СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ТВЕРДЫХ МИКРО- И НАНООБЪЕКТОВ
METHOD FOR DETERMINING EROSION RESISTANCE OF SOLID MICRO- AND NANOOBJECTS

Изобретение относится к технике определения стойкости к воздействию эрозионных процессов твердых объектов микро- и наноскопического порядков.
В последнее время электронная промышленность активно развивается за счет научных и прикладных работ в области развития микро- и нанотехнологий. Материалы, используемые в этом направлении, требуют объективных знаний их физико-химических и механических свойств, во многом определяющих их надежность и работоспособность.
Известны различные способы оценки их свойств. Наибольшее распространение получили способы в виде тест-объектов как физико-химических, так и механических свойств.
Методики экспериментального исследования чаще всего состоят в оценке относительных изменений испытываемого материала путем сравнения полученных данных с эталоном в рамках определенного вида испытаний.
Большинство методов определения этих характеристик основано на испытании массивных материалов и моделировании на этой основе их поведение в микро- и нанообъемах, что не всегда соответствует реальному их поведению в практике. Имея, при этом в виду пленочные макро- и нанослои материалов, микрокристаллы, композиционные микрообъемы, суспензии и т.д.
Известен «способ оценки кавитационного изнашивания материалов» (заявка на изобретение RU №2006101746, МПК G01N 29/00, опубл. 27.07.2007 г.).
Сущность предложенного способа состоит в том, что кавитационное изнашивание материалов осуществляется на магнитострикционной установке, при котором испытываемый образец подвергается кавитационному износу в установленном перед экспериментом режиме. При этом зазор между концентратором колебаний и испытываемым образцом по мере его изнашивания постоянно измеряется автоматически, выдерживается по величине, обеспечивающей заданную интенсивность разрушения, стабилизирует режим кавитационного разрушения, отражает изнашивание в промышленных условиях и определяет динамику разрушения.
Предложенный способ фиксирует интенсивность разрушения испытываемого образца, в данном случае необходимо учесть мощность воздействия кавитации на образец.
Известен также «Способ и устройство для контроля или проверки тонкого материала» (заявка на изобретение RU №2002120198, МПК G01N 29/00, опубл. 20.03.2004 г.).
Сущность предложенного способа состоит в том, что осуществляют контроль тонкого материала воздействием ультразвуковых волн (U) и анализируют результаты прохождения ультразвуковых волн сквозь тонкий материал. Отличие состоит в том, что определяют показатели прохождения через тонкий материал ультразвуковых волн с различными частотами. И на основании различий в прохождении через материал ультразвуковых волн с различными частотами определяют критерии оценки качества подвергнутого воздействию ультразвука тонкого материала.
Критерий оценки материала - пористость. Количество и/или размеры пористых участков проверяемого или контролируемого материала и, если выявлено количество и/или размеры пористых участков, превышают заданное в качестве предельного значения максимальное количество и/или максимальные размеры пористых участков, этот материал отсортировывают как поврежденный или дефектный.
Кроме того, материал подвергают воздействию ультразвуковых волн с различными дискретными частотами ультразвуковых волн с помощью излучателей ультразвука, каждый из которых излучает ультразвуковые волны определенной частоты. Полученные результаты ультразвуковых волн с широким частотным спектром при прохождении через материал широкополостных ультразвуковых волн на нескольких дискретных частотах используют для анализа.
Критерием оценки качества материала является изменение измеренного более широкого спектра прошедших через материал широкополостных ультразвуковых волн. В качестве критерия оценки качества материала, также определяют соотношение между выявленными коэффициентами прохождения ультразвуковых волн двух различных частот.
Недостатком данного способа является то, что он позволяет определять пористость исследуемого материала, не оценивая при этом его эрозионную стойкость и косвенно-прочностные и когезионные свойства материала. Кроме этого, его реализация усложнена тем, что материал подвергают воздействию ультразвуковых волн с различными дискретными частотами, используя при этом различные излучатели ультразвука, каждый из которых излучает ультразвуковые волны определенной частоты.
За прототип взят «Способ определения кавитационной износостойкости» (описание изобретения к патенту №2359245, МПК G01N 3/32, опубл. 20.06.2009).
э
n
э
n
Сущность изобретения состоит в том, что способ определения кавитационной износостойкости, заключающийся в действии кавитации на исследуемую зону, отличающийся тем, что кавитационное поле создается при помощи ультразвука в жидкой среде, где происходит равномерное воздействие на поверхность микрошлифа исследуемого материала, а дифференциальная оценка кавитационной износостойкости различных областей исследуемого материала осуществляется с помощью инструментальных методов, позволяющих осуществить количественную оценку износостойкости разнородных материалов и выражается в виде относительного показателя износостойкости:€=h/h, где h- глубина износа эталонной зоны микрошлифа, h- глубина износа исследуемой зоны.
