СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ ИЛИ ИХ СМЕСЕЙ
METHOD FOR STUDYING THE PROCESS OF COMBUSTION OF METAL POWDERS OR THEIR MIXTURES

Изобретение относится к области исследования материалов путем определения их физических свойств с помощью ультразвуковых волн и может быть использовано для исследования процессов высокотемпературного горения порошков металлов, а также процессов взаимодействия акустического излучения с веществом.
G01N29/04
Известен способ ультразвуковой дефектоскопии [RU 2422815 С2, МПК (2006.01), опубл. 27.06.2011], включающий генерацию ультразвуковых волн первой диафрагмой генератора, которая генерирует ультразвуковые колебания за счет облучения лазерным излучением, генерируемым лазером. Эти ультразвуковые колебания направляют в сторону обследуемого объекта. Первая диафрагма имеет заданные частотные характеристики и покрытие на той её части, которую облучают лазерным излучением, и выполнена с возможностью генерировать ультразвуковые колебания. Прием ультразвуковой волны ведут приемником, выполненным заодно с генератором ультразвуковой волны, который содержит вторую диафрагму. Вторая диафрагма вибрирует под действием принимаемых ультразвуковых колебаний, отраженных от обследуемого объекта, а лазер освещает лазерным излучением вторую диафрагму и принимает отраженное от неё лазерное излучение. Полученные данные обрабатывают и отображают.
В этом способе лазерное излучение взаимодействует только с первой и второй диафрагмами генератора ультразвуковых волн, поэтому происходит искажение полученной информации об ультразвуковой волне вследствие косвенного приема через лазерное излучение.
G02B21/00
Известен способ исследования процесса горения порошков металлов или их смесей [RU 2685072 С1, МПК  (2006.01), опубл. 16.04.2019], выбранный в качестве прототипа, включающий одновременное инициирование процесса горения в предварительно спрессованном порошке с помощью сфокусированного излучения инициирующего лазера, фиксацию момента начала воздействия инициирующего излучения одним фотодиодом и освещение поверхности объекта исследования сфокусированным излучением усилителя яркости. Отраженное излучение усиливают, масштабируют по интенсивности, регистрируют полное излучение вторым фотодиодом, регистрируют монохроматическое излучение цифровой камерой, изображение которой передают в персональный компьютер, где представляют в цифровом виде для обработки и анализа изображений. Причем импульс сверхсветимости лазерного усилителя синхронизуют с экспозицией цифровой камеры. По интенсивности сигнала второго фотодиода судят об отражательной способности поверхности порошка во время и после воздействия излучением инициирующего лазера, а по форме сигнала второго фотодиода судят о временных параметрах процесса горения.
Однако возникающее при горении спрессованного порошка металла задымление не позволяет получать полную информацию об отражательной способности его поверхности и о временных параметрах процесса его горения.
Техническим результатом предложенного способа является расширение арсенала технических средств, позволяющих проводить исследования процесса горения порошков металлов или их смесей.
Способ исследования процесса горения порошков металлов или их смесей, также как в прототипе, включает одновременное инициирование процесса горения в предварительно спрессованном порошке с помощью сфокусированного излучения инициирующего лазера и фиксацию момента начала воздействия инициирующего излучения фотодиодом, регистрацию изменений отражательной способности поверхности объекта исследования во время и после воздействия излучением инициирующего лазера, определение длительности процесса горения.
Согласно изобретению инициируют процесс горения лазерным воздействием заданной длительности и мощности. После фиксации момента начала воздействия инициирующего излучения генерируют ультразвуковые волны, облучают ими объект исследования, принимают отраженные от него ультразвуковые волны, преобразуют их в электрические сигналы, которые усиливают, преобразуют в цифровой вид, сохраняют и анализируют. По амплитуде отраженных волн судят об отражательной способности поверхности объекта исследования, а по времени распространения ультразвуковых волн судят об изменении его размера.
В процессе горения порошков металлов или их смесей происходит изменение их химического состава, изменение фаз и морфологии продуктов горения. Это приводит к изменению размеров объекта исследования и его поверхности, в частности коэффициента отражения, вследствие чего изменяется амплитуда отраженного сигнала.
Предложенное воздействие ультразвуковыми волнами на спрессованный порошок металла при его горении и прием отраженных от него ультразвуковых волн позволяют регистрировать отражательную способность его поверхности и определять временные параметры горения даже в случае сильного задымления.
На фиг. 1 представлена схема устройства для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей.
L
t
На фиг. 2 представлен график изменения размера объекта исследования () от времени () при горении.
