Введение

    Диагностика состояния деталей авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) является важным фактором в решении проблемы обеспечения безопасной эксплуатации и повышения ресурса авиационной техники [1–4].

    Изучение процесса накопления повреждений [5–7] делает возможным прогнозирование времени до разрушения детали и ее остаточного ресурса. Большое количество исследований посвящено решению этой проблемы и изучению изменений, протекающих в поверхностных слоях, которые наиболее нагружены и подвержены воздействию климатических факторов, таких как влага и температура, а также соли, содержащиеся в воздушной атмосфере [8–11].

    С появлением конфокальных лазерных сканирующих микроскопов (КЛСМ)
у материаловедов появился прибор, при помощи которого можно построить 3D-модель рельефа поверхности исследуемого материала в широком диапазоне увеличений. Микроскоп позволяет получать полностью сфокусированное изображение объемных объектов с реалистичной цветопередачей при большом увеличении с высоким разрешением, недостижимым с помощью оптических микроскопов.

Материалы и методы

    Методом КЛСМ проводили исследования коррозионных поражений, образующихся на поверхности агрегатов двигателя АЛ-31Ф после пяти лет натурной экспозиции в условиях мягкого морского климата на открытой площадке Геленджикского центра климатических испытаний ФГУП «ВИАМ» им. Г.В. Акимова (ГЦКИ ВИАМ).

     Исследовали корпус маслонасоса из сплава АК7ч., обоймы из стали типа 30Х3МФ и втулки из бронзы БрАЖН-10. Коррозионные повреждения изучали с помощью КЛСМ Olympus Lext OLS3100. 3D-модели рельефа поверхности участков с коррозионными поражениями получали путем статистической обработки данных шероховатости с использованием стандартного программного обеспечения для КЛСМ Olympus Lext OLS3100.

     Шероховатость, усредненную по всей площади кадра (S_к), измеряли в соответствии с ГОСТ 2789–73 и ISO 4287:1997/ISO 1302:2002, определяя параметр шероховатости  как среднее арифметическое отклонение профиля (S_i) (по ГОСТ 2789–73).

Принцип работы конфокального лазерного сканирующего микроскопа

    В КЛСМ используются два источника света – источник белого света при работе в обычном оптическом режиме и лазер при работе в режиме лазерного сканирующего микроскопа.

    В обычном оптическом режиме работы КЛСМ происходит многократная съемка поверхности излома при разных фокусных расстояниях оптической системы при полихромном освещении (светодиод белого свечения). Затем производится программная обработка полученных изображений с целью получения интегрального 2D-изображения плоскости поверхности излома в натуральных цветах, состоящего из участков с максимальной резкостью.

    В конфокальном режиме работы КЛСМ используется монохромное лазерное излучение, а матрица ПЗС (прибора с зарядовой связью) датчика находится в фокусе. Благодаря конфокальной плоскости отсекаются световые лучи, приходящие не из точки фокуса, что позволяет более точно определить профиль рельефа поверхности излома.

    Свет, излучаемый лазерным источником сканирующего микроскопа, фокусируется при помощи оптической системы, сканирующей по координатам x и y. В границах поля зрения сфокусированный луч сканирует по координатам x и y поверхность образца, и свет, отраженный от каждой точки, регистрируется записывающим устройством. Затем объектив смещается по координате z и сканирование поверхности повторяется. Это позволяет регистрировать информацию об интенсивности отраженного света для каждой точки области сканирования при всех возможных положениях объектива по
оси z, принимая наиболее яркое отражение для каждой точки за положение фокуса. Таким образом, становится возможным синтезировать 3D-изображение по критерию яркости, отображающее профиль объекта.

    В дальнейшем осуществляется программная обработка, в процессе которой полученные результаты пересчитываются в z-координаты каждой точки поверхности, что позволяет получить 3D-модель поверхности  и черно-белое 2D-изображение поверхности более высокого разрешения, чем в режиме оптического микроскопа.

    Данные, полученные по лазерному каналу, объединяются затем с изображением, полученным от источника белого света. Итоговое изображение, помимо информации о яркости, включает в себя данные о цвете и профиле поверхности объекта [12].

    В результате пользователь получает картинку, соперничающую по разрешению с растровым электронным микроскопом (РЭМ) [13] при увеличении до ×5000 и являющуюся при этом полноцветным изображением [14, 15].

Метод КЛСМ позволяет проводить измерения профилей рельефа поверхности
и шероховатости без повреждения объекта, бесконтактный метод позволяет работать даже с мягкими объектами. Тонкий лазерный луч меньше диаметра иглы обычного профилометра, поэтому дает возможность проводить более точные измерения объектов сложной формы [16].

С применением метода КЛСМ стало возможным измерение геометрических характеристик профиля поперечного сечения, объема объектов на поверхности, площади поверхности и отношения заданной площади к общей площади объекта в любом месте на экране. Доступны такие функции, как высокоскоростное и высокоточное сшивание изображения с применением функции широкоформатного сканирования, что устраняет ограничения поля зрения при большом увеличении.

