根据部件的精确三维(3D)计算机模型生成每层的机器以逐层方式制作部件。在粉末层添加制造中，将粉末层铺展于平台上并且将选择区通过烧结或熔融由定向能量束相连。将平台向下分度，施加另一层粉末，并且再次连接选择区。将所述过程重复高达上千次直到产生成品3D部件。在直接沉积添加制造技术中，根据通过挤压、注射或送丝产生的部件的3D模型将少量熔融或半固体材料施用于平台上并且由能量束激发以粘结材料从而形成部件。常见的添加制造工艺包括选择性激光烧结、直接激光熔融直接金属沉积、以及电子束熔融。

一旦制造组件，便将所述组件并入有待用于特定功能的系统中。一个实例是燃气涡轮发动机。在操作期间，组件暴露于对组件施加应力的热和机械环境。组件所经受的应力及所产生的应变导致组件中的残余应力及可能的结构破坏或裂纹。

存在若干非破坏性技术以检测组件中之裂纹扩展或残余应力。当前的非破坏性技术将组件暴露于外部探头，如电磁场、染料或超声波。难以用当前的技术在组件中的预定位置处获得地域性信息，例如，在使用应力增加的区域处。当前的技术主要在裂纹形成之后对其进行检测，并且对导致裂纹例如内部裂缝形成的阶段极不敏感。

发明内容

本发明涉及一种监测通过添加制造形成的基合金的组件的残余应力的方法，所述方法包括识别组件上在组件正常操作条件期间经受高应力的预定位置。标记颗粒在组件在预定位置处的添加制造期间被引入所述组件的表面及近表面区中。在标记颗粒位置处测量组件的残余应力。

通过添加制造形成且在操作期间进一步经受应力的组件含有在组件表面上的各个预定位置处插入组件的表面及近表面区中的标记材料。标记允许在每种标记材料的位点处在组件上进行残余应力测量。

附图简述

图1是表示监测组件中的残余应力的方法的流程图。

图2是直接金属沉积工艺的示意图。

图3是涡轮机叶片的透视图。

具体实施方式

图1是表示监测残余应力的方法的流程图。方法10首先涉及由组件之正常使用条件所引起的高应力区的识别(步骤12)。在下一步中，开始添加制造工艺(步骤14)。标记颗粒在制造期间(步骤16)被引入组件的预定高应力位置处。然后完成添加制造工艺(步骤18)，并且组件在正常使用条件下交付使用(步骤20)。必要时将组件从服务中除去(步骤22)。在标记颗粒所位于的区中进行X射线衍射测量(步骤24)以测定标记颗粒的面间距，从而确定局部内部弹性应变及内部残余应力(步骤26)。

测量金属组件中的残余应力的X射线衍射技术在本领域中是公知的并且依赖于以下事实：内部弹性应力将从无应力状态下结晶固体的面间距改变为应力下的同样材料的面间距。面间距通过公知的布拉格定律来测定

nλ＝2dsinθ

其中λ是入射x射线波长，d是面间距，θ是衍射峰的衍射角且n是整数。如果d₁是某一结晶方向上的受应力金属的面间距且d₀是无应力状态下相同方向上相同金属的间距，那么在那个方向上的残余应变ε是：