Understanding and improving ultrasonic inspection of jet-engine titanium alloy

Commercial titanium alloy is widely used in the rotating components of aircraft engines. To ensure the safety and longer lifetime of these critical parts, the demand to detect smaller defects becomes more and more important. However, the detection of smaller defects by ultrasonic method in such materials is made difficult by the complicated ultrasound-microstructure interactions, such as the high backscattered grain noise levels and serious signal fluctuations. The objective of this research is to develop a more complete understanding of these phenomena to guide solutions that would address those problems.;In Chapter 1, the relationships between ultrasonic properties and the microstructure are investigated for a series of Ti-6Al-4V forging specimen. Close correlation between the ultrasonic properties and the forging deformation parameters are observed. A model was developed to correlate backscattered grain noise levels with microstructural variations (grain orientation, elongation and texture) due to the inhomogeneous plastic deformation during forging. The model predictions and experiments agree reasonably well.;In Chapter 2, an existing backscattered grain noise theory is extended, leading to a formal theory predicting the spatial correlation of the backscattered grain noise. A special form of the theory for a Gaussian beam is also presented to demonstrate that the material microstructure and the overlap of the incident beam are the important physical parameters controlling the grain noise spatial correlation. The developed theory is validated by the excellent agreements between the predictions and experiments. Physical insights of the results for different setups were discussed.;Ultrasonic signal fluctuations are studied in Chapter 3. The microstructure-induced beam distortions are first explicitly demonstrated. An analytical relationship is then derived to correlate the back-wall P/E spectrum at one transducer location to the through-transmitted field. Based on the analytical relationship and the statistical descriptions of various beam distortion effects, a quantitative Monte-Carlo model is developed to predict the back-wall amplitude fluctuations seen in ultrasonic P/E inspections. The predictions are shown to be in good agreements with experiments. The same modeling approach is used to simulate the flaw (small reflector) signal fluctuation and the results are compared with an independent modeling study. Qualitative agreements are observed

Prüfkopfpositionsverfolgung durch Auswertung von akustischen Bildfolgen für eine quantitativ bewertbare manuelle Ultraschallprüfung

Ultrasonic inspection methods are used to prevent failure of pressurized components. However, flaw evaluation depends on skills of trained inspectors. Automated scanning has become mandatory for more reliable inspection performance. However, manipulator techniques are often not applicable. The control of transducer position during manual scanning could provide an equivalent inspection quality but with the advantage of easy access and scanning. Ultrasonic multi-channel equipment enables real-time imaging of inspection results during scanning. Migration codes reconstruct reflector images with a resolution given by the aperture of the transducer array element. Optical flow algorithm can be applied to identify image changes of sector scan sequences of linear arrays for quantitative transducer motion tracking. These are the basics for the development of an “Acoustic Mouse”, so called as analogous to the optical mouse of computer technology. We developed an optimized optical flow algorithm for linear arrays. By optical flow estimate of sector scan sequences we could demonstrate a transducer positioning accuracy better than half of the wavelength. However, optical flow estimate of noise images requires the use of longitudinal waves and appropriate focusing to reduce the contribution of grain boundary reflection. Further, optical flow images can be used to identify transducer positions after lift-off situations. The time needed for transducer repositioning is in the range of 2 seconds.Die Ultraschall Impuls-Echo Methode zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit beim Nachweis von rißartigen Fehlern aus, die zum Versagen von druckführenden Komponenten führen können. Allerdings kann nur mit großem Aufwand eine hinreichend sichere Aussage über Fehlerart und Größe getroffen werden. Dies führt zur Forderung, kritische Bauteile automatisiert zu prüfen. Eine manuelle Prüfung würde eine Erfassung der Prüfkopfposition erfordern. Mit Gruppenstrahlern kann ein Reflektorbild in Echtzeit gemessen werden. Für die Rekonstruktion werden Migrationsalgorithmen verwendet, mit denen eine Auflösung bis zu einer halben Wellenlänge erreicht werden kann. Damit sind die Grundlagen gegeben für die Entwicklung einer akustischen Maus, ein Analogon zur optischen Maus der Computertechnik. Die Tauglichkeit dieses Konzeptes wurde nachgewiesen: ein optimierter Algorithmus zur Bestimmung von Bildänderungen und der anschließenden Prüfkopfpositionsbestimmung wurde entwickelt und experimentell überprüft. Der Algorithmus basiert auf den Prinzipien des optischen Flusses. Die Analyse von Rauschbildern setzt die Verwendung longitudinaler Wellen und eine gute Fokussierung zur Einschränkung des Beitrages der Reflektionen an den Korngrenzen voraus. Die optischen Flußbilder können als Positionssignatur verwendet werden, die nach einer Prüfkopfabhebung das Auffinden der bereits geprüften Positionen ermöglicht. Die erreichten Genauigkeiten liegen im Bereich einer halben Wellenlänge

Prüfkopfpositionsverfolgung durch Auswertung von akustischen Bildfolgen für eine quantitativ bewertbare manuelle Ultraschallprüfung

