CC BY
395
Высокоинтенсивная низкоэнергетическая имплантация ионов азота
А.В. Белый
Институт надежности машин НАН Беларуси, Минск, 220071, Беларусь
Установка для низкоэнергетической высокоинтенсивной обработки газовыми ионами
Ионно-лучевая технология предназначена для финишной обработки изделий путем ионного азотирования приповерхностного слоя материалов, прежде всего сталей и сплавов на основе железа. Технология позволяет увеличить износостойкость, поверхностную твердость изделий за счет ионного модифицирования структурно-фазового состояния приповерхностного слоя толщиной в десятки и более микрометров.
Модификация сталей ионами азота в высокоинтенсивном низкоэнергетическом режиме повышает износостойкость сталей: 95X18 — в 1.5 раза, Н18К9М5Т — в 2 раза, Р6М5 — в 3 раза, 20X13 — в 4.5 раза.
Характеристики низкоэнергетической высокоинтенсивной ионно-лучевой обработки:
• компактность и невысокая стоимость оборудования;
• энергия легирующих ионов — 1-3 кэВ;
• плотность ионного тока — 1-10 мА/см2;
• характерные температуры обработки сплавов на осно-
ве железа — 500-600 К;
• стоимость детали в результате обработки повышается
не более чем на 10-15 %;
• толщина поверхностного модифицированного слоя достигает 150 мкм;
• высокая износостойкость и коррозионная стойкость обработанной поверхности.
Технологии и оборудование для газопламенного напыления покрытий из полимерных материалов
М.А. Белоцерковский
Институт надежности машин НАН Беларуси, Минск, 220071, Беларусь
Полимерный термораспылитель
Предназначен для использования полимерных порошков любых производителей с температурой плавления порошков от 90 до 400 °С и размером частиц до 400 мкм. Максимальная производительность напыления — 2.9 кг/ч. В качестве рабочих газов используются пропан-бутан и воздух. Все краны, регулирующие расход рабочих газов установлены непосредственно на корпусе термораспылителя, в связи с чем нет необходимости в пульте управления газами.
В отличие от известных пропано-воздушных горелок, которые выпускались в Германии и производятся в странах СНГ, данная установка позволяет плавно и в широких пределах регулировать состав горючей смеси и форму факела за счет наличия четырех игольчатых кранов, расположенных непосредственно на термораспылителе. Оригинальная конструкция газосмесительного устройства и соплового наконечника позволили повысить качество смешения компонентов горючей смеси и ликвидировать налипание полимерного мате-
риала на торец сопла. Одним из существенных преимуществ данной горелки является применение удобного бункера-питателя, выполненного из стандартной ПЭТ-бутылки, который обеспечивает удобную замену бункера и улучшает условия хранения полимерного порошка.
Технология изготовления полимер-керамических композиционных изделий
В основе процесса лежат разработанные в Институте надежности машин НАН Беларуси способы электрофизической обработки металлических толстослойных покрытий, нанесенных методами газопламенного напыления на полимерные материалы.
Технология получения слоистых композитов состава “оксид - металл - полимер” (например “корунд - алюминий - полиамид”) позволяет изготавливать детали с высокими демпфирующими свойствами и износостойкой рабочей поверхностью, детали узлов трения оборудования по перекачке агрессивных сред, облегченные упорные подшипники и подающие шнеки и т.п.
Технологии и оборудование для газопламенного напыления покрытий из проволочных материалов
М.А. Белоцерковский
Институт надежности машин НАН Беларуси, Минск, 220071, Беларусь
Краткая характеристика разработки
Восстановление быстроизнашивающихся деталей машин и элементов конструкций осуществляется путем газопламенного нанесения покрытий на установке проволочной термораспылительной “ТЕРКО®”. Установка является самой малогабаритной в своем классе в мире, удобна в эксплуатации и обслуживании, общий вес — 14.6 кг.
Покрытия наносятся активированным распылением проволок диаметром 1.6—3.5 мм, нагретых до плавления в пропан-бутан-кислородном пламени. Прочность сцепления покрытий с основой — более 30 МПа.
Рабочее давление газов, МПа: кислород — 0.2-0.4; пропан-бутан — 0.1; воздух — 0.4-0.5.
Расход газов, м3/ч: кислород - 4.0; пропан-бутан — 1.0; воздух — до 40.
В состав установки входят пистолет-термораспылитель, блок электронного управления подачей проволоки, малогабаритный блок ручного управления рабочими газами.
Используется для:
• восстановления шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, компрессоров, насосов; посадочных мест под подшипники на валах и в корпусах; поршней пресс-автоматов; вытяжных штампов; поверхностей уплотнения запорной арматуры; вкладышей моторно-осевых подшипников и т.д.;
• защиты от коррозии элементов кузовов автомобилей;
мостов, путепроводов, гидротехнических и портовых сооружений; закладной арматуры строительных конструкций; деталей перерабатывающего производства.
Ионно-лучевые технологии модификации поверхностей
Ю.П. Шаркеев, Б.П. Гриценко
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Ионно-лучевые технологии — это
• экологическая чистота,
• простота управления и возможность автоматизации процесса,
• высокая воспроизводимость результатов обработки,
• низкая температура процесса,
• высокая производительность,
• неизменность размеров и микротопографии поверхности,
• возможность локальной обработки,
• возможность обработки деталей со сложным рельефом поверхности.
Ионно-лучевая обработка позволяет:
• увеличить износостойкость в 2-5 раз,
• повысить сопротивление коррозии,
• повысить поверхностную микротвердость,
• целенаправленно изменить коэффициент трения.
Технологии могут быть использованы для упрочнения очень широкого ассортимента изделий машиностроения, медицины, электроники, транспорта. Это различные виды штампов, детали машин и механизмов, режущий инструмент металлообработки и хирургический режущий инструмент.
Высокодозовая ионная имплантация
Ионно-лучевая технология предназначена для финишной обработки изделий путем легирования приповерхностного слоя материалов. Технология позволяет увеличить износостойкость изделий за счет создания в приповерхностном слое материалов многослойных структур методом ионной имплантации. Реализуется технология с помощью технологического ионного имп-лантера ДИАНА-2, который позволяет легировать материалы любыми проводящими и полупроводящими элементами таблицы Менделеева, находящимися в твердом состоянии.
Технологический имплантер ДИАНА-2, расположенный на вакуумной камере установки ВУ1-Б
Характеристики высокодозовой ионно-лучевой
обработки:
• ускоряющее напряжение — 20-100 кВ;
• импульсный ионный ток — 300 мА;
• частота следования импульсов — 50 имп./с;
• температура изделия в процессе ионной обработки не превышает 150 °С;
• высокая износостойкость, коррозионная стойкость, микротвердость и другие свойства обработанной поверхности.
Электронно-лучевая порошковая металлургия в вакууме: оборудование, технология и применение
С.И. Белюк, В.Е. Панин
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Улучшение качества, повышение надежности и долговечности деталей, узлов и механизмов в машиностроении достигается за счет использования новых материалов и эффективных технологий упрочнения поверхностей. Нанесение упрочняющих, защитных и иных покрытий все чаще выполняют с использованием высококонцентрированных источников энергии, таких как электронный и лазерный лучи. Недостатком лазерной обработки является низкий КПД нагрева (3-7 %) в отличие от КПД нагрева электронным лучом (85-95 %). Благодаря ряду преимуществ электронно-лучевой наплавки в вакууме: простоте, высокой стабильности и надежности электромагнитной системы сканирования электронного луча, безотходности и экологической чистоте процесса, возможности гибкого управления за счет изменения параметров электронного луча, обеспечивается формирование покрытий с необходимыми структурой и свойствами получаемых покрытий.
Оборудование для электронно-лучевой порошковой металлургии
Блок-схема установки для реализации технологии электронно-лучевой порошковой металлургии показана на рис. 1 и состоит из электронной пушки с плазменным катодом 1 и схем электропитания (3, 8,9,10) вакуумной камеры 2 с откачными средствами 7, механического манипулятора 6 с электроприводом, устройства 5 для дозированной подачи порошкового материала в зону расплава.
Электронная пушка с плазменным катодом не содержит накаленных электродов и деталей, что делает его в сравнении с термокатодными источниками, на которых в основном базируется электронно-лучевая сварка, менее чувствительным к химически активным и тугоплавким парам обрабатываемых материалов. Электронная пушка способна работать без применения специальных мер защиты катода в широком диапазоне давлений в условиях интенсивных газовых выбросов из зоны расплава. В то же время, она по общетехническим характеристикам и геометрическим параметрам пучка не уступает термокатодным источникам, имеет более высокий (на два порядка) ресурс работы без дополнительного
Рис. 1. Функциональная схема установки (а); внешний вид установки (б)
обслуживания и ремонта. Совокупность этих факторов позволяет упростить электронно-лучевое и вакуумное оборудование, увеличить время эксплуатации источника между обязательными профилактическими работами и в итоге значительно повысить экономическую эффективность работ по созданию износостойких покрытий.