Способ исследования процесса горения порошков металлов или их смесей осуществлен с помощью устройства (фиг. 1), которое содержит инициирующий лазер 1, на оптической оси которого расположены механический затвор 2, светоделительная пластина 3, фокусирующая линза 4, объект исследования 5, установленный на линейном трансляторе 6. Фотодиод 7 установлен напротив светоделительной пластины 3 под углом к оптической оси лазера, равном углу отражения первой светоделительной пластины 3. Фотодиод 7 соединен с микроконтроллером 8 (МК), который связан с механическим затвором 2. Микроконтроллер 8 (МК) соединен с ультразвуковым генератором 9 (УЗГ), который связан с излучателем 10. Излучатель 10 и приемник 11 установлены рядом друг с другом, напротив объекта исследования 5, так чтобы ультразвуковая волна генерируемая излучателем 10 достигала объекта исследования 5, а отраженная ультразвуковая волна попадала на приемник 11. К приемнику 11 последовательно подключены усилитель 12 (У), аналого-цифровой преобразователь 13 (АЦП), микроконтроллер 8 (МК) и персональный компьютер 14 (ПК).
В качестве инициирующего лазера 1 может быть использован, например, твердотельный лазер с диодной накачкой с длиной волны излучения 532 нм. Механическим затвором 2 может быть затвор фирмы Thorlabs SHB1. Использован линейный транслятор 6, обеспечивающий линейное перемещение с ручной регулировкой, например, 7T173-25 фирмы Standa. В качестве фотодиода 7 может быть использован быстродействующий фотодиод Thorlabs DET10A/M с временем отклика 1 нс. В качестве микроконтроллера 8 (МК) может быть использован контроллер затвора фирмы Thorlabs. Ультразвуковой генератор 9 (УЗГ) собран на транзисторе, работающем в ключевом режиме, например, КТ603. Использованы ультразвуковые излучатель 10 и приемник 11 MA40S4S фирмы MURATA. Усилитель 12 (У) может быть широкого применения, например, КР140УД6. Аналого-цифровой преобразователь 13 (АЦП) должен иметь не менее 10 разрядов и время преобразования не более 1 мкс, например 1108ПВ1.
Объектом исследования 5 был образец нанопорошка алюминия весом 3 г, спрессованный в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами 20×8×3 мм. Образец 5 поместили на линейный транслятор 6, с помощью которого обеспечили его перемещение в фокус линзы 4. Затем настроили положение инициирующего лазера 1 при его минимальной мощности в 5 мВт и открытом механическом затворе 2. При настройке луч инициирующего лазера 1 направили в область инициирования горения – на образец 5. После настройки механический затвор 2 закрыли. При закрытом механическом затворе 2 установили мощность инициирующего лазера 1 на уровне, достаточном для инициирования процесса горения, например, 100-200 мВт. Затем при открытом затворе 2 и установленной мощности 100-200 мВт определили длительность воздействия инициирующего лазера 1, при котором происходит поджиг объекта исследования 5, например, 1-5 сек. После этого установили длительность воздействия инициирующего лазера 1.
В начале исследования микроконтроллер 8 (МК) сформировал импульс, который открыл механический затвор 2. После открытия механического затвора 2, излучение инициирующего лазера 1 с помощью линзы 4 фокусировали на объекте исследования 5. Светоделительная пластина 3 отражала часть излучения лазера 1, которое поступало на фотодиод 7. Таким образом, фотодиод 7 регистрировал начало воздействия инициирующего излучения на объект исследования 5.
По сигналу с фотодиода 7 микроконтроллер 8 (МК) включил генератор ультразвуковых импульсов 9 (УЗГ), который выдавал электрические сигналы на излучатель 10. Излучатель 10 излучал ультразвуковые волны в направлении объекта исследования 5, которые отражались от него и принимались приемником 11. Спустя 5 секунд после начала воздействия инициирующего излучения лазером 1 образец порошка 5 загорелся.
При горении образца порошка 5 происходило уменьшение его размеров. При изменении размеров образца 5 в процессе его горения происходило изменение времени t распространения ультразвуковой волны от излучателя 10 до объекта исследования 5 и от объекта исследования 5 до приемника 11 (фиг. 2), а также амплитуды отраженного сигнала из-за изменения формы образца 5. Приемник 11 преобразовывал ультразвуковые волны в электрический сигнал, который усиливался усилителем 12 (У), преобразовывался в цифровой вид аналого-цифровым преобразователем 13 (АЦП) и поступал в микроконтроллер 8 (МК). Микроконтроллер 8 (МК) передавал данные в персональный компьютер 14 (ПК) для последующего хранения и обработки.
На фиг. 2 представлена зависимость изменения длины объекта исследования 5 в процессе горения. Первые 5 секунд происходил поджиг образца 5 и его размер не изменялся. Затем в процессе горения происходило плавное уменьшение размеров объекта 5 от первоначального значения 20 мм до нуля на 45 секунде. На графике видны флуктуации, вызванные неравномерностью горения исследуемого образца 5. Полученные данные позволяют проводить оценку длительности горения объекта исследования 5, а также анализировать монотонность горения, наличие максимумов и минимумов.