On the Assessment of Porosity of Metals Obtained by Hot Isostatic Pressing Based on the Analysis of Structural Acoustic Noise

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article considers the possibility of using a non-destructive spectral-acoustic method for quantitative control of the porosity of Kh12MF steel samples obtained by hot isostatic pressing. The results of studies of samples obtained at different stages of hot isostatic pressing in the range of residual porosity from 0% to 9% are presented. The control technique is based on the analysis of acoustic structural noise parameters. Various methods of measuring parameters of structural noise are analyzed from the point of view of sensitivity and measurement error of the used informative parameters of structural noise. Clarified calculation algorithms for determining the parameters of structural noise are proposed, and the results of their experimental verification are presented. The obtained results can serve as a basis for developing an engineering method for assessing the degree of porosity of the material of parts and structural elements obtained by hot isostatic pressing, under operating conditions.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Khlybov

R. E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Author for correspondence.
Email: hlybov_52@mail.ru
Russian Federation, Nizhny Novgorod

A. L. Uglov

R. E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Email: hlybov_52@mail.ru
Russian Federation, Nizhny Novgorod

References

  1. Kaplanskii Y.Y., Korotitskiy A.V., Levashov E.A., Sentyurina Z.A., Loginov P.A., Logachev I.A., Samokhin A.V. Microstructure and thermomechanical behavior of heusler phase Ni2AlHF-strengthened NiAl-Cr(Co) alloy produced by HIP of plasma spheroidized powder // Materials Science and Engineering: A. 2018. V. 729. P. 398–410.
  2. Агеев С.В., Гиршов В.Л. Горячее изостатическое прессование в порошковой металлургии // Металлообработка. 2015. № 4 (88). С. 56–60.
  3. Хлыбов А.А., Рябов Д.А., Аносов М.С., Беляев Е.С. Исследование особенностей микроструктуры и свойств металлов, полученных путем горячего изостатического прессования // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. 2021. Т. 24. № 4. С. 4–10.
  4. Макалкин Д.И., Карабутов А.А., Саватеева Е.В. Прецизионное измерение групповой скорости ультразвука твердых сред в образцах миллиметровой толщины // Акуст. журн. 2023. T. 69. № 6. С. 685–694. https://doi.org/10.31857/S0320791923600622
  5. Алешин Н.П., Григорьев М., Щипаков Н.А., Неруш С.В. Исследование ультразвукового метода оценки пористости изделий аддитивного производства // Цветные металлы. 2019. № 5. С. 45–52. https://doi.org/10.17580/tsm.2019.05.05
  6. Slotwinski J.A., Garboczi E.J., Hebenstreit K.M. Porosity Measurements and Analysis for Metal Additive Manufacturing Process Control // J. of Research of the National Institute of Standards and Technology. 2014. V. 119. P. 494–528. https://doi.org/10.6028/jres.119.019
  7. Wong B.S., Ong M.Y. Non-Destructive testing of metallic 3D printed specimens. Saarbrucken, Germany. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2015. 75 p.
  8. Ren F., Case E.D., Morrison A. et al. Resonant ultrasound spectroscopy measurement of young's modulus, shear modulus and poisson's ratio as a function of porosity for alumina and hydroxyapatite // Philosoph. Mag. 2009. V. 89. No. 14. P. 1163–1182.
  9. Соколовская Ю.Г., Подымова Н.Б., Карабутов А.А. Лазерный оптико-акустический метод для обнаружения нарушений периодичности структуры углепластиков // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 4. С. 454–461.
  10. Хлыбов А.А., Углов А.Л., Демченко А.А. О спектрально-акустическом способе оценки пористости металлов, полученных методом горячего изостатического прессования // Дефектоскопия. 2022. № 12. С. 3–6.
  11. Adler L. Ultrasonic method to determinate gas porosity in aluminium alloy costings: theory and experiment // J. Appl. Phys. 1986. V. 59. No 2. P. 336–347.
  12. Thompson D.O., Wormley S.J., Rose J.H., Thompson R.B. Elastic wave scattering from multiple voids (porosity) // Rev. Progr. Quant Nondestruct. Eval. Proc. S. Annu. Rev. San Diego, Calif. 1983. V. 2A. P. 867–882.