Технология электронно-лучевой порошковой металлургии
Новизна технологии электронно-лучевой порошковой металлургии заключается в том, что впервые уда-
Таблица 1
Свойства покрытий
Номер Шихтовый состав, % вес. Твердость, HRC Пористость, % Содержание ПС в покрытии, % об. К и
1 ПГ-10Н-01 60 ± 1 0.3 - 3
2 ПГ-12Н-01 46 ± 1 0.2 - 2.3
3 ПГ-УС-25 59±1 0.1 - 3.2
4 35 % КС + ПГ-УС-25 65 ± 1 0.2 49 ± 1.3 9.4
5 Г13 260 НУ 0.15 - 1
6 35 % НС + Г13 55 ± 2 0.48 45.4 4.2
7 Р6М5 60 0.15 - 2.9
8 35 % НС + Р6М5 70 0.1 48 ± 1.3 5.5
9 Х20АГ20 + 40 % ПС0^0.5 64 0.8 50 16
10 47 % FeB + 47 % FeTi + + 6 % Дшорф 65 0.4 - 7.5
Ки — коэффициент износостойкости при трении о нежесткозакрепленные абразивные частицы (ГОСТ 23.208-79)
лось реализовать одновременно процессы порошковой металлургии и классической микрометаллургии в электронном луче непосредственно на детали. Благодаря высокой плотности мощности в луче (104^105 Вт/см2), возможности оперативного управления энергетическими характеристиками луча и малому обьему расплавленной ванны (10^20 мм3) появляется возможность управлять этими процессами, изменяя необходимым образом не только интегральную температуру ванны, но и скорость ее нагрева и охлаждения в широких пределах. Более того, при использовании термореагирующих порошковых смесей становится возможным реализовать само-распространяющийся высокотемпературный синтез, инициированный электронным лучом в микрообьеме, и процесс жидкофазного спекания с использованием продуктов этого синтеза. Все это делает электроннолучевую порошковую металлургию универсальной как в плане получения специальных свойств порошковых покрытий, так и в плане нанесения покрытий любой толщины, включая слоистые и градиентные, на детали из любых сплавов и любой геометрии.
Создание качественных покрытий с высоким комплексом физико-механических характеристик обусловлено технологическими особенностями, присущими только электронно-лучевой порошковой металлургии:
- сочетанием таких факторов, как сильно возбужденное состояние электронной подсистемы наносимых композиций под действием электронного пучка, в том числе тугоплавких соединений, и сверхбыстрая кристаллизация из жидкого состояния, что позволяет сформировать целую гамму неравновесных фаз с нанокристалли-ческой структурой, которые образуются и сохраняются в наносимом покрытии;
- возможностью создавать в процессе наплавки обьемно-упрочненные покрытия на основе тугоплавких соединений с металлической матрицей, покрытия на основе керамических и интерметаллических материалов и их композиций;
- минимальной пористостью (менее 0.5 %);
- большой толщиной наплавки (до 20 мм).
Технология электронно-лучевой порошковой металлургии для создания покрытий позволяет использовать как промышленные порошки (ПГ-10Н-01, ПГ-УС-25), так и композиционные порошки с боридами и карбидами металлов, полученными из вторичных ресурсов в проточном реакторе методом самораспространяюще-гося высокотемпературного синтеза.
Типичные порошковые материалы, используемые для наплавки, и свойства наплавленных покрытий представлены в таблице 1.
Покрытия из самофлюсующихся порошков
Микроструктура основной части покрытия (сплав ПГ-10Н-01) (рис. 2, а) состоит из дендритов у-твердого раствора на основе никеля, эвтектики, состоящей из бо-ридов никеля и того же твердого раствора, сложной эвтектики на основе тугоплавких боридов и карбидов хрома в виде отдельных или сросшихся попарно продолговатых гексагонов, иногда с внутренней полостью.
Сплав ПГ-УС-25 представляет собой заэвтектичес-кий высокохромистый чугун, в структуре которого в значительном количестве присутствует сложный карбид (С^е)7С3. На микроструктуре (рис. 2, б) он виден в виде шестигранных призм. При испытаниях на износостойкость в режиме трения скольжения данные покрытия показали высокие триботехнические свойства.
