Сверхминиатюрные вихретоковые преобразователи для исследования алюминиевых сплавов и упрочняющих покрытий

Дмитриев С.Ф.1, Ишков А.В.2, Катасонов А.О.2, Маликов В.Н.2, Фадеев Д.А.2
1 Алтайский государственный университет
2 Алтайский государственный аграрный университет

Статья в журнале

Экономика высокотехнологичных производств
Том 1, Номер 3 (Июль-сентябрь 2020)

Цитировать:
Дмитриев С.Ф., Ишков А.В., Катасонов А.О., Маликов В.Н., Фадеев Д.А. Сверхминиатюрные вихретоковые преобразователи для исследования алюминиевых сплавов и упрочняющих покрытий // Экономика высокотехнологичных производств. – 2020. – Том 1. – № 3. – С. 137-148. – doi: 10.18334/evp.1.3.110975.

Эта статья проиндексирована РИНЦ, см. https://elibrary.ru/item.asp?id=44198338

Аннотация:
В современной промышленности огромное внимание уделяется повышению надежности деталей и увеличению срока их службы. Исследование деталей и узлов машин неразрушающим методом обеспечивает повышение их надежности и увеличение срока службы. При обработке материалов с целью улучшения эксплуатационных характеристик деталей, важное место занимает получение и исследование износостойких покрытий, пригодных для применения в подвижных сопряжениях и рабочих органах машин. Неразрушающий контроль данных покрытий является актуальной задачей современного машиностроения. Помимо различных упрочняющих покрытий та же в современной промышленности требуется исследовать сами металлы и сплавы на их основе. Огромное значение имеет возможность выявления подповерхностных дефектов неразрушающими методами контроля. В представленной статье проанализированы возможности разработанной вихретоковой измерительной системы для исследования материалов и покрытий.

Ключевые слова: измерительная система, вихретоковый преобразователь, боридное покрытие, дюралюминий



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-FenB 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.

1

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-FenB, 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.


Источники:

1. Черноиванов В.И., Лялякин В.П., Аулов В.Ф., Ишков А.В., Кривочуров Н.Т., Иванайский В.В., Коваль Д.В., Соколов А.В. Особенности изнашивания деталей сельхозмашин, упрочненных композиционными боридными покрытиями FenB-Fe-B // Трение и износ. – 2015. – № 2. – c. 174-180.
2. Дмитриев С.Ф., Лященко Д.Н., Ишков А.В., Новоженов А.В. Особенности реализации аппаратной части виртуализированных измерительных приборов в методе вихревых токов // Ползуновский вестник. – 2010. – № 2. – c. 118-122.
3. Дмитриев С.Ф., Маликов. В.Н., Ишков А.В., Сагалаков А.М. Исследование неоднородных материалов методом вихревых токов // Известия Алтайского государственного университета. – 2013. – № 1-1. – c. 197-201.
4. Дмитриев С.Ф., Маликов В.Н., Сагалаков А.М., Ишков А.В. Виртуализированный измеритель-трансформер // Датчики и системы. – 2013. – № 3. – c. 22-26.
5. Дмитриев С.Ф., Маликов В.Н., Сагалаков А.М., Ишков А.В. Сверхминиатюрные токовихревые преобразователи для исследования переходов металл-диэлектрик // Приборы и техника эксперимента. – 2014. – № 6. – c. 102-103. – doi: 10.7868/S0032816214060032 .
6. Prance R.J., Clark T.D., Prance H. Compact room-temperature induction magnetometer with superconducting quantum interference level field sensitivity // Rev. Sci. Instrum. – 2003. – № 74. – p. 3735-3739.
7. Тютрин С.Г., Герасимов В.Я. Оценка нагруженности деталей машин с помощью вихретокового контроля металлопокрытий // Вестник машиностроения. – 2008. – № 4. – c. 34-35.
8. Семенов В.С. Электромагнитные методы дефектоскопии и контроля в СФТИ и Томском госуниверситете // Труды СФТИ. – 1970. – № 52. – c. 59-85.
9. Сучков Г.М. Современные возможности ЭMA дефектоскопи // Дефектоскопия. – 2005. – № 12. – c. 24-39.
10. Белянков В.Ю., Гольдштейн А.Е. Оптимизация конструктивных параметров вихретокового преобразователя для дефектоскопии прутков и труб с использованием возбуждения продольных вихревых токов // Вестник науки Сибири. – 2013. – № 8. – c. 63-67.
11. Murphy E.L. Steam Generator Tube Integrity - U.S. Nuclear Regulatory Commission Perspective // Fourth Water Reactor Safety Information Meeting. – 1997. – № 2. – p. 313-322.
12. Comby R Secondary Side Corrosion in Steam Generator Tubes: Lessons Learned in France from the In-Service Inspection Results // Nucl Eng. Des. – 1997. – № 168. – p. 255-259.
13. Frederick G. Belgian Approach to Steam Generator Tube Plugging for Primary Water Stress Corrosion Cracking. - Berlin: Belgatom, 1990. – 197 p.
14. Prance R.J. Ultra low noise induction magnetometer for variable temperature operation // Sensors Actuators. – 2000. – № 85. – p. 361-364.
15. Prance R.J., Clark T.D., Prance H. Compact room-temperature induction magnetometer with superconducting quantum interference level field sensitivity // Rev. Sci. Instrum. – 2003. – № 74. – p. 3735-3739.

Страница обновлена: 27.12.2020 в 02:58:57