積層造形エンジンの燃焼室流路における余剰物質のX線画像検出能力に関する研究

出典：特殊鋳造および非鉄合金 2024年第44巻第9号

燃焼室は、高マッハ数スクラムジェットエンジンの中で最も技術的に難しい部品の 1 つです。燃焼室の内部には複雑な燃料流路があり、通常は選択的レーザー溶融 (SLM) 技術を使用して製造され、材料には GH3625 高温合金が使用されています。積層造形工程の複雑さにより、燃焼室形成後に気孔、亀裂、未溶融粉末粒子、融合不良などの内部欠陥が発生しやすくなります。また、流路内に余分な材料が存在する可能性があり、燃焼室の性能に影響を与えます。さらに、燃焼室が高温で作動すると、シリンダー壁が変形し、壁の厚さが変化する可能性があります。

研究ハイライト
CR および CT 技術を使用して、燃焼室シミュレーション部品の内部流路における過剰な材料欠陥を検出し、積層造形部品の内部流路における過剰な材料欠陥を検出する X 線イメージング法の能力を研究しました。結果は、CR 技術では最小サイズ 0.15 mm の凸型立方過剰を検出できるのに対し、マイクロ CT 技術では最小サイズ 0.08 mm の凸型立方過剰を検出できることを示しました。

【全文紹介】
南昌航港大学教育部非破壊検査技術重点研究室と中国航空工業集団瀋陽黎明航空エンジン有限公司の研究チームは、「特殊鋳造および非鉄合金」第44巻第9号、2024年に「付加製造された流路過剰のX線画像検出能力に関する研究」と題する論文を発表しました。著者らは、レーザー選択溶融プロセスを使用して、複雑な流路を持つ燃焼室シミュレーション部品を付加製造しました。流路内には、さまざまなサイズの突出した立方体過剰が事前に製造され、標準サイズの金属ワイヤのグループが配置されて、線形過剰をシミュレートしました。サンプルの検出には、コンピュータ放射線学（CR）とマイクロコンピュータ断層撮影（CT）が使用されました。添加部品の流路内の余分な材料を検出するX線画像法の能力を研究し、流路の壁の厚さを分析および評価するためにマイクロCTを使用しました。結果は、CR は最小設計サイズ 0.15 mm の突出立方過剰と最小ワイヤ径 0.1 mm の線状過剰を検出できることを示しており、マイクロ CT は最小設計サイズ 0.08 mm の突出立方過剰と最小ワイヤ径 0.1 mm の線状過剰を検出できることを示しています。マイクロCTサイズ測定結果によると、線状過剰物体の測定サイズは標準サイズと一致し、突出した立方体過剰物体の測定サイズは一般に設計サイズよりも大きく、最大絶対誤差は50μmを超えませんでした。マイクロCT壁厚解析により、広断面流路の均一性が良好であることがわかりました。

1 実験材料と方法

1.1 試験材料 GH3625粉末を原料として使用し、スクラムジェット燃焼室の流路構造をシミュレートするために、独自に設計されたS310レーザー選択溶融積層造形システムを使用して内部流路試験片を作製した。表1にGH3625合金の化学組成を示し、図1に積層造形された内部流路試験片のCAD設計断面図と物理的図を示します。サンプルサイズ：壁の厚さ5mm、高さ100mm。それぞれ0.1、0.08、0.08、0.08mm、および1から10の番号が付けられています。

図1 流路サンプルの設計図と実際の写真
1.2 透過分析と試験

図2は、流路添加剤成分のCT撮影配置の概略図である。焦点距離が765mmの場合、狭い流路に対するX線の最小浸透厚さと最大浸透厚さはそれぞれ7mmと35mmであり、広い流路に対するX線の最小浸透厚さと最大浸透厚さはそれぞれ6mmと31mmです。どちらの場合も、最大浸透厚さは最小浸透厚さの約5倍です。上記の状況を考慮すると、CR テストに小焦点 X 線装置を使用すると、内部の欠陥を効果的に検出できます。また、マイクロ CT を使用して、余分な流路を検出し、寸法測定を実行します。