Рис. 2. Микроструктура наплавленных покрытий: сплав ПГ-10Н-01; х 500 (а); сплав ПГ-УС-25; х 250 (б)
Композиционные покрытия на основе быстрорежущей стали с карбидами титана
Микроструктура наплавленных покрытий хорошо выявляется на нетравленых поперечных шлифах. Вид микроструктуры нетравленых шлифов наплавок с одинаковой объемной долей карбида титана и отличающихся только химическим составом связки практически один и тот же (рис. 3, а). Частицы карбида титана различной крупности равномерно распределены по объему наплавки. Объемная доля карбида в наплавке практически совпадает с его содержанием в шихте и не зависит от дисперсности исходного карбида титана. На основании этого можно утверждать, что в процессе электронно-лучевой порошковой металлургии не происходит высокотемпературного разложения карбида титана (что имеет место при жестких режимах плазменного и детонационного напыления и дуговой наплавке) или его растворения в расплаве связки (как это наблюдается при электрошлаковой наплавке) и шихтовой карбид титана практически в неизменном количестве и гранулометрическом составе фиксируется в объеме наплав-
ки. Пористость наплавленных покрытий не превышает 0.55 %. Такое низкое значение пористости покрытий не идет ни в какое сравнение с пористостью плазменных покрытий (2-15 %), что соответственно дает более высокие физико-механические свойства покрытий, нанесенных методом электронно-лучевой порошковой металлургии.
Композиционные покрытия на основе хромомарганцевой стали с азотом с карбонитридным упрочнением
Одним из путей повышения механических свойств сплавов является применение в качестве твердой составляющей карбонитридов переходных металлов, которые являются более перспективными, по сравнению со сплавами на основе их карбидов, из-за более высокого противодействия ударным нагрузкам и низкого коэффициента трения. В связи с этим методом электроннолучевой порошковой металлургии были получены покрытия на основе азотсодержащей хромомарганцевой стали с 40 % Т1С0^а5, структура которыхфактически
Рис. 3. Микроструктуры наплавленных покрытий: Р6М5 + 50 % ТІС; х 500 (а); Х20АГ20 + 40 % ТЇС05К05; х 3 000 (б)
Рис. 4. Зависимость коэффициента относительной износостойкости от состава наплавляемого покрытия до и после термической обработки
представляет собой дуплексную структуру с равномерным распределением частиц карбонитрида титана, занимающих примерно половину их площади (рис. 3, б).
Результаты исследований показали, что в процессе электронно-лучевой наплавки формируются качественные градиентные покрытия, абразивная стойкость которых повышается с увеличением содержания карбонит-ридов титана. Свойства наплавленных покрытий можно варьировать с помощью термической обработки. Так, максимальные значения износостойкости покрытий (Ки = 16) достигаются после закалки с 1200 °С на воду (рис. 4).
Боридные покрытия
Электронно-лучевая порошковая металлургия — один из немногих методов, позволяющий получать качественные боридные покрытия триботехнического и термобарьерного назначения на металлах и сплавах. На рис. 5 приведены структуры покрытий из термореаги-
Рис. 6. Зависимость параметров электронного пучка и износа поверхностного слоя (а) и шарика (б) для различных материалов: ПГ-УС-25 (1); ПР-Н70-Х17С4Р4 (2); ПГ-УС-25 + 35 % ТІС + Fe (5); Р6М5 + + 30 % ТіСК (4); 3 % С + 1 % Сг + 1 % № (5); SCM415H (6)
рующих смесей порошков БеВ и БеТі на стальной подложке (рис. 5, а) и В4С и Ті на титановом сплаве ВТ6 (рис. 5, б).
Проведенные испытания наплавленного на сплав ВТ6 покрытия Ті + 10 % В4С на абразивную износостойкость в соответствии с ГОСТ 23.208-79 показали увеличение стойкости, по сравнению со сплавом ВТ6, в 9.6 раза.