  13. Khlybov A.A., Uglov A.L., Bakiev T.A., Ryabov D.A. Assessment of the degree of damage in structural materials using the parameters of structural acoustic noise // Nondestructive Testing and Evaluation. 2022. https://doi.org/10.1080/10589759.2022.2126470
  14. Хлыбов А.А., Углов А.Л. Об использовании параметров структурного шума при контроле поверхностными акустическими волнами Рэлея стали 20ГЛ в процессе упругопластического деформирования // Дефектоскопия. 2021. № 7. С. 3–10.
  15. Мурашов В.В. Определение пористости углепластиков в авиаконструкциях лазерно-акустическим способом ультразвукового контроля // Авиационная промышленность. 2011. № 3. С. 33–36.
  16. Мурашов В.В., Мишуров К.С. Определение пористости углепластиков в авиационных конструкциях ультразвуковым методом // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 2 (35). С. 88–92.
  17. Бойчук А.С., Мурашов В.В., Чертищев В.Ю., Диков И.А. Определение пористости в монолитных конструкциях из углепластиков ультразвуковым эхо-методом с использованием лазерного возбуждения ультразвуковых колебаний // Труды ВИАМ. 2016. № 12 (48). С. 10–14.
  18. Бойчук А.С., Диков И.А., Чертищев В.Ю., Генералов А.С. Определение пористости монолитных зон деталей и агрегатов самолета, изготавливаемых из ПКМ, с применением ультразвукового эхоимпульсного метода // Дефектоскопия. 2019. № 1. С. 4–9. https://doi.org/10.1134/S01303082190100019
  19. Муякшин С.И., Диденкулов И.Н., Вьюгин П.Н., Чернов В.В., Денисов Д.М. Исследование метода обнаружения и локализации неоднородностей в пластинах с использованием волн Лэмба // Акуст. журн. 2021. T. 67. № 3. С. 270–274. https://doi.org/10.31857/S0320791921030114
  20. Соколовская Ю.Г., Подымова Н.Б., Карабутов А.А. Количественная оценка пористости однонаправленных углепластиков с использованием лазерно-ультразвукового метода // Дефектоскопия. 2020. № 3. С. 14–22. https://doi.org/10.31857/S0320791920030065
  21. Potapov A.I., Makhov V.E. Methods for Nondestructive Testing and Diagnostics of Durability of Articles Made of Polymer Composite Materials // Russian J. Nondestructive Testing. 2018. V. 54. N. 3. P. 151–163.
  22. Sokolovskaya Y.G., Podymova N.B., Karabutov A.A. Application Of Broadband Laser-Ultrasonic Spectroscopy For Nondestructive Testing Of The Porosity In Carbon Fiber Reinforced Plastics With Various Volume Contents Of Carbon Fibers. Inorganic Materials // Applied Research. 2021. V. 12. No 5. P. 1428–1433.
  23. Подымова Н.Б., Карабутов А.А. Влияние пористости на статистическое распределение амплитуд обратно рассеянных ультразвуковых импульсов в металломатричных композитах, изготовленных методом реакционного литья // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 1. С. 55–64.
  24. Cheng W., Ba J., Fu L.-Y., Lebedev M. Wave-velocity dispersion and rock microstructure // J. Petroleum Sci. and Eng. 2019. 183. Art. Number 106466.
  25. Nikolenko P.V., Shkuratnik V.l., Chepur M.D. The effect of limestone porosity on the velocity of p- and s-waves under mechanical and thermal loading. National University of science and Technology – MISIS, Moscow. 2020. V. 56. No 5. P. 695–705.
  26. Подымова Н.Б., Карабутов А.А. Влияние трещиноватости полевых шпатов на спектральную мощность обратно рассеянных широкополосных импульсов продольных ультразвуковых волн // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 6. С. 679–688.
  27. Качанов В.К., Карташёв В.Г. Структурный шум в ультразвуковой дефектоскопии. М.: Изд. дом МЭИ, 2016. 186 с.
  28. Муравьев В.В. и др. Методика определения акустических структурных шумов металла // Интеллектуальные системы в производстве. 2013. № 1. С. 143–148.
  29. Артамонов В.В., Артамонов В.П. Неразрушающий контроль микроструктуры металла теплоэнергетического оборудования //Дефектоскопия. 2002. № 2. С. 34–43.
  30. Неразрушающий контроль. Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. Клюева В.В. Т. 3: Ультразвуковой контроль // Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. М.: Машиностроение. 2008. 864 с.
  31. Муравьев В.В. и др. Определение размера зерна металла по акустическим структурным шумам // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2014. Т. 57. № 11. С. 65–69.
  32. Пермикин В.С., Перов Д.В., Ринкевич А.Б. Акустические шумы в стали 12Х1МФ, содержащей микропоры // Дефектоскопия. 2004. № 2. С. 14–28.
  33. Муравьев В.В. и др. Влияние одноосного растяжения образцов стали 09Г2С после различной термической обработки на акустические структурные шумы // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 2. С. 118–122.
