СПОСОБ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛОВ
RAPID DIAGNOSTICS METHOD FOR SURFACE LAYER OF MATERIALS

Изобретение относится к области контроля и диагностики структуры материалов и деталей, применяемых в машиностроении, судостроении и других отраслях, а также находящихся в условиях гидродинамического нагружения, в частности узлов судостроительной техники, гидроэлектростанций и т.д., связанных, прежде всего, с эрозионной стойкостью поверхности.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ для определения эрозии материалов, таких как почвы и грунты сельхозугодий. Согласно способу направленную струю жидкости или воздуха подают на поверхность материала в воздушной среде при фиксированном расстоянии от объекта. При постоянном давлении или в диапазоне давлений оценивают влияние этого воздействия на испытываемый материал (Патент СА1150530 (А1), 1983-07-26, CARTWRIGHT FREDERICK D). Данный способ принят за прототип.
Недостатком известного способа является то, что способ имеет ограниченные возможности применения, используется только для оценки эрозии почв и грунтов, вследствие того что струя жидкости не является кавитационной, а ее энергии недостаточно для воздействия на металлы.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа - воздействие на поверхность материала струи жидкости; оценка результатов этого воздействия.
Задача предлагаемого способа - расширение технологических возможностей воздействия струи на объект и применение его для процедуры диагностики материалов и деталей машиностроения, авиастроения, судостроения и гидротехнических сооружений различного назначения.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе, включающем воздействие на поверхность материала струи жидкости и оценку результатов этого воздействия, согласно изобретению воздействие осуществляют кавитирующей струей жидкости в сочетании с химически активными газами под давлением не ниже 50 МПа при скорости 100-850 м/с.
Целесообразно промежуток времени гидроструйного воздействия эмпирически определять в диапазоне 10-60 с, исходя из физико-механических характеристик материала и толщины диагностируемого образца.
Кроме того, интенсивность кавитации может варьироваться в широких пределах за счет увеличения или уменьшения подаваемых в камеру смешивания активирующих кавитацию одного или более газов.
В качестве химически активных газов используют углекислый газ, кислород, аммиак, хлористый водород.
К оценке результатов воздействия относят: относительный унос массы материала детали в результате эрозии поверхности, вызванной кавитационными эффектами в месте контакта гидроструи и материала, и сравнение полученных результатов с исходными значениями массовых характеристик образцов с точностью до 0,001 грамма. По разнице результатов этого воздействия судят о физико-механическом состоянии поверхностного слоя образца и его эрозионной стойкости при кавитационном воздействии.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: осуществляют воздействие кавитирующей струей жидкости в сочетании с химически активными газами под давлением не ниже 50 МПа при скорости 100 - 850 м/с; определяют промежуток времени гидроструйного воздействия эмпирически в диапазоне 10-60 с, исходя из физико-механических характеристик материала и толщины диагностируемого образца; интенсивность кавитации может варьироваться в широких пределах за счет увеличения или уменьшения подаваемых в камеру смешивания активирующих кавитацию одного или более газов; используют в качестве химически активных газов углекислый газ, кислород, аммиак, хлористый водород.
Воздействие на поверхность испытуемого материала кавитирующей струей жидкости в сочетании с химически активными газами под давлением не ниже 50 МПа при скорости 100 - 850 м/с позволит обеспечить для любого исследуемого материала получение гидроструйных надрезов, по величинам которых можно исследовать свойства любых материалов, практически любой твердости, тем самым гарантируя эффективную диагностику.
Определение промежутка времени гидроструйного воздействия эмпирически в диапазоне 10-60 с, исходя из физико-механических характеристик материала и толщины диагностируемого образца обеспечит получение необходимого количества уноса материала для определения потери массы образца.
На фиг.1 показана схема установки для осуществления способа.