При этом оценка поверхностного кавитационного износа материала производится записью и анализом профилограммы, методом электронной микроскопии, методом интерферометрии. В качестве эталонной зоны принимается внутренний слой микрошлифа, не подвергнутый какому-либо виду обработки.
Недостатками этого способа является то, что он не позволяет осуществлять оценки эрозионной (кавитационной) стойкости микро- и нанообъектов, т.к. объектом исследования является поверхность микрошлифа, который относится к категории макроскопических объектов исследования. Критерием оценки кавитационной износостойкости является относительный показатель износостойкости только поверхностного слоя объекта исследования, исключая при этом возможность объемного исследования объекта, что не позволяет произвести объективную оценку эрозионной стойкости по всей толщине исследуемого объекта, что снижает точность полученных результатов. Кроме этого, данный способ не обеспечивает возможность визуального наблюдения за состоянием исследуемого образца.
Целью предлагаемого способа является получение более объективной оценки эрозионной стойкости твердых микро- и нанообъектов.
Цель достигается тем, что одну грань исследуемого объекта упрочняют, после чего объект помещают в герметичную камеру с жидкой средой. В камере создается избыточное гидростатическое давление 0,2-0,3 МПа. Затем воздействуют на исследуемый объект гидроакустическим потоком при плотности мощности ультразвукового излучателя, достаточной для нахождения исследуемого объекта во взвешенном состоянии. Оценивают эрозионную стойкость путем сравнения состояния рельефа поверхности исследуемого объекта, его объемных и геометрических параметров исходя из его первоначального состояния.
Способ поясняется чертежом.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема экспериментальной установки для исследования эрозионной стойкости твердых микро- и нанообъектов. На установке представлены:
- ультразвуковой излучатель (1) (УЗИ), в качестве которого используется ультразвуковой магнитострикционный диспергатор УЗДЛ - 1 с частотой 22 кГц и мощностью излучения до 500 Вт;
- герметичная рабочая камера (2), выполненная из прозрачного пластикового материала для визуального наблюдения, в которую помещалась жидкость (3), в нашем случае дистиллированная вода. Для имитации реальных условий, в которых может находиться исследуемый объект, возможно использование других жидких сред, например, горюче-смазочные жидкости, коррозионные, химически активные и другие жидкие среды;
- в рабочую камеру для активизации процесса кавитации нагнетался сжатый воздух через штруцер (4) (возможно применение инертных газов, в зависимости от рабочей жидкости), давлением 0,2…0,3 МПа, с помощью компрессора или от баллона со сжатым газом;
3
- исследуемый объект (5) изготавливался в виде куба или прямоугольной пластинки объемом 2…6 мм.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Одну из граней объекта в данном случае обрабатывают излучением лазера с целью упрочнения поверхности либо наплавляют также с использованием лазерного излучения порошковым присадочным материалом, что позволяло вести сравнительный анализ эрозии граней образца.
В рабочую камеру (2), через герметизирующий элемент (6) устанавливают ультразвуковой излучатель (1), заливают жидкость (3) и помещают объект исследования (5). Верхнюю часть рабочей камеры герметизируют резьбовой крышкой, в которой имеется штуцер для подачи сжатого газа (4). Включают генератор, его мощность увеличивают до уровня, когда образец переходит во взвешенное состояние (всплывает), при визуальном наблюдении. Время испытаний устанавливают экспериментально до появления видимых изменений формы и поверхности объекта, оно составляло 10…30 мин. Качественную и количественную оценку параметров стойкости оценивают оптическими методами путем сравнения обработанного в рабочей камере объекта с его первоначальным состоянием. При анализе учитывают изменение профиля поверхности с помощью записи и сравнения профилограмм, кавитационную оценку эрозионной стойкости выражают в виде относительных показателей изменения объема в процентах:
э
и
U=U/U·100%,
э
где U - объем эталонного образца,
и
U - объем испытанного образца.
Анализ полученных данных показал равномерное изменение геометрической формы образца (уменьшение размеров, скругление граней, изменение рельефа поверхности, уменьшение объема и массы).
На образцах, подвергнутых ультразвуковой обработке в том и другом случае (закалка и наплавка), отмечается снижение эрозии термоупрочненной и наплавленной граней (поверхностей) в несколько раз. Эти данные хорошо согласуются с ранее проводимыми испытаниями на износостойкость.
Таким образом, полученные экспериментальные результаты подтвердили реальную практическую значимость и ценность предлагаемого способа.