  34. Карташев В.Г. Ультразвуковая структуроскопия изделий из сложноструктурных материалов на основе анализа статистических характеристик структурного шума // Дефектоскопия. 2015. № 6. С. 41–56.
  35. Карташев В.Г. и др. Структурный шум при ультразвуковом контроле изделий из материалов со сложной структурой // Дефектоскопия. 2018. № 1. С. 19–32.
  36. Романишин Р.И., Романишин И.М. Обработка обратно рассеянного сигнала в ультразвуковом контроле // Дефектоскопия. 2018. № 6. С. 11–16.
  37. Романишин Р.І. и др. Ультразвуковий метод оцінювання розсіяної пошкодженості матеріалу на основі зворотньо розсіяного сигналу // ТДНК. 2017. № 2. С. 42–49.
  38. Муравьев В.В., Байтеряков А.В. Влияние эксплуатационной грузонапряженности рельсов на акустические структурные шумы // Дефектоскопия. 2016. № 11. С. 50–58.
  39. Муравьев В.В. и др. Способ определения среднего диаметра зерна металлических изделий и устройство для его осуществления. Патент на изобретение RU2 589 751, С2. Опубл. 10.07.2016, Бюл. № 19.
  40. Кошевой В.В. и др. Оценка деградации материала на основе ультразвуковой томографии при регистрации рассеянного сигнала // Дефектоскопия. 2010. № 9. С. 33–49.
  41. Da Costa Teixeira J., Appolaire B., Aeby-Gautier E., Denis S., Bruneseaux F. Modeling of the effect of the β phase deformation on the α phase precipitation in near β-titanium alloys // Acta Mater. 2006. V. 54. P. 4261–4271.
  42. Dorval V., Jenson F., Corneloup G. Accounting for structural noise and attenuation in the modeling of the ultrasonic testing of polycrystalline materials // Review of Progress in QNDE. 2010. V. 29. P. 1309–1316.
  43. Han Y.K., Thompson R.B. Ultrasonic backscattering in duplex microstructures: Theory and application to titanium alloys // Metall. Mater. Trans. 1997. A28. P. 91–104.
  44. Panetta P.D., Margetan F.J., Yalda I. Ultrasonic attenuation measurements in jet-engine titanium alloys // Review of Progress in QNDE. 1996. V. 15B. P. 1525–1532.
  45. Карташев В.Г., Качанов В.К., Соколов И.В. Радиотехнические методы в ультразвуковой дефектоскопии // Вестник МЭИ. № 1. 2014. С. 64–72.
  46. Овчарук В.Н. Спектральный анализ сигналов акустической эмиссии // Электронное научное издание «Ученые заметки ТОГУ». 2013. Т. 4. № 4. С. 974–986.
  47. Сергиенко Б.А. Цифровая обработка сигналов. СПб: Питер, 2006. 751 с.
  48. Хэмминг Р.В. Цифровые фильтры. М.: Недра, 1987. 221 с.
  49. Hayes M.H. Statistical digital signal processing and modeling. John Wiley & Sons, 2009. 624 p.
  50. Welch P. The use of the fast Fourier transform for the estimation of power spectra: A method based on time averaging over short, modified periodograms // IEEE Trans. Audio Electroacoust. 1967. V. 15. P. 70–73.
  51. Хлыбов А.А., Беляев Е.С., Рябцев А.Д., Беляева С.С., Гетмановский Ю.А., Явтушенко П.М. Влияние технологии горячего изостатического прессования на структуру и свойства изделий из порошка жаропрочного сплава ВЖ159 // Заготовительные производства в машиностроении. 2021. Т. 19. № 1. С. 44–48.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Typical oscillogram for a sample with a porosity degree of 9 %

Download (55KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Energy spectra of the bottom pulse: (a) - rectangular window, (b) - Hamming window

Download (154KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Energy spectrum of structural noise: (a) - rectangular window, (b) - Hamming window

Download (117KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. (a) - Autocorrelation function, (b) - structural noise

Download (55KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Typical periodograms for segments of duration Nп

Download (305KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Energy spectra of SN at different degrees of segment overlap

Download (726KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Energy spectra of SN at (a) - single (Nα = 1) and (b) - multiple (Nα = 13) transducer angles

Download (219KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Full oscillograms for samples with different degrees of porosity

Download (130KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Effect of porosity degree on relative energy of structural noise

Download (74KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences