Сверхминиатюрные вихретоковые преобразователи для исследования алюминиевых сплавов и упрочняющих покрытий

1. Введение

В настоящее время наибольшее распространение получило упрочнение деталей путем индукционной наплавки твердых сплавов и белых чугунов. Однако результаты проведенных испытаний показывают, что наиболее перспективным классом материалов, обладающим максимальной эрозионной стойкостью, являются твердые (H>10 ГПа) покрытия, изготовленные на основе карбидов металлов. Однако к числу факторов, влияющих на эрозионную стойкость, относится толщина нанесенного покрытия, режимы его осаждения и качество предварительной подготовки поверхности. Так, например, для титанового сплава снижение толщины покрытия до значения меньше 15 мкм приводило к значительному снижению эрозионной стойкости [1–3] (Chernoivanov, Lyalyakin, Aulov, Ishkov, Krivochurov, Ivanayskiy, Koval, Sokolov, 2015; Dmitriev, Lyashchenko, Ishkov, Novozhenov, 2010; Dmitriev, Malikov, Ishkov, Sagalakov, 2013).

В качестве перспективных материалов для защитно-упрочняющих покрытий предлагаются композиты на основе матрицы тройной системы Fe-B-FeⁿB, образующейся непосредственно на поверхности упрочняемой детали при ее борировании в условиях ТВЧ-нагрева из шихты оригинального состава и различных функциональных наполнителей [4–5] (Dmitriev, Malikov, Sagalakov, Ishkov, 2013; Dmitriev, Malikov, Sagalakov, Ishkov, 2014).

Покрытия тройной системы Fe-B-Fe_nB образуются при ТВЧ-нагреве на поверхности упрочняемой детали при прохождении экзотермической топохимической реакции между железом стали и боросодержащей шихтой, взаимодействие захватывает поверхностный слой материала-основы, а продукты реакции составляют с ним одно целое и характеризуются плавным изменением химического состава при переходе границы раздела основа-покрытие, что определяет их высокую адгезию, прочность и износостойкость, специальные свойства.

Важное место в современной гражданской и военной промышленности занимают сплавы из дюралюминия и алюминий-магния. Такие сплавы являются основными конструкционными материалами в авиации и космонавтике – благодаря удачному сочетанию прочности и легкости. Данные сплавы широко применяются при производстве скоростных поездов (например, поездов Синкансэн (Япония)) и во многих других отраслях машиностроения. Дюралюминий также применяют во многих других отраслях современной индустрии: в электротехнической промышленности, в химической и пищевой промышленности, так как этот сплав устойчив к воздействию большинства химикатов и продуктов. Также дюралюминий используют при изготовлении систем вентиляции, в радиотехнике, в строительстве. Например, сплав марки Д16АМ применяется в экстремальных условиях низких температур. Дюралюминий марки Д16Т пластичен, и поэтому используется в судостроении, производстве мебели [6–10] (Prance, Clark, Prance, 2003; Tyutrin, Gerasimov, 2008; Semenov, 1970; Suchkov, 2005; Belyankov, Goldshteyn, 2013).

Дефекты в данных сплавах могут возникать как на стадии литья, так и на стадии последующего изготовления деталей, например, в результате некачественной сварки.

При решении проблем поиска малых дефектов глубокого залегания математические методы обработки сигнала становятся неэффективными, поскольку результаты, полученные с помощью данных методов, не позволяют отличить трещины от поверхностных артефактов [11–13] (Murphy, 1997; Comby, 1997; Frederick, 1990).

Анализ исследований, направленных на решение данной проблемы, свидетельствует о стремлении к миниатюризации вихретоковых преобразователей. В последнее время разработаны датчики, имеющие размеры 5*5 мм с диаметром используемой проволоки в 0,15 мм [14] (Prance, 2000). Однако разработанные датчики не обеспечивают требуемой глубины проникновения и локализации магнитного поля, которые необходимы для локальных измерений в различных неоднородных средах. Для повышения локализации магнитного поля часто применяются концентраторы магнитного поля [11] (Murphy, 1997). Данная конструкция обеспечивает значительное преимущество, обеспеченное исключением рассеивания вихревых токов по поверхности объекта контроля [15] (Prance, Clark, Prance, 2003). Глубина проникновения магнитного поля при этом увеличивается до значения 2,5 мм.

