新技術提升引擎部件的安全性

感測器與軟體智慧系統能於整個熔煉過程中，即時掌握錠坯的關鍵品質參數。

航空航天製造與設計| 保羅·E·金與安德魯·J·艾略特

商業航空旅行的安全性已達到前所未有的高度。但機械故障仍可能發生，且至今仍時有發生。2021年2月20日從科羅拉多州丹佛市起飛的聯合航空328號班機，起飛四分鐘後發生了災難性的引擎故障。 所幸，該架飛機成功返航並安全降落。儘管美國聯邦航空總署（FAA）持續完善安全法規，但在預防嚴重引擎故障方面仍有更多工作待做。

在製造初期進行的初級金屬加工階段，便可著手進行改進。材料必須具備足夠的強度，以承受零件所面臨的劇烈應力與極端溫度，例如渦輪盤——它在以超過 10,000 轉/分鐘的速度旋轉且溫度高達 1,700°C 的情況下，仍需將渦輪葉片緊密固定在一起。 風扇葉片同樣容易出現問題，這點已由聯合航空 328 號班機的事故所證實。美國國家運輸安全委員會（NTSB）判定事故肇因於風扇葉片斷裂——兩片風扇葉片因金屬疲勞而斷裂，這通常是源於初級金屬加工過程中可能產生的宏觀與微觀不連續性所致。

當今的製造工藝無法生產出未來的飛機引擎零組件。要達到這些標準，零組件製造領域必須經歷一場革命，透過無懈可擊的製程與精密設備，讓人對材料能發揮極致性能的能力充滿絕對信心。

Ampere Scientific與Consarc Corp.攜手合作，運用感測器與軟體智慧技術，致力於徹底革新零件製造領域。他們目前的任務是偵測真空電弧重熔（VAR）製程中可能導致關鍵引擎組件產生缺陷的狀況。他們將運用這項技術預測可能導致缺陷的狀況，並加以預防。

VAR 熔爐用於重熔與精煉特種合金，這些合金經成型後將製成飛機上的關鍵航空發動機零件。目前的 VAR 熔爐在製程控制與錠坯品質評估方面，仍仰賴電訊號，而非直接評估並即時視覺化觀察正在成型的錠坯。

Ampere Scientific 決心透過其 VARmetric 電弧定位感測技術來改變現狀，該技術能讓操作人員一窺熔煉過程的內部狀況。VARmetric 結合了先進的電磁場感測技術與 Consarc 的 VAR 熔爐測量數據，藉此擷取、記錄並顯示熔爐的運作特性——這些特性在熔煉過程中以往是無法偵測到的。該系統利用 Consarc 的控制系統來監控熔爐電流、電壓、真空度、稱重感測器、推桿位置／速度以及電磁攪拌狀況。 接著，VARmetric 會整合 VAR 內多個位置的磁場測量數據，藉此呈現電弧在 VAR 內部的位置。

 

結果顯示的即時數據如下：

• 熔爐運作特性（電流、電壓、真空度、熔化速率、推桿速度等）的圖表
• 疊加於 VAR 環形攝影機所拍攝之影像上的徑向弧形位置
• 隨時間變化的弧形分布
• 電極形狀與位置隨時間的變化
• 針對側向電弧狀況、電弧間隙過大、其他異常事件或電極位移所發出的警報

這些數據在錠坯生產過程中即供操作人員使用，並可作為任何合格合金錠坯「產銷監管鏈」紀錄的一部分。作為數位孿生的一部分，這些資訊可用於計算操作過程中產生凝固缺陷的機率。 這讓金屬生產商、引擎原始設備製造商（OEM）以及監管機構更能確信，他們所使用的材料均以一致的品質生產，且能夠承受在極端環境中預期會面臨的嚴苛考驗。VARmetric 會於熔煉過程全程擷取數據，並建立詳細的圖譜，以便在對成品零件進行任何微觀或宏觀品質檢測之前，便能評估錠坯的品質。 隨著技術日趨成熟及數據庫不斷擴充，VARmetric 將能成為一套預警系統，讓操作人員能在熔煉過程中主動應對，避免生產時超出製程限值，從而確保每次熔煉都能一貫地取得最佳成果。

在這樣的指導下，凝固缺陷將得以減少，對錠坯品質的信心也將提升。品質更佳的錠坯能生產出更高品質的零組件，有助於下一代飛機飛得更輕、更快、更堅固且更安全。

 

來源：《航空航天製造與設計》