新技术提升了发动机部件的安全性

传感器和智能软件在整个熔炼过程中实时监测锭坯的关键质量指标。

航空航天制造与设计| 保罗·E·金和安德鲁·J·埃利奥特

商业航空旅行比以往任何时候都更安全。但机械故障仍有可能发生，而且确实仍在发生。2021年2月20日，从科罗拉多州丹佛市起飞的UA 328航班在起飞四分钟后遭遇了灾难性的发动机故障。 幸运的是，该飞机返航并安全降落。尽管美国联邦航空管理局（FAA）一直在不断完善安全法规，但在预防严重发动机故障方面仍有许多工作要做。

在制造初期，即金属初级加工阶段，就可以进行改进。材料必须能够承受部件所经历的剧烈应力和极端温度，例如涡轮盘——它在以超过10,000转/分钟的速度旋转且温度高达1,700°C的情况下，将涡轮叶片固定在一起。 风扇叶片同样容易出现问题，UA 328航班的事故就证明了这一点。美国国家运输安全委员会（NTSB）确定事故原因是风扇叶片脱落——两片风扇叶片因金属疲劳而断裂，这通常是初级金属加工过程中可能出现的宏观和微观不连续性所导致的。

当今的制造工艺无法生产出未来所需的飞机发动机零部件。要达到这些标准，零部件制造领域必须发生一场革命——唯有通过无可挑剔的工艺和精密设备，才能让人对材料实现最佳性能的能力充满信心。

Ampere Scientific与Consarc Corp.强强联手，通过应用传感器和软件智能技术，致力于彻底改变零部件制造领域。他们当前的任务是检测真空电弧重熔（VAR）工艺中可能导致关键发动机部件出现缺陷的状况。他们将利用这项技术预测导致缺陷的状况，并防止其发生。

VAR熔炉用于重熔和精炼特种合金，这些合金随后被制成飞机中的关键航空发动机部件。目前的VAR熔炉依赖于电信号进行工艺控制和锭坯质量评估，而非对生长中的锭坯进行直接评估和实时可视化观察。

Ampere Scientific 决心通过其 VARmetric 电弧定位传感技术来改变这一现状，该技术能够直观呈现熔炼过程。VARmetric 将先进的电磁场传感技术与 Consarc 的 VAR 熔炉测量数据相结合，从而捕捉、记录并显示熔炉在熔炼过程中此前无法检测到的运行特性。该技术利用 Consarc 的控制系统来监测熔炉电流、电压、真空度、称重传感器、推杆位置/速度以及电磁搅拌情况。 随后，VARmetric 将 VAR 炉内多个位置的磁场测量数据进行整合，从而绘制出 VAR 炉内部电弧的位置图。

 

结果显示了以下实时数据：

• 炉子运行特性（电流、电压、真空度、熔化速率、推杆速度等）的曲线图
• 叠加在VAR环形摄像头视频图像上的径向弧位置
• 随时间变化的电弧分布
• 电极形状与位置随时间的变化
• 针对侧向电弧、电弧间隙增大、其他异常事件或电极位移的报警

在生产锭坯的过程中，操作员即可获取这些数据，并可将其作为任何合格合金锭坯的产销监管链记录的一部分。作为数字孪生的一部分，这些信息可用于计算生产过程中出现凝固缺陷的概率。 这使金属生产商、发动机原始设备制造商（OEM）以及监管机构更加确信，他们所使用的材料生产过程一致，能够承受极端环境下预期的严苛考验。VARmetric在整个熔炼过程中采集数据，并生成详细图谱，以便在对成品部件进行任何微观或宏观质量检测之前，就对锭坯质量进行评估。 随着技术日趋成熟和数据量的不断增长，VARmetric可成为一套预警系统，使操作人员能够在熔炼过程中主动采取应对措施，避免生产过程中超出工艺限值，从而确保每次熔炼都能始终如一地获得最佳结果。

在这样的指导下，凝固缺陷将得到减少，对锭坯质量的信心也将增强。更高质量的锭坯能生产出更高质量的零部件，从而帮助下一代飞机实现更轻、更快、更强、更安全的飞行。

 

来源：《航空航天制造与设计》