СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ К ОПЕРАТИВНОМУ ВЫЯВЛЕНИЮ ПРИЖОГОВ ИЗМЕРЕНИЕМ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА
PREPARATION OF METALLIC PART SURFACE FOR DETECTING BURNS BY MEASURING ELECTRON LIBERATION

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля металлических деталей, обработанных шлифованием и полированием в ходе их производства или ремонта.
Состояние поверхности металлических деталей машин играет определяющую роль в их прочности, долговечности. Поверхность деталей взаимодействует с агрессивной окружающей средой, зачастую способствующей появлению и развитию дефектов. Опасными дефектами металлических деталей являются технологические или эксплуатационные прижоги - местные изменения структуры и фазового состава материала детали вследствие локального перегрева. Особенно склонны к прижогам детали, изготовленные из титановых сплавов. Прижоги подлежат удалению с поверхности деталей машин.
Известен способ экспрессного выявления зон на поверхности металлических деталей со шлифовочными или эксплуатационными прижогами [1]. Данный способ весьма критичен к чистоте поверхности детали перед измерением ее работы выхода электрона (РВЭ) методом контактной разности потенциалов (КРП) и требует тщательной подготовки поверхности детали к измерению [2].
Недостатками указанного способа является технология подготовки поверхности металлических деталей к измерению РВЭ методом КРП, подходящая для лабораторных условий и не совсем подходящая для условий производства деталей машин. Так, в описании изобретения, на которое выдан патент [1], на странице 7 в абзацах 3 и 4 сказано, что: «1. Поверхность контролируемой детали протирается тампоном, смоченным петролейным эфиром. 2. Через 5-7 секунд выдержки датчиком прибора «Поверхность-9» (фиг.3) сканируют по поверхности объекта контроля и отмечают границы зон, где КРП скачком возросло более чем на 5 мВ». Однако за указанные 5-7 с петролейный эфир не всегда успевает испариться с поверхности детали, что оказывает влияние на показания прибора измерения КРП. Другим недостатком описанного [1] способа является недостаточная очистка поверхности деталей перед измерением РВЭ методом КРП в условиях массового производства деталей машин в условиях машиностроительного предприятия. Это в указанных условиях снижает надежность и достоверность выявления прижогов металлических деталей измерением РВЭ методом КРП.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и достоверности измерения РВЭ методом КРП при выявлении прижогов, снижение трудовых, энергетических и финансовых затрат при производстве, эксплуатации или ремонте деталей машин.
Данная цель достигается разработкой нового способа подготовки поверхности деталей к измерению РВЭ методом КРП в целях оперативного выявления прижогов.
Детали, поступающие на контроль прижогов методом КРП, после механической обработки могут иметь загрязнения поверхности в виде абразива шлифовальных кругов жиров, горюче-смазочных материалов, продуктов химического травления, пыли и других веществ и требуют очистки перед измерением РВЭ методом КРП.
Так как все металлы электроположительны, то есть легко отдают электроны, то адсорбированные поверхностью металлических деталей загрязнения, обладающие дипольным моментом, отрицательным зарядом диполя притягиваются к металлу и образуют двойной электрический слой, который увеличивает РВЭ. Двойной электрический слой на межфазной границе «Металл - загрязнение» образуется самопроизвольно в результате стремления системы уменьшить энергию Гиббса поверхностного слоя. Неполярные молекулы поляризуются под действием электростатического поля металлов и, притягиваясь к их поверхности, увеличивают РВЭ по формуле [3]:
Δφ=4π·e·N·θ·µ,
где Δφ - изменение РВЭ;
e - заряд электрона;
2
N - число мест с высокой энергией адсорбции на 1 см поверхности;
θ - доля занятых электронами мест;
µ - дипольный момент адсорбата.
Наибольшими дипольными моментами µ обладают жиры, углеводы, вода. Доля занятых мест электронами θ зависит от плотности мест с высокой энергией адсорбции (ступени Френкеля, ребра кристаллов, дислокации и др.). Поэтому с увеличением дефектности поверхности адсорбция интенсифицируется и очищать такую поверхность сложнее.
Наиболее доступным и эффективным здесь является применение жидких растворителей. Основополагающими критериями при выборе таких жидкостей являются: высокая активная растворяющая способность, время и полнота испарения с поверхности объекта контроля, доступность, отсутствие токсичности, малая стоимость.
2
3
В целях разработки способа подготовки поверхности металлических деталей перед измерением РВЭ проведены экспериментальные на деталях (лопатках компрессоров газотурбинных двигателей) из сплавов ВТ3-1, ВТ5-1, ВТ8, ВТ9 и ОТ4-1. Из лопаток, изготовленных из указанных сплавов, были вырезаны образцы с плоской поверхностью. Поверхность образцов была последовательно обработана наждачной бумагой, затем притиркой с применением микропорошков зернистостью М5 для получения одинаковой шероховатости. Шероховатость поверхности образцов контролировалась с помощью профилометра модели 283. Для исключения влияния на РВЭ механической обработки образцы были выдержаны в течение 15 суток на воздухе при комнатной температуре. Затем образцы были промыты в растворе состава: вода - 85 мас.%, сода кальцинированная NaCO - 15 мас.%. Сушкой после промывки в течение 10 ч при комнатной температуре подготовка образцов к экспериментальным исследованиям была закончена.
