СПОСОБ ГИБРИДНОЙ УЛЬТРАСТРУЙНО-ЭМИССИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
HYBRID ULTRASONIC-EMISSION DIAGNOSTICS METHOD OF STRUCTURAL MATERIALS QUALITY

Изобретение относится к области контроля и диагностики эрозионных свойств 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. Может быть использовано на предварительных этапах технологического процесса изготовления изделий с целью оперативного экспресс-подбора материалов из предлагаемых на рынке и производимых различными предприятиями-изготовителями.
Процедуре гибридной ультраструйно-эмиссионной диагностики могут подвергаться образцы из конструкционных материалов, обладающих разными селективными физико-механическими свойствами, сформированными с применением различных технологических процессов изготовления, использования различных по составу исходных компонентов для получения того или иного вида композиционного материала.
Известен способ экспресс-диагностики поверхностного слоя материалов, включающий воздействие на поверхность материала струи жидкости в сочетании с химически активными газами под давлением не ниже 50 МПа при скорости 100-850 м/с., время воздействия в диапазоне 10-60 с. (патент РФ №2518359 от 11.04.2014)
Недостатком известного способа является наличие локального очага гидроэрозионного разрушения поверхностного слоя в месте воздействия ультраструи воды.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ диагностики качества конструкционных материалов, при котором, воздействуют на испытуемый образец струей жидкости под давлением 350…380 МПа при скорости 800…850 м/с. Устанавливают на образец один или несколько датчиков акустической эмиссии. Регистрируют параметры акустической эмиссии в течение времени воздействия струи жидкости. Осуществляют оценку качества конструкционного материала образца путем сравнения относительных значений массового уноса материала и параметров акустической эмиссии с соответствующими характеристиками эталонного образца, либо с имеющимися значениями ранее продиагностированных образцов (патент РФ №2518590 от 10.06.2014 г.). Данный способ принят за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, - воздействие на испытуемый образец струей жидкости под давлением 350…380 МПа при скорости 800…850 м/с; при этом на испытуемый образец устанавливают один или несколько датчиков акустической эмиссии и регистрируют параметры акустической эмиссии в течение времени воздействия струи жидкости; проводят оценку качества конструкционного материала образца.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является наличие локального очага гидроэрозионного разрушения поверхностного слоя в месте воздействия ультраструи воды, что, в некоторой степени ограничивает возможную область применения метода на практике.
Задача изобретения - нивелирование локального очага гидроэрозионного разрушения поверхностного слоя в месте воздействия ультраструи воды и повышение качества процедуры ультраструйной диагностики (УСД) путем минимизации гидроэрозионного разрушения поверхности объекта исследования. Решение этой задачи является актуальным и позволит расширить прикладные возможности метода УСД в область диагностики текущего состояния деталей, находящихся в эксплуатации.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе гибридной ультраструйно-эмиссионной диагностики качества конструкционных материалов, включающем воздействие на испытуемый образец струей жидкости под давлением 350…380 МПа при скорости 800…850 м/с, при этом на испытуемый образец устанавливают один или несколько датчиков акустической эмиссии и регистрируют параметры акустической эмиссии в течение времени воздействия струи жидкости, проводят оценку качества конструкционного материала образца, согласно изобретению оценку качества конструкционного материала образца осуществляют путем сравнения периода активации трещин, о котором судят по текущей скорости подачи S, изменяющейся по закону равнозамедленного движения и наличию частотного спектра резонатора типа Гартмана акустико-эмиссионного сигнала из зоны воздействия струи на мишень, с соответствующими характеристиками эталонного образца, либо с имеющимися значениями ранее продиагностированных образцов.
Начало образования гидрокаверны определяют по наличию частотного спектра акустической эмиссии, вызванной зарождающимся резонатором типа Гартмана.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - оценку качества конструкционного материала образца осуществляют путем сравнения периода активации трещин, о котором судят по текущей скорости подачи S, изменяющейся по закону равнозамедленного движения и наличию частотного спектра резонатора типа Гартмана акустико-эмиссионного сигнала из зоны воздействия струи на мишень, с соответствующими характеристиками эталонного образца, либо с имеющимися значениями ранее продиагностированных образцов; начало образования гидрокаверны определяют по наличию частотного спектра акустической эмиссии, вызванной зарождающимся резонатором типа Гартмана.
В ходе экспериментов авторами впервые установлена однозначная связь периода активации (длительности инкубационного периода) и поврежденности материала. Основная идея минимального гидроэрозионного разрушения основана на наличии однозначной связи периода активации и поврежденности материала.
Осуществление оценки качества конструкционного материала образца путем сравнения периода активации трещин, о котором судят по текущей скорости подачи S, изменяющейся по закону равнозамедленного движения и наличию частотного спектра резонатора типа Гартмана акустико-эмиссионного сигнала из зоны воздействия струи на мишень, с соответствующими характеристиками эталонного образца, либо с имеющимися значениями ранее продиагностированных образцов позволит минимизировать гидроэрозионное разрушение поверхности объекта исследования. В результате обеспечивается нивелирование локального очага гидроэрозионного разрушения поверхностного слоя в месте воздействия ультраструи воды и повышается качество процедуры ультраструйной диагностики (УСД).
Наличие датчиков акустической эмиссии, установленных на образце, и регистрация параметров акустической эмиссии в течение времени воздействия струи жидкости позволит получить сравнительные характеристики по отношению к эталону или сравниваемому образцу.