2. Методы и средства измерений

В исследовании применялась следующая измерительная система: конструкция измерительной системы включает в себя два дифференциально включенных сверхминиатюрных преобразователя, обеспечивающих высокую локализацию магнитного поля. Возбуждающая обмотка сверхминиатюрного преобразователя состоит из 10 витков, а ее диаметр составляет 0,12÷0,13 мм. Измерительная обмотка состоит из 130 витков и имеет диаметр 0,05÷0,08 мм. С целью минимизации влияния возбуждающей обмотки на регистрируемый сигнал в схему включена компенсационная обмотка, подключенная к измерительной обмотке по известной дифференциальной схеме. Она состоит из 20 витков. Для намотки витков используется медная проволока, имеющая толщину 5 мкм. Обмотки наматываются на сердечник пирамидальной формы. Предлагаемая форма сердечника благоприятствует локализации магнитного поля. Сердечник изготовлен из феррита со значением начальной магнитной проницаемости 500 [3, с. 198] (Dmitriev, Malikov, Ishkov, Sagalakov, 2013, р. 198). Измерительная система, построенная на основе миниатюрного вихретокового преобразователя, работает следующим образом. Программное обеспечение персонального компьютера управляет работой генератора, который формирует последовательность прямоугольных импульсов напряжения с определенной частотой, необходимой для работы вихретоковых преобразователей. Импульсы напряжения с выхода генератора передаются на два последовательно включенных интегратора, после чего направляются на вход усилителя мощности. С выхода усилителя импульсы напряжения поступают на возбуждающие катушки индуктивности вихретоковых преобразователей. Разность выходных напряжений измерительных катушек преобразователей несет информацию о структурных неоднородностях объекта контроля, находящихся в зоне действия вихретоковых преобразователей. Разность выходных напряжений преобразователей выделяется и усиливается в специальном микрофонном усилителе. Сигнал поступает на амплитудный детектор после прохождения двух последовательно подключенных качественных фильтров низких частот и двух последовательно подключенных селективных усилителей. Далее сигнал через аналого-цифровой преобразователь передается на персональный компьютер. Благодаря одновременному управлению частотой генерируемого сигнала на возбуждающей катушке и частотой среза системы фильтрации, а также селективного усиления происходит выделение полезного сигнала, несущего информацию о распределении электропроводности внутри объекта, в частности о возможных дефектах объекта. Программное управление позволяет изменять рабочую частоту измерительной системы так, чтобы сигнал, получаемый с измерительной обмотки, был надежно зарегистрирован. С целью оценки максимальной глубины залегания и линейных размеров дефектов, для нахождения которых целесообразно использовать вихретоковый метод контроля, был подготовлен образец с модельными дефектами.

3. Экспериментальные результаты

3.1. Исследование алюминиевых образцов

В качестве объекта исследования была выбрана алюминиевая пластина с тремя модельными дефектами в виде прорезей, залегающих на глубине от 1 до 4 мм. Ширина дефекта составляла 0,6 мм.

С целью определения чувствительности датчика к дефектам, залегающим в глубине металла, осуществлялось сканирование с бездефектной стороны образца (рис. 1, 2). Результаты исследований, полученные при обработке сигнала с помощью разработанной системы усиления и фильтрации сигнала, позволили явно обнаружить все 3 прорези по падению амплитуды сигнала (рис. 1). Падение амплитуды сигнала на первом дефекте составляло величину порядка 0,75 В, на втором – 0,2 В, на третьем – 0,1 В.

Рисунок 2 показывает целесообразность использования системы усилителей и полосовых фильтров при поиске дефектов глубокого залегания. Дефекты, лежащие на глубине 3 мм и более, практически незаметны на фоне помех без использования системы фильтрации, однако эффективная очистка сигнала позволяет локализовать все три дефекта.

Результаты эксперимента показывают эффективность разработанной измерительной системы для поиска дефектов толщиной от 1 мм, залегающих на глубине до 5 мм.

Рисунок 1. Вид сигнала, полученного при сканировании образца без использования системы обработки сигнала

Рисунок 2. Вид сигнала, полученного при сканировании образца с использованием системы обработки сигнала

В качестве второго объекта была использована пластина из дюралюминия с пятью моделированными дефектами, залегающими на глубине от 1 до 5 мм. Ширина дефектов составляла 0,2 мм. Для демонстрации эффективности системы из двух преобразователей первоначально было проведено сканирование измерительной системой, включающей в себя один вихретоковый преобразователь, во втором эксперименте измерения проводились с использованием системы, включающей в себя два вихретоковых преобразователя. Результаты исследований приведены на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3. График изменения вносимого напряжения от дефектов (с использованием одного ВТП)

На рисунке 3 представлен график изменения вносимого напряжения от дефектов. Для одного преобразователя (без использования второго) величина изменения вносимого напряжения в области дефекта 1, расположенного на глубине 1 мм, по сравнению с бездефектной частью, составляла 0,5 В (около 10 % от бездефектного уровня сигнала). Изменение вносимого напряжения, вызываемого дефектом 2, расположенным на глубине 2 мм, по сравнению с бездефектной частью, составляло 0,1 В. Дефект 3, расположенный на глубине 3 мм, практически незаметен.