Ultrasonic inspection methods are used to prevent failure of pressurized components. However, flaw evaluation depends on skills of trained inspectors. Automated scanning has become mandatory for more reliable inspection performance. However, manipulator techniques are often not applicable. The control of transducer position during manual scanning could provide an equivalent inspection quality but with the advantage of easy access and scanning. Ultrasonic multi-channel equipment enables real-time imaging of inspection results during scanning. Migration codes reconstruct reflector images with a resolution given by the aperture of the transducer array element. Optical flow algorithm can be applied to identify image changes of sector scan sequences of linear arrays for quantitative transducer motion tracking. These are the basics for the development of an “Acoustic Mouse”, so called as analogous to the optical mouse of computer technology. We developed an optimized optical flow algorithm for linear arrays. By optical flow estimate of sector scan sequences we could demonstrate a transducer positioning accuracy better than half of the wavelength. However, optical flow estimate of noise images requires the use of longitudinal waves and appropriate focusing to reduce the contribution of grain boundary reflection. Further, optical flow images can be used to identify transducer positions after lift-off situations. The time needed for transducer repositioning is in the range of 2 seconds.Die Ultraschall Impuls-Echo Methode zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit beim Nachweis von rißartigen Fehlern aus, die zum Versagen von druckführenden Komponenten führen können. Allerdings kann nur mit großem Aufwand eine hinreichend sichere Aussage über Fehlerart und Größe getroffen werden. Dies führt zur Forderung, kritische Bauteile automatisiert zu prüfen. Eine manuelle Prüfung würde eine Erfassung der Prüfkopfposition erfordern. Mit Gruppenstrahlern kann ein Reflektorbild in Echtzeit gemessen werden. Für die Rekonstruktion werden Migrationsalgorithmen verwendet, mit denen eine Auflösung bis zu einer halben Wellenlänge erreicht werden kann. Damit sind die Grundlagen gegeben für die Entwicklung einer akustischen Maus, ein Analogon zur optischen Maus der Computertechnik. Die Tauglichkeit dieses Konzeptes wurde nachgewiesen: ein optimierter Algorithmus zur Bestimmung von Bildänderungen und der anschließenden Prüfkopfpositionsbestimmung wurde entwickelt und experimentell überprüft. Der Algorithmus basiert auf den Prinzipien des optischen Flusses. Die Analyse von Rauschbildern setzt die Verwendung longitudinaler Wellen und eine gute Fokussierung zur Einschränkung des Beitrages der Reflektionen an den Korngrenzen voraus. Die optischen Flußbilder können als Positionssignatur verwendet werden, die nach einer Prüfkopfabhebung das Auffinden der bereits geprüften Positionen ermöglicht. Die erreichten Genauigkeiten liegen im Bereich einer halben Wellenlänge

Optical flow transducer position tracking for quantitative manual ultrasonic testing

Ultrasonic inspection methods are used to prevent failure of pressurized components. However, flaw evaluation depends on skills of trained inspectors. Automated scanning has become mandatory for more reliable inspection performance. However, manipulator techniques are often not applicable. The control of transducer position during manual scanning could provide an equivalent inspection quality but with the advantage of easy access and scanning. Ultrasonic multi-channel equipment enables real-time imaging of inspection results during scanning. Migration codes reconstruct reflector images with a resolution given by the aperture of the transducer array element. Optical flow algorithm can be applied to identify image changes of sector scan sequences of linear arrays for quantitative transducer motion tracking. These are the basics for the development of an “Acoustic Mouse”, so called as analogous to the optical mouse of computer technology. We developed an optimized optical flow algorithm for linear arrays. By optical flow estimate of sector scan sequences we could demonstrate a transducer positioning accuracy better than half of the wavelength. However, optical flow estimate of noise images requires the use of longitudinal waves and appropriate focusing to reduce the contribution of grain boundary reflection. Further, optical flow images can be used to identify transducer positions after lift-off situations. The time needed for transducer repositioning is in the range of 2 seconds.Die Ultraschall Impuls-Echo Methode zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit beim Nachweis von rißartigen Fehlern aus, die zum Versagen von druckführenden Komponenten führen können. Allerdings kann nur mit großem Aufwand eine hinreichend sichere Aussage über Fehlerart und Größe getroffen werden. Dies führt zur Forderung, kritische Bauteile automatisiert zu prüfen. Eine manuelle Prüfung würde eine Erfassung der Prüfkopfposition erfordern. Mit Gruppenstrahlern kann ein Reflektorbild in Echtzeit gemessen werden. Für die Rekonstruktion werden Migrationsalgorithmen verwendet, mit denen eine Auflösung bis zu einer halben Wellenlänge erreicht werden kann. Damit sind die Grundlagen gegeben für die Entwicklung einer akustischen Maus, ein Analogon zur optischen Maus der Computertechnik. Die Tauglichkeit dieses Konzeptes wurde nachgewiesen: ein optimierter Algorithmus zur Bestimmung von Bildänderungen und der anschließenden Prüfkopfpositionsbestimmung wurde entwickelt und experimentell überprüft. Der Algorithmus basiert auf den Prinzipien des optischen Flusses. Die Analyse von Rauschbildern setzt die Verwendung longitudinaler Wellen und eine gute Fokussierung zur Einschränkung des Beitrages der Reflektionen an den Korngrenzen voraus. Die optischen Flußbilder können als Positionssignatur verwendet werden, die nach einer Prüfkopfabhebung das Auffinden der bereits geprüften Positionen ermöglicht. Die erreichten Genauigkeiten liegen im Bereich einer halben Wellenlänge