    Метод КЛСМ позволяет получать три типа изображений исследуемой поверхности:

– полностью сфокусированные цветные 2D- и 3D-изображения рельефа поверхности, которые нельзя получить с помощью РЭМ и оптического микроскопа;

– изображение интенсивности отраженного света лазера, подобное изображению, полученному методом РЭМ;

– топографический режим (цветовая карта высот) – цветовая кодировка уровня высоты точки на исследуемой поверхности. Возможно получение изображения изучаемой поверхности в виде сетки с задаваемым шагом [5, 12].

Большим преимуществом метода КЛСМ является то, что программный пакет для Olympus Lext OLS3100 позволяет детально исследовать полученную 3D-модель поверхности:

– путем вращения вокруг любой оси с изменением масштаба увеличения;

– с помощью изменения интенсивности и угла освещения проводить анализ поверхности;

– измерять размеры фрагментов поверхности и определять шероховатость поверхности вдоль заданной линии, а также по площади как в пределах всего кадра, так и любого его участка [12].

    Описанные возможности метода КЛСМ позволяют применять его при анализе изломов конструкционных материалов, в том числе для идентификации механизмов усталостного разрушения по параметру шероховатости [17], а также для анализа качества поверхности деталей ГТД в технологическом цикле производства при нанесении защитных диффузионных покрытий [18] и неразрушающем контроле методом капиллярной дефектоскопии [19].

Результаты и обсуждение

    Целью работы являлась оценка влияния климатических факторов в условиях ГЦКИ ВИАМ на коррозионные повреждения различных материалов в составе корпуса маслонасоса двигателя АЛ-31Ф.

    Поверхность деталей корпуса маслонасоса исследована при различных увеличениях, измерены шероховатость поверхности деталей вблизи выраженных коррозионных повреждений и толщина соляных отложений. На рис. 1 приведен внешний вид исследованного сегмента корпуса маслонасоса, где отмечены зоны исследования:

– проточка на обойме из стали типа 30Х3МФ (1);

– обойма из стали типа 30Х3МФ (2);

– посадочное место (3) в корпусе из сплава АК7ч. под втулку из бронзы;

– верхняя поверхность втулки из бронзы БрАЖН-10 (4);

– нижняя поверхность втулки из бронзы БрАЖН-10 (5 – поверхность контакта с корпусом маслонасоса из сплава АК7ч.).

Рис. 1. Внешний вид сегмента корпуса маслонасоса (а), верхняя (б) и нижняя (в) поверхности втулки из бронзы БрАЖН-10 с областями проточки (1) на обойме из стали типа 30Х3МФ (2) и посадочным местом (3) в корпусе из сплава АК7ч. под втулку из бронзы БрАЖН-10, а также верхняя (4) и нижняя (контактная с корпусом маслонасоса) поверхности (5)

    На рис. 2–6 приведены 3D-изображения поверхностей рассматриваемых зон (указанных на рис. 1) при увеличениях от ×50 до ×500, полученные методом КЛСМ. Для съемки выбирали места с видимыми следами коррозионных повреждений и солевыми отложениями.

    3D-модели поверхности представлены в натуральных цветах, когда модель поверхности, полученная в режиме 3D-лазерной съемки по высоте, совмещена с изображением, полученным в режиме оптической микроскопии (рис. 2, а; 3, а; 4, а; 5, а; 6, а). По полученным 3D-моделям проводится измерение геометрических характеристик особенностей поверхности деталей, а именно:

– на рис. 2, б и 3, б приведены профили поверхности деталей с измерениями глубины коррозионных повреждений. На рис. 2, б максимальная глубина коррозионного поражения составляет 40 мкм с Ø90 мкм, а на рис. 3, б соответственно 50 мкм с Ø170 мкм;

– на рис. 4, б, в; 5, б, в; 6, б, в показаны профили поверхности деталей с измерениями толщины солевых отложений, которые достигают 180 мкм.

    3D-модели поверхности представлены и в топографическом режиме (рис. 2, в; 3, в; 4, г; 5, г; 6, г). Для визуализации топографии модели применяется цветовая кодировка оптического диапазона: красный цвет соответствует наиболее высоким точкам, фиолетовый – наиболее низким. По изображениям можно определить места с наибольшими отклонениями по высоте – самое низкое и самое высокое место на поверхности. Морфологию поверхности можно анализировать на интегральном 3D-профиле поверхности, представленном на рис. 2, д; 3, д; 4, ж; 5, е; 6, е.

    2D-изображения поверхности представлены в лазерном режиме съемки (рис. 2, г; 3, г; 4, д; 5, д; 6, д). На изображениях хорошо видны очень мелкие детали в отличие от изображений, полученных в режиме оптического микроскопа. На этих же изображениях измеряли шероховатость при максимально возможном увеличении.