Аналогично производят сравнение параметров акустической эмиссии - амплитудно-частотной характеристики с параметрами акустической эмиссии эталонов или ранее диагностируемых образцов. По разнице результатов этого воздействия судят о физико-механическом состоянии поверхностного слоя образца и его эрозионной стойкости при гидроструйном воздействии.
Заявляемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-2.
На фиг. 1 показана схема осуществления способа.
пр
На схеме обозначены: 1 - струйная головка; 2 - высокоэнергетическая струя жидкости; 3 - исследуемый образец; 4 - исследуемая подложка; 5 - основание; 6 - датчик акустической эмиссии; 7 - акустическая система; 8 - компьютер; 9 - прижим; S - скорость подачи режущей головки; F - сила прижима.
На фиг. 2 изображен сигнал с датчика акустической эмиссии.
В ходе эксперимента регистрировалась амплитуда акустико-эмиссионного сигнала из зоны воздействия струи на мишень.
Способ диагностики качества конструкционных материалов осуществляют следующим образом.
Устанавливают образец 1 на основание 5, используя прижим 9, датчик акустической эмиссии 6, соединенный через акустическую систему 7 с компьютером 8 для соответствующей обработки акустического сигнала. Из струйной головки гидросопла 1 под давлением 350…380 МПа подают высокоскоростную (800…850 м/с) жидкостную струю 2, которая, ударяясь об диагностируемую поверхность образца 3, вызывает гидроэрозию его поверхности в направлении подачи S. Высокоэнергетическая струя жидкости (воды) 2 вызывает интенсивный процесс волнообразования, регистрируемый датчиком акустической эмиссии 6.
С началом воздействия струи жидкости 2 на образец 3 производят регистрацию параметров акустической эмиссии (запись сигнала акустической эмиссии), которую заканчивают при окончании воздействия струи 2.
Подача S подчинена закону равнозамедленного движения, что приводит к равномерному увеличению времени локального воздействия на образец, подвергающийся диагностике. Когда время локального воздействия на образец становится не меньше периода активации трещин начинается гидроразрушение, которое приводит к появлению низкочастотного резонатора типа Гартмана, спектр которого фиксируется акустико-эмиссионной аппаратурой, после чего аппаратура подает сигнал на отключение высокоскоростной струи и воздействие на материал прекращается, т.о. не происходит его дальнейшего гидроразрушения.
Производят сравнение параметров акустической эмиссии - амплитудно-частотной характеристики с параметрами акустической эмиссии эталонного образца, либо с имеющимися значениями (базой данных) ранее продиагностированных образцов.
Пример конкретного выполнения.
Производили диагностику трех образцов из конструкционной корундовой керамики различных производителей.
Процесс гибридной ультраструйно-эмиссионной диагностики состоял из следующих основных этапов:
- установка и закрепление керамических образцов в технологической оснастке на координатном столе гидроабразивной резки FlowSystem производства США;
- установка датчика акустической эмиссии на поверхности экспериментального образца и его подключение к прибору четырехканального осциллографа «АКИП-4110/1» производства «Pico Technology» с широкополосными акустическими датчиками, работающими в диапазоне частот от 1 до 500 КГц;
- ультраструйное воздействие на поверхность пластины из корундовой керамики при заданных технологических режимах (скорости струи 800…850 м/с и расстоянии от среза сопла гидроструйной установки до поверхности диагностируемого образца 2 мм) и изменяющейся по закону равнозамедленного движения подачи S режущей головки от скорости 1000 мм/мин до скорости 2 мм/мин для трех образцов;
- запись сигнала акустической эмиссии (АЭ) и его значений на персональный компьютер;
- занесение экспериментальных данных в таблицу для проведения дальнейшего анализа результатов.
При проведении экспериментов получены следующие результаты: характерный график изменения сигнала с датчика представлен на фиг. 2:
I - начало движения струйной головки, амплитуда сигнала АЭ относительно стабильна;
II - участок активного роста амплитуда сигнала АЭ, вызванного зарождающимся резонатором типа Гартмана (образуется гидрокаверна);
III - участок активной гидроэрозии, существование стационарного резонатора;
IV - участок отключения рабочего давления жидкости;
V - рабочий ход струйной головки без подачи жидкости (уровень шумов оборудования);
VI - участок сброса давления и отключения установки.
Анализируя полученный график на фиг. 2 можно судить о режиме диагностирования, а главное, определить скорость перемещения струйной головки, соответствующую концу/началу гидроэрозионного разрушения, которая, в свою очередь, однозначно связана с таким важным параметром материала, как период активации трещины. Зная период активации трещины можно довольно просто найти поврежденность материала или остаточный ресурс изделия путем его сравнения с референтными (модельными) образцами.
Таким образом, заявляемый способ диагностики качества конструкционного материала приемлем для выбора оптимальных материалов. Преимущество способа состоит в том, что он позволяет нивелировать локальный очаг гидроэрозионного разрушения поверхностного слоя в месте воздействия ультраструи воды и повысить качество процедуры ультраструйной диагностики путем минимизации гидроэрозионного разрушения поверхности объекта исследования. Кроме того, позволяет снизить трудоемкость испытаний, расширить возможности воздействия высокоэнергетической струи для процедуры диагностики материалов за счет изменения параметров струи при сохранении достоверности диагностической информации о свойствах материалов.