Рисунок 4. График изменения вносимого напряжения от дефектов (с использованием двух ВТП)

На рисунке 4 представлен график изменения вносимого напряжения от дефектов, полученного с помощью модернизированного датчика. Величина изменения вносимого напряжения в области дефекта 1, расположенного на глубине 1 мм, по сравнению с бездефектной частью, составляла 2,5 В (около 40% от бездефектного уровня сигнала). Изменение вносимого напряжения, вызываемого дефектом 2, расположенным на глубине 2 мм, по сравнению с бездефектной частью, составляло 1 В. Дефект 3, расположенный на глубине 3 мм, дал изменение амплитуды сигнала в 0,4 В, и дефект 4 на глубине 4 мм характеризуется изменением амплитуды в 0,2 В, дефект 5 на глубине в 5 мм – изменением амплитуды в 0,1 В.

3.2. Исследование упрочняющих покрытий

В качестве основных объектов исследования в работе были выбраны стали 65Г и 50ХГА, износостойкие боридные покрытия тройной системы Fe-B-Fe_nB, которые исследовались методами электронной растровой микроскопии (РЭМ Philips SEM 515) и вихретоковыми неразрушающими методами (ВДДС-5).

Исследованные составы трех-, четырехкомпонентных борирующих смесей наносились на образцы сталей 65Г, 50ХГА в виде обмазок на жидком стекле, гидролизованном этилсиликате или полимерной основе для осуществления борирования с использованием ТВЧ-нагрева.

Были обнаружены 4 основных типа структур износостойкого боридного покрытия, образующегося с использованием ТВЧ-нагрева: I – в виде железо-боридной эвтектики с замкнутыми карбидными областями, II – покрытие, состоящее из кристаллов борида марганца, в виде пластин, расположенных в более мягкой матрице из ледебуритоподобной железо-боридной эвтектики, III – структура в виде железо-боридной эвтектики с крупными зернами, и IV – покрытие, состоящее из игольчатых кристаллов борида марганца или хрома, расположенных в более мягкой матрице из ледебуритоподобной железо-боридной эвтектики.

На рисунке 5 представлены результаты исследования покрытий, полученных с использованием вихретокового метода. Сканирование образца осуществлялось с помощью двух дифференциально включенных датчиков.

Рисунок 5. Результаты исследований упрочненных и неупрочненных деталей с использованием вихретокового метода контроля

Источник: составлено автором.

4. Заключение

Была установлена явная связь электромагнитных и прочностных характеристик покрытия. При сканировании образца без покрытия скорость падения амплитуды сигнала, несущего информацию о свойствах вещества, заметно превышала скорость падения сигнала при сканировании образца с покрытиями. Сравнение результатов тестирования показывает наличие зависимостей между электромагнитными характеристиками и износостойкостью покрытий.

Увеличение износостойкости упрочненных слоев при увеличении времени ТВЧ-нагрева у состава 2 объясняется уменьшением твердости основной упрочняющей фазы. Это позволяет утверждать, что характеристики боридных покрытий, получаемых на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева, изменяются не монотонно, а имеют некий оптимум в своих зависимостях от времени. Для контроля данных характеристик целесообразно использовать неразрушающие вихретоковые методы, позволяющие оперативно исследовать получаемые покрытия и сделать вывод об их качестве.

Также результаты эксперимента демонстрируют большие возможности метода вихревых токов при исследовании дефектов, скрытых в толще металла. Если ранее вихретоковый метод контроля мог использоваться лишь для контроля поверхностных дефектов (трещин, прорезей, нарушения сплошности поверхностного слоя металла), то благодаря использованию сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей и специального программного обеспечения становится возможным локализовать магнитное поле на малом участке объекта контроля и добиться значительной глубины проникновения поля вглубь исследуемого объекта при подборе соответствующей частоты поля, создаваемого возбуждающей обмоткой.