Рис. 2. Поверхность проточки на обойме из стали типа 30Х3МФ (×100):

а – 3D-изображение в натуральных цветах; б – профиль поверхности с измеренной глубиной коррозионного поражения; в – 3D-изображение поверхности в топографическом режиме; г – 2D-изображение поверхности в режиме лазерного сканирования; д – изображение профиля поверхности с отмеченным голубым цветом участком поверхности, на котором измеряли шероховатость

Рис. 3. Поверхность обоймы из стали типа 30Х3МФ (×200):

а – 3D-изображение в натуральных цветах; б – профиль поверхности с измеренной глубиной коррозионного поражения; в – 3D-изображение поверхности в топографическом режиме; г – 2D-снимок поверхности в режиме лазерного сканирования; д – изображение профиля поверхности с отмеченным голубым цветом участком поверхности, на котором измеряли шероховатость

Рис. 4. Поверхность посадочного места из сплава АК7ч. под втулку из бронзы (×50):

а – 3D-изображение в натуральных цветах; б, в – профили поверхности с измеренной толщиной солевых отложений; г – 3D-изображение поверхности в топографическом режиме; д –
2D-снимок поверхности в режиме лазерного сканирования; е – 2D-снимок поверхности в режиме оптического микроскопа с переменным фокусом; ж – изображение профиля поверхности с отмеченным голубым цветом участком поверхности, на котором измеряли шероховатость

Рис. 5. Наружная поверхность втулки из бронзы БрАЖН-10 (×500):

а – 3D-изображение в натуральных цветах; б, в – профили поверхности с измеренной толщиной солевых отложений; г – 3D-изображение поверхности в топографическом режиме; д – 2D-снимок поверхности в режиме лазерного сканирования; е – изображение профиля поверхности с отмеченным голубым цветом участком поверхности, на котором измеряли шероховатость

Рис. 6. Поверхность контакта нижней поверхности втулки из бронзы БрАЖН-10 с корпусом маслонасоса из сплава АК7ч. (×500):

а – 3D-изображение в натуральных цветах; б, в – профили поверхности с измеренной толщиной солевых отложений; г – 3D-изображение поверхности в топографическом режиме; д – 2D-снимок поверхности в режиме лазерного сканирования; е – изображение профиля поверхности с отмеченным голубым цветом участком поверхности, на котором измеряли шероховатость

   В таблице приведены параметры шероховатости, измеренные на фиксированной площади поверхности изучаемой зоны.

Шероховатость поверхностей деталей по ГОСТ 2789–73

    Поскольку измерение шероховатости возможно как на всей площади кадра, так и на отдельном, выбранном исследователем участке поверхности, результаты измерения шероховатости зависят от места измерения и площади, на которой ее измеряли. Чем больше площадь поверхности кадра, тем больше вероятности попадания в кадр объектов большой глубины или высоты, поэтому при малых увеличениях шероховатость, как правило, имеет бо́льшие значения, чем при больших увеличениях.

    Для съемки при больших увеличениях, как правило, выбирают места с более ровной поверхностью, поэтому шероховатость имеет значительно меньшие значения.

    Исследования корпуса маслонасоса, сегмент которого представлен на рис.1, показали, что на боковой поверхности корпуса продукты коррозии практически отсутствуют. Коррозионные повреждения и продукты коррозии сконцентрированы на фланце корпуса в местах контакта с бронзовыми втулками. Обнаруженные продукты коррозии, по данным рентгеноспектрального микроанализа, представляют собой в основном оксиды алюминия, соли меди с солями кальция, натрия и калия [20–25].

    После демонтажа агрегата и удаления стальной обоймы на поверхности корпуса маслонасоса, контактировавшей со стальной обоймой, обнаружены продукты коррозии алюминия в виде белого налета и бурые продукты коррозии от стальной обоймы.

    На внешней поверхности обоймы из стали типа 30Х3МФ отмечено наличие общей коррозии. Продукты коррозии на поверхности обоймы содержат соединения железа, никеля, натрия, кальция и калия [26–29].

   Наименьшие коррозионные повреждения в результате экспонирования в условиях ГЦКИ ВИАМ получила втулка из бронзы БрАЖН-10 (см. таблицу, рис. 5 и 6).

Заключение

    Применение метода КЛСМ позволяет:

– проводить комплексное исследование коррозионных повреждений широкого спектра конструкционных материалов с помощью данных о глубине питтинговой коррозии, величине локальной и интегральной шероховатости пораженных поверхностей;

– получать 3D-модели поврежденной поверхности материалов с распределением цветовой гаммы продуктов коррозии, видимой в оптическом диапазоне света.

В результате исследований агрегатов ГТД после пяти лет экспозиции на открытой площадке в условиях ГЦКИ ВИАМ методом КЛСМ установлено:

– на поверхности корпусов агрегатов, изготовленных из литейного алюминиевого сплава АК7ч., имеются продукты коррозии в виде белых рыхлых отложений и очаги локальной коррозии;

– наибольшему воздействию коррозии подвержены обоймы из стали типа 30Х3МФ;

– наименьшее повреждение получила втулка из бронзы БрАЖН-10.

Исследована структура и определена шероховатость поверхности различных деталей исследуемых агрегатов.