図2 流路添加部品のCTスキャンレイアウトの模式図

1.2.1 X線CR検査

焦点サイズ0.4mm×0.4mmのISOVOLT320Titan E-rayマシンを使用し、CRスキャナーはレーザー焦点12.5μmのCRx25Pを使用し、超高解像度IPUイメージングボードを搭載しています。線源は単壁透過照明システムの外部に設置され、試験焦点距離は 900 mm、管電圧は 130 kV、管電流は 6 mA、露出時間は 120 秒、ニッケル線画像品質メーターはワイドフローチャネル線源測定面に設置されました。

1.2.2 マイクロCT検査

YXLON FF85 マイクロ CT イメージングシステムが使用されました。このシステムでは、マイクロフォーカス線源はマイクロフォーカス管 225kV、最大管電圧は 225kV、最小焦点サイズは 6μm でした。フラットパネル検出器は VAREX 4343HE アモルファスシリコンフラットパネル検出器で、シンチレータ材料はヨウ化セシウム、検出器ユニットサイズは 139μm×139μm、イメージングマトリックスは 3072×3072、A/D ビット数は 16 ビットでした。 CTスキャンテストパラメータ：線源からサンプル回転中心までの距離は165mm、線源から検出器までの距離は765mm、管電圧は220kV、管電流は360μA、単一投影画像の積分時間は2.31秒、360°の範囲内で合計3059枚の投影画像が得られ、画像解像度は30μmです。

2 実験結果と分析

2.1 CRの結果と分析

GH3625 高温合金の SLM 積層造形フローチャネルサンプルに対して CR テストを実施しました。結果は図 3 に示されており、図 3a の矢印は、特定された事前に製造された突出立方過剰欠陥です。各フローチャネルで 4 つの立方過剰を検出できます。矢印 1 から 4 は、それぞれサイズが 0.2、0.2、0.15、0.15 mm の突出立方過剰です。検出感度の観点から、画像品質計の16番線は図3bで識別でき、GB/T 26642-2022のAレベルの要件を満たしています。線状超過を検出する能力に関して、検出可能な最小の線状超過は、線径が 0.1mm の 16 番線です。 CR テストでは、最小設計サイズ 0.15 mm の突出立方過剰と最小ワイヤ径 0.1 mm の線状過剰を検出できることがわかります。ただし、検出感度の影響により、設計サイズ ≤0.1 mm の突出立方過剰は見逃されやすくなります。

図3 過剰流路のCR画像

2.2 CT結果と分析

マイクロCTの再構成画像によれば、欠陥と流路の内部構造を異なるスライス画像上で観察することができ、過剰な欠陥の位置特定と定量化に役立ち、流路壁の厚さも分析することができます。

2.2.1 冗長オブジェクトの検出

図4は、流路の狭い部分にある余剰物質のスライス画像解析結果です。図4bの矢印は、突出している立方体の余剰物質を示しています。設計サイズは0.08〜0.20mmで、余分なプレハブキューブがすべて検出されていることがわかります。

立方体過剰欠陥に対するマイクロCTの検出能力をさらに分析するために、図4aの4つの流路を過剰サイズ分析用に選択し、突出方向の最大距離を測定しました。表2は、4つの流路内に突出する立方体過剰物体No.1～10の設計寸法、4つの流路での測定寸法、平均測定寸法および絶対誤差を示しています。突出した立方余りの実測サイズは設計サイズより全体的に大きく、立方余りNo.1～No.10の絶対誤差は20～50μmの範囲にあり、CTの最小測定可能立方余りサイズは0.1mmであることが分かります。

(a) Z軸スライス画像 (b) 突出した立方体の余剰材料を含むY軸スライス画像図4 狭いチャネル内の余剰材料のスライス画像分析

図5は、広断面流路内の線状余剰物質の52層Z軸スライス画像検出効果です。ボックスは、CTで検出された線状余剰物質の位置と対応するワイヤ番号を示しています。 CT は、ワイヤ番号が 10 から 16 までのすべての線状過剰材料を検出できることがわかります。

