Feasibility of ultrasonic phased array inspection on as-forged components

Mansur Rodrigues Filho, Jorge Franklin (2022). Feasibility of ultrasonic phased array inspection on as-forged components. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In the context of ultrasonic inspection of aircraft engine components, this work investigates the feasibility of performing ultrasonic non-destructive testing on as-forged parts. In partnership with Pratt and Whitney Canada (P&WC), a case study on fan disk forgings that require an extremely high inspection standard was proposed. Therefore, the challenging ultrasonic inspection of parts with complex geometries was researched and developed in three complementary works. First, the reliability of the total focusing method (TFM) applied to specimens with concave and convex profiles was studied in terms of the probe standoff. Artifacts with high amplitude and resolution loss occurred at some profile-standoff combinations. So, a probe standoff optimization method (PSOM) was introduced to mitigate such effects. As a result, considerable TFM improvements were demonstrated at the optimal standoff. The TFM image of a convex specimen had its array performance indicator (API) improved and the signal-to-artifact ratio (SAR) gained up to 13 dB. Lastly, the image under a concave surface gained up to 33 dB in signal-to-artifact ratio. The second study aimed at optimizing the imaging of defects below parts with concave surfaces. A beamforming strategy was proposed to mitigate the poor ultrasound penetration problem. In this method, the refraction was compensated by focusing the ultrasonic beam on points on the specimen’s surface. Using fewer transmissions, the beam computation showed a gain of 12 dB per transmission, and the imaging of a 1 mm side drilled hole presented an improvement of approximately 11 dB in signal-to-noise ratio. The third article presents a novel global TFM (gTFM) to scan a complex specimen representing an aerospace disk forging mock-up. This specimen contained 30 side-drilled holes as sensitivity targets and a profile geometry comprised of multiple concave and convex surfaces. This study combined both previous works through a digital twin of the inspection to optimize the scan plan. Moreover, the ultrasonic phased array probe was scanned around the specimen using a robotic arm, and all acquisitions were combined to generate the global TFM images. The comparison of different scan plans showed that the optimal one, with the probe position adapted to the surface profile, resulted in the sharpest image of the SDHs. This represents a 40% increase in the mean contrast-to-noise ratio (CNR), a 70% reduction in position error (only 0.1mm), and a 33% reduction in the array performance indicator (API). The inspection coverage was efficient, with only seven probe positions needed to depict the complete cross-section of the specimen. Finally, the results of the research on P&WC forgings are presented. The Ni-alloy was characterized and assessed using standard and phased array ultrasonic testing. Then a bore inspection using TFM was proposed and validated as an alternative to increase the inspection sensitivity. A flaw caused in manufacturing was evaluated and sized using a CT scan, standard ultrasonic testing, and TFM. The latter presented the best results with a size error below 10%. To complete the study, an experiment for comparison of sensitivity was designed for P&WC.

Titre traduit

Faisabilité de l'inspection ultrasonique multi-éléments sur des composants comme forgés

Résumé traduit

Dans le cadre de l'inspection par ultrasons de composants de moteurs d'avions, ce travail étudie la faisabilité d'effectuer des contrôles non destructifs par ultrasons sur des pièces forgées. En partenariat avec Pratt and Whitney Canada (P&WC), une étude a été proposée sur les cas de ces pièces que nécessitant un niveau d'inspection extrêmement élevée. Par conséquent, le défi de l'inspection par ultrasons de pièces aux géométries complexes a été étudié et développé dans trois travaux. Tout d'abord, la fiabilité de la total focusing method (TFM) a été étudiée en termes de distance de sonde quand appliquée aux pièces avec des profils concaves et convexes. Des artefacts se sont produits à certaines combinaisons profil-position de sonde, provoquant la réduction de l’amplitude et de la résolution de l’image. Ainsi, une méthode d'optimisation de la position de sonde (PSOM) a été introduite pour atténuer ces effets. En conséquence, des améliorations considérables de la TFM ont été démontrées à la position optimale. L'image TFM d'un spécimen convexe démontrée un indicateur array performance indicator (API) amélioré et le signal-to-artifact ratio (SAR) a gagné jusqu'à 13 dB. Enfin, l'image sous une surface concave a gagné jusqu'à 33 dB en SAR. La deuxième étude visait à optimiser l'imagerie des défauts sous les pièces à surfaces concaves. Une stratégie de beamforming a été proposée pour atténuer le problème de mauvaise pénétration des ultrasons. Dans cette méthode, la réfraction était compensée en focalisant le faisceau ultrasonore sur des points à la surface de l'échantillon. En utilisant moins de transmissions, le calcul du faisceau a montré un gain de 12 dB par transmission, et l'imagerie d'un trou de 1 mm a présenté une amélioration d'environ 11 dB du signal-to-noise ratio. Le troisième article présente un nouveau TFM global (gTFM) pour scanner un spécimen complexe représentant une maquette de forgeage de disque aérospatial. Ce spécimen contenait 30 trous percés latéralement comme cibles de sensibilité et une géométrie de profil composée de multiples surfaces concaves et convexes. Cette étude a combiné les deux travaux précédents à travers un modèle numérique de l'inspection afin d'optimiser le scan plan. De plus, la sonde multiélément à ultrasons a été balayée autour de l'échantillon à l'aide d'un bras robotisé, et toutes les acquisitions ont été combinées pour générer les images TFM globales. La comparaison de différents plans de balayage a montré que le plan optimal, avec la position de la sonde adaptée au profil de surface, entraînait la meilleure image des SDH. Cela représente une augmentation de 40 % du rapport contraste/bruit moyen (CNR), une réduction de 70 % de l'erreur de position (seulement 0,1 mm) et une réduction de 33 % d’API. La couverture d'inspection était efficace, avec seulement sept positions de sonde nécessaires pour représenter la section transversale complète de l'échantillon. Enfin, les résultats de la recherche sur les pièces forgées de P&WC sont présentés. L'alliage de Ni a été caractérisé et évalué à l'aide de tests par ultrasons standard et multiéléments. Ensuite, une inspection d'alésage à l'aide de TFM a été proposée et validée comme alternative pour augmenter la sensibilité de l'inspection. Un défaut causé lors de la fabrication a été évalué et dimensionné à l'aide d'un CT-scan, d'un test par ultrasons standard et d'un TFM. Ce dernier a présenté les meilleurs résultats avec une erreur de taille inférieure à 10 %. Pour compléter l'étude, une expérience de comparaison de sensibilité a été conçue pour P&WC.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 109-113).
Mots-clés libres:	essais ultrasonores multiéléments, TFM, FMC, pièces complexes, robotisation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 janv. 2023 21:06
Dernière modification:	30 janv. 2023 21:06
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3140

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