На схеме обозначены: 1 - фокусирующее гидросопло; 2 -высокоскоростная кавитирующая струя; 3 - образец (материал или деталь); 4
- эродированная поверхность (гидрокаверна); 5 - емкость с активирующим кавитацию газом; 6 - высоконапорное гидросопло малого диаметра; 7 - камера смешивания; 8 - высокоэнергетическая струя жидкости; L - расстояние между гидросоплом и поверхностью образца; S - рабочая подача. Тогда время воздействия гидроструи определяют по формуле τ=L/S.
На фиг.2 изображены гидроструйные надрезы (гидроэрозионные следы) на образцах из различных материалов.
Способ экспресс-диагностики поверхностного слоя материалов осуществляют следующим образом.
Производят взвешивание диагностируемого образца с точностью до 0,001 г, закрепляют его в приспособлении (тисках) на рабочем столе установки для гидроструйной диагностики (фиг.1). Процедуре гидроструйной кавитационной диагностики могут подвергаться образцы из различных материалов, включая покрытия деталей и узлов, обладающие разными селективными физико-механическими свойствами, сформированными при различных технологических процессах изготовления и нанесения, использования различных по составу сплавов.
Жидкость, например воду, под давлением нагнетают через высоконапорное гидросопло малого диаметра 6. Из высоконапорного гидросопла 6 под давлением не ниже 50 МПа подают высокоскоростную (~100... 850 м/с) жидкостную струю 2, предварительно смешивая высокоэнергетическую струю 8 в камере смешения 7 с химически активным газом, их комбинациями или компонентами атмосферного воздуха, подаваемыми из емкости 5 и стимулирующими развитие кавитационных процессов. В качестве химически активных газов используют углекислый газ, кислород, аммиак, хлористый водород и др. Высокоскоростную жидкостную струю 2 формируют в фокусирующем гидросопле 1 и подают на диагностируемую поверхность образца 3, вызывая гидро- и кавитационную эрозию его поверхности 4 в направлении рабочей подачи S.
Промежуток времени гидроструйного воздействия эмпирически определяют в диапазоне 10-60 с, исходя из физико-механических характеристик материала и толщины диагностируемого образца.
Интенсивность кавитации может варьироваться в широких пределах за счет увеличения или уменьшения подаваемых в камеру смешивания активирующих кавитацию одного или более газов.
Вследствие процесса гидроэрозии, вызванной кавитационными явлениями и воздействием гидростатического давления, осуществляется унос массы образца. После этого производят его повторное взвешивание, определяют значение массового уноса материала. Производят сравнение относительных значений массового уноса материала либо с другим эталонным образцом, либо с имеющимися значениями (базой данных) ранее диагностированных данным способом образцов. Пример конкретного исполнения.
Производили гидроструйную кавитационную диагностику поверхностного слоя материалов трех образцов различных сплавов (В К3, ВТ5, АМГ6) при следующих параметрах: давление воды 350 МПа, скорость подачи 300 м/с, расстояние от среза фокусирующего гидросопла до поверхности детали 3 мм. В качестве кавитирующего газа на вход в камеру смешивания подавали атмосферный воздух.
Результаты проведенных исследований по предлагаемому способу приведены в таблице и на фиг.2.
Таблица
Результаты кавитационной экспресс-диагностики поверхностного слоя материалов
№образца
Сплав
Масса, теряемая образцом при гидроструйной обработке, на 1 мм длины воздействия струи m,г/мм
1
ВК3
0,0004
2
ВТ5
0,0010
3
АМГ6
0,0079
Качественный анализ результатов гидроструйной диагностики материалов (гидроструйных надрезов) показывает, что наилучшим является образец №1, так как унос массы для этого материала являлся минимальным.
Таким образом, предложенный способ экспресс-диагностики поверхностного слоя материалов позволяет расширить технологические возможности воздействия струи на объект и применить его для процедуры диагностики материалов и деталей машиностроения, авиастроения, судостроения и гидротехнических сооружений различного назначения, а также в узлах конструкций, где велика вероятность воздействия одновременно нескольких неблагоприятных факторов: кавитации, гидроэрозии, абразивного износа.