OPTIMIZING NDT STRATEGIES: Introducing Phased Array Ultrasonic Inspections for CFM56-7B Engine Fan Blades

This experimental thesis stems from the desire to suggest useful improvements in the field of non-destructive testing (NDT) in aeronautics. Following an introductory overview on aircraft maintenance and NDT, the events and causes that led to the definition of a current repetitive ultrasonic inspection procedure are illustrated. Ample space is dedicated to the SWA1380 aircraft accident, occurred on April 17, 2018. Such inspection, performed using the Pulse Echo technique, is object of Service Bulletin 72-1033 Rev. 3 issued by the engine manufacturer (CFM). It is aimed at detecting potential fatigue cracks that tend to develop on the "dovetail" area of the CFM56-7B engine titanium alloy fan blades. In light of the theory on ultrasound, the current procedure, the employed instruments and probes are described in detail. This is followed by a discussion on the characteristics and potential of the more advanced UT Phased Array technology, which is proposed as an alternative or integrative solution for the inspection of a test piece. To complete this theoretical-descriptive chapter, aspects of fatigue analysis and modeling of the ultrasound beam are deepened. At the hearth of our research is the practical-experimental analysis. It was supported with a market survey which involved, among others, the maintenance company we worked with. Testing took place on second-hand aeronautical components, no longer airworthy but still in good condition. This was previously verified through specific tests. Artificial defects such as blind holes with the appropriate characteristics were created using sinker electrical discharge machining (EDM) on a fan blade, and certified through the relative molds and dimensional reports. The blade in question was the subject of multiple tests, presented and commented on, following which three new inspection procedures were outlined and codified. The innovative approach proposed here resolves the critical issues highlighted in the previous methodology and allows considerable savings of time and resources for the maintenance organization, while ensuring a high level of safety. Lastly it is suitable for data analysis and application in various fields.

Questa tesi è di carattere sperimentale e nasce dal desiderio di suggerire migliorie utili nell’ambito dei controlli non distruttivi (NDT) in campo aeronautico. A seguito di una panoramica introduttiva sul mondo della manutenzione aeronautica e i controlli NDT, sono illustrati gli avvenimenti e le cause che hanno portato alla definizione dell’attuale procedura di ispezione a ultrasuoni (UT), ad oggi eseguita con tecnica Pulse Echo sulla radice delle pale fan del motore CFM56-7B. Ampio spazio è dedicato all’incidente aereo SWA1380, avvenuto il 17 aprile 2018. L’ispezione in questione, oggetto del Service Bulletin 72-1033 Rev. 3 emesso dalla casa costruttrice del motore (CFM), è volta a individuare eventuali cricche a fatica che tendono a svilupparsi sul “dovetail” delle pale fan in lega di titanio. Alla luce della teoria sugli ultrasuoni sono descritti nel dettaglio l’attuale procedura, gli strumenti e le sonde impiegate. Segue una trattazione su caratteristiche e potenzialità della più moderna tecnologia UT Phased Array, proposta come soluzione alternativa o integrativa nell’ispezione del componente. Al termine di tale capitolo teorico-descrittivo sono approfonditi aspetti di analisi a fatica e di modellazione del fascio ultrasonoro. L’analisi pratico-sperimentale rappresenta tuttavia il cuore della nostra ricerca. Supportata da un’indagine di mercato che ha interessato, tra gli altri, l’azienda di manutenzione con la quale abbiamo operato, la sperimentazione si è svolta su componenti aeronautici di seconda mano, non aeronavigabili ma in buone condizioni. Ciò è stato preventivamente verificato attraverso prove specifiche. Difetti artificiali quali fori ciechi con le caratteristiche opportune sono stati realizzati con tecnica elettroerosione (EDM) a tuffo su una pala fan, e certificati tramite i relativi calchi e report dimensionali. La pala in questione è stata oggetto di molteplici test, presentati e commentati, a valle dei quali si sono delineate e codificate tre nuove procedure di ispezione. L’approccio innovativo qui proposto risolve le criticità evidenziate nella precedente metodologia, permette notevole risparmio di tempo e risorse per l’operatore della manutenzione, pur garantendo elevato livello di safety, e in ultimo si presta per l’analisi dei dati e l’applicazione in molteplici settori.