Непосредственно при проведении экспериментальных исследований поверхность образцов очищалась: ацетоном техническим ГОСТ 2768-84, или бензолом чистым для анализа ГОСТ 5955-75, или петролейным эфиром 70-100 ТУ 6-02-1244-84, или этанолом медицинским 95 мас.%. Критерием величины активной растворяющей способности жидкости было принято увеличение КРП (уменьшение РВЭ). Измерения КРП проводились с помощью прибора с динамическим конденсатором до и после протирки образцов тампоном, смоченным растворителем, при комнатной температуре.
Продолжительность испарения жидкостей с поверхности образцов оценивалась по стабилизации КРП.
Результаты исследований представлены в таблице.
Таблица
Результаты исследований
Растворитель
ΔU, мВ
Время испарения t, мин
Уравнение, описывающее ΔU(t)
Ацетон технический ГОСТ 2768-84
51
100
ΔU=67,935·ln(t)-261,84
Бензол чистый для анализа ГОСТ 5955-75
49
200
ΔU=60,832·ln(t)-273,29
Петролейный эфир 70-100 ТУ 6-02-1244-84
76
10
ΔU=99,014·ln(t)-151,93
Этанол медицинский 95 мас.%
27
70
ΔU=82,925·ln(t)-239,21
По результатам проведенных исследований сделан вывод о том, что наибольшее увеличение КРП ΔU=76 мВ, свидетельствующее о большей активной растворяющей способности, обеспечивает очистка образцов петролейным эфиром. Петролейный эфир имеет наименьшее время испарения t=10 мин с поверхности образцов. Петролейный эфир испаряется с поверхности полностью, относительно дешев, мало токсичен [4, 5].
Перед началом оперативного выявления прижогов измерением РВЭ методом КРП согласно способу, изложенному в [1], предлагается очищать поверхность металлической детали следующим способом:
1. Обезжирить деталь промывкой в растворителе «Нефрас 50/170» ГОСТ 8505-80 с добавлением 1-2 мас.% антикоррозионной присадки «АКОР-1» ГОСТ 15171-78.
2. Промыть деталь холодной проточной водой.
3. Протереть деталь чистой салфеткой.
4. Просушить деталь в течение 30 с струей сухого сжатого воздуха давлением 10-20 кПа из баллона или созданного компрессором.
5. Протереть контролируемый участок детали тампоном, смоченным в петролейном эфире 70-100 ТУ 6-02-1244-84.
6. Просушить поверхность детали на воздухе комнатной температуры в течение не менее 10 мин.
7. Проконтролировать степень очистки поверхности детали измерением КРП прибором, имеющим измерительный электрод из технически чистого никеля (для титановых сплавов КРП должна быть не менее 240 мВ).
При промывке деталей из титановых сплавов согласно пункту 1 присадку «АКОР-1» допускается не добавлять.
Температура холодной воды при промывке деталей согласно пункту 2 в условиях цеха машиностроительного предприятия не контролируется.
Сушка поверхности деталей струей сухого сжатого воздуха аналогично пункту 2 после пункта 6 не рекомендуется, так как при этом возможно загрязнение деталей парами масла из компрессора или редуктора.
В случае показаний КРП измерительным прибором менее установленной величины (240 мВ для титановых сплавов) необходимо повторить подготовку поверхности детали начиная с пункта 1. КРП менее установленной величины свидетельствует о высокой РВЭ детали, вызванной недостаточной очисткой ее поверхности.
Внедрение разработанного способа подготовки поверхности металлических деталей к измерению РВЭ методом КРП позволит увеличить надежность и эффективность оперативного выявления прижогов, и, тем самым, повысить надежность машин и механизмов, экономическую эффективность их производства, эксплуатации и ремонта.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2407996 C2. Кочаров Э.А., Олешко B.C. Неразрушающий способ экспрессного выявления зон на поверхности металлических деталей со шлифовочными или эксплуатационными прижогами. Опубл. 27.12.2010. Бюл. №36.
2. Кочаров Э.А., Олешко B.C. Энергосберегающая технология контроля прижогов титановых лопаток компрессоров газотурбинных двигателей по флюктуациям работы выхода электрона // Наукоемкие технологии. - 2009. - №2. - Том 10. - С.73-76. - ISSN 1999-8465.
3. Кочаров Э.А. Физические методы в контроле материалов и разработке наукоемких технологий. Монография. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 2008. - 477 с.
4. Кузнецов В.В., Олешко B.C., Сметанников Н.П. Разработка методики очистки лопаток компрессоров газотурбинных двигателей перед контролем технологических прижогов измерением работы выхода электрона // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сборник материалов XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Часть 1. - Казань: Издательство «Отечество», 2011. - С.184-185. - ISBN 978-5-9222-0412-5.
5. Олешко B.C., Павленко В.Ф. [и др.]. Разработка метода неразрушающего контроля прижогов деталей газотурбинных двигателей при их производстве и ремонте. Отчет о научно-исследовательской работе №111/109323. Шифр «Фаворит-12». - М.: ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина», 2011. - 166 с.