図6は、直径0.1mmの線状余剰物を含む2088層目のX軸スライス画像と検出効果です。画像を拡大すると、流路方向に沿った線状余剰物の画像が観察できます。画像が複数のスライス画像にまたがるため、線状余剰物の形状をスライス画像上で完全に表現することができず、金属線が内壁に近い場合、小さな線状余剰物の検出が難しく、観察するには複数のスライス画像を比較して処理する必要があります。線状超過の測定値は基本的に標準ワイヤ径と一致しており、絶対誤差は≤5μm、測定可能な最小線状超過サイズは0.1mmです。

図5: 線形過剰のZ軸スライス検出効果

図6 X軸CT画像における最小ワイヤ径による線状過剰の検出

2.2.2 壁厚解析

燃焼室の動作環境温度は600～1300℃であるため、シリンダーや内部流路が変形しやすく、壁厚均一性の解析が必要となります。図７は、広断面流路のＺ軸方向のスライス画像の壁厚解析効果図である。広い断面の流路の全体的な均一性は良好であることがわかりますが、リングの内壁の輪郭は明確ではありません。これは主に、GH3625合金の密度が高いこと、複雑な流路サンプルの厚さ比が大きいこと、ビーム硬化、散乱線などの要因によって発生します。外径と流路を測定したところ、外径は79.4mmでした。流路が異なるとCT測定結果に差がありました。広断面流路の幅は1.90～2.00mm、長さは2.86～2.93mmです。狭部流路の幅は1.31～1.67mm、長さは1.75～1.94mmです。同時に、最小精度0.01mmのマイクロメータを使用して測定しました。外径は79.5mm、広断面流路の幅は1.80〜1.90mm、長さは2.76〜2.86mm、狭断面流路の幅は1.30〜1.58mm、長さは1.78〜2.10mmでした。 CT 測定と比較すると、誤差は 0.16 mm 未満であり、CT が複雑な流路の壁厚を効果的に分析できることを示しています。

図7 内部流路壁厚の均一性の解析

【主な結論】
（１）複雑な流路を持つ燃焼室模擬部品をSLMプロセスで製造した。材質はGH3625高温合金で、内部には異なる大きさの突出立方体余剰部と線状余剰部が予め形成されている。

（2）GH3625高温合金燃焼室模擬部品に対してCR試験を実施し、GB/T 26642-2022規格のAレベル試験要求に従って透過照明を実施する。結果から、検出可能な最小設計サイズは、突出立方過剰の場合は 0.15 mm、線形過剰の場合は 0.1 mm であり、設計サイズが 0.1 mm 以下の突出立方過剰は検出されない可能性があることがわかりました。

（３）GH3625高温合金燃焼室模擬部品に対してマイクロCT検査を実施し、画像解像度は30μmに達した。結果は、設計寸法が0.08～0.20mmの突出した立方体過剰物体がすべて検出され、過剰物体の寸法が測定され分析されたことを示している。突出した立方体過剰物体の平均測定寸法は一般に設計寸法よりも大きく、最大絶対誤差は超えなかった。

50μm、突出立方体過剰欠陥の最小検出サイズは0.1mm、線状過剰欠陥の測定値は基本的に標準サイズと一致し、検出可能な最小線径は0.1mmです。

（４）流路壁の厚さを測定し、CTで均一性を解析した。その結果、広断面流路は均一性が良好であり、CT測定寸法と実測寸法の誤差は0.16mm未満であることがわかった。

【著者チーム紹介】

劉玲玲、女性、1989年9月生まれ、天津大学で計測科学技術を専攻し博士号を取得。講師および大学院指導者。 2019年3月に着任し、X線検出と人工知能の融合、テラヘルツ非破壊検査に関する教育と科学研究に従事。彼は、国立自然科学財団のプロジェクト 1 件、省および省庁レベルのプロジェクト 1 件、および複数の横断的プロジェクトを統括してきました。

【引用形式】
中国語：Bu Shupeng、Ao Bo、Song Hongyu、Liu Lingling、Liu Haiqiang。積層造形フローチャネル内の余剰材料のX線イメージングによる検出能力の研究[J]。特殊鋳造および非鉄合金、2024、44(9):1213-1217。

BU Shupeng1、AO Bo1、SONG Hongyu1、LIU Lingling1、LIU Haiqiang2。添加剤製造チャネル内の残留物のX線イメージング検出能力[J]。特殊鋳造および非鉄合金、2024、44(9):1213-1217。

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