На рис. 6 представлены результаты испытаний некоторых композиционных покрытий, проведенных японс-
Рис. 5. Микроструктуры образцов 50 % БеБ + 50 % БеТ (стальная подложка) (а) и Т + 10 % В4С (подложка из сплава ВТ6) (б)
Рис. 7. Микроструктура покрытия Си + 40 % Сг (а); внешний вид вакуумной дугогасительной камеры (б)
Таблица 2
Восстанавливаемые детали Достигаемый эффект
Прокатные валки металлургических производств, воздушные и кислородные фурмы, кристаллизаторы непрерывной разливки стали, защитные кожухи термопар Замена дорогих легированных сталей на дешевые углеродистые при изготовлении сердцевины валков с одновременным повышением стойкости за счет наплавки жаропрочного и износостойкого покрытия. Повышение производительности доменных печей (3-5 %). Экономия кокса (2-3 %)
Лопатки паровых и газовых турбин Замена дорогостоящих твердых сплавов, использующихся для напайки на лопатки паровых и газовых турбин, восстановление изношенных и упрочнение новых деталей с повышением ресурса работы в 1.5-2 раза
Детали запорно-регулирующей трубопроводной арматуры (седла, клапаны, штоки), применяемой в энергетике, нефтегазодобывающей и нефтехимической промышленности Восстановление изношенных деталей нанесением износостойких, коррозионностойких и эрозионностойких покрытий с повышением ресурса работы в 1.5-3 раза по сравнению с традиционными технологиями напыления и наплавки
Износостойкие покрытия на шейки коленчатых валов дизельных и карбюраторных двигателей, насосов, компрессоров, крестовины карданных передач Восстановление изношенных и упрочнение новых деталей с повышением ресурса работы в 2-5 раз
Защитные рубашки валов насосов (под сальниковую набивку) Повышение ресурса работы до 5 раз по сравнению с закаленной углеродистой сталью
Защитные покрытия на фурмы для доменного производства, работающие в высокотемпературном газовом потоке с абразивными частицами Повышение ресурса работы до 10 раз
Износостойкие покрытия на зубья ковшей экскаваторов “Комацу” Повышение ресурса работы до 3 раз
Поршни из силумина для мощных дизельных двигателей Восстановление изношенных поршней наплавкой разрушенных канавок под поршневые кольца
Электрические контакты высоковольтных выключателей Восстановление изношенных контактов наплавкой порошковых композиций. Изготовление новых контактов для вакуумных дугогасительных камер с двукратным удешевлением и одновременным повышением дугостойкости по сравнению с контактами, производимыми методами порошковой металлургии
Дереворежущий и металлорежущий инструмент Замена некоторых марок твердого сплава с одновременным удешевлением инструмента
Рис. 8. Внешний вид фурмы
кой фирмой “Комацу”. Испытания на износ при сухом трении проводили по схеме возвратно-поступательного движения шарика по плоскости при двух нагрузках: 10 и 50 Н.
Псевдосплавы на медной основе
Материалы на основе псевдосплава Си-Сг, содержащего от 20 до 70 вес. % Сг, широко используются в качестве контактного материала для вакуумных дугогасительных камер. При электронно-лучевой наплавке порошковой смеси происходит плавление частиц порошка меди и хрома. Расплавленный хром захватывается гидродинамическими потоками, существующими в ванне расплава, и распределяется по объему жидкометаллической ванны. В результате плавления, перемешивания и кристаллизации происходит диспергация частиц хрома и рафинирование наплавляемого материала. Это позволяет сформировать мелкозернистую структуру псевдосплава (рис. 7), обеспечивающую высокую отключающую способность и надежность вакуумных дугогасительных камер.
Применение технологии электронно-лучевой порошковой металлургии
Электронно-лучевая порошковая металлургия как способ нанесения функциональных покрытий на изделия самого различного назначения, изготовленные из стали, чугуна, меди, титана, алюминия и их сплавов, прошла широкую апробацию и используется в различных отраслях промышленности (см. таблицу 2).
Максимальный экономический эффект от использования электронно-лучевой наплавки к настоящему времени получен в металлургической отрасли. Так, воздушные фурмы (рис. 8) с износостойким покрытием, нанесенным по технологии электронно-лучевой порошковой металлургии, на ОАО “Западно-сибирский металлургический комбинат” на домне № 3 работают с сентября 2000 года (более семнадцати месяцев). Уже в шесть раз превышен среднестатический срок службы фурм, ожидается десятикратное увеличение. Экономический эф-
фект от использования 28 фурм в 2001 году составил 7.5 млн рублей. Использование в масштабах Российской Федерации таких фурм позволит получить экономический эффект порядка 1.5 млрд рублей. На валках, изготовленных по технологии электронно-лучевой наплавки, на ОАО “Западно-сибирский металлургический комбинат” прокатано 27 800 тонн катанки без переза-точки, что в 7^9 раз превышает показатели серийно изготавливаемых валков.
В ОАО “ЭНЕКО” (г. Минусинск) успешно закончились испытания электродов вакуумных дугогасительных камер высоковольтных выключателей, изготовленных методом электронно-лучевой порошковой металлургии, которые показали, что применение этой технологии позволяет увеличить на 40^50 % важнейшие технические характеристики выключателей.
Выполнены НИОКР по изготовлению кристаллизаторов с износостойким и жаростойким покрытием на основе интерметаллидов (№3А1), никель-хромовых (№Сг) покрытий в чистом виде и с карбонитридным упрочнением (TiCN). Показана возможность увеличения срока службы кристаллизаторов в (3^4 раза). С ОАО “ Ленинградский металлический завод” ведется НИОКР по повышению срока службы стальных и титановых лопаток паровых турбин.
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН является монополистом в области электроннолучевой порошковой металлургии, так как помимо самой технологии в Институте разработана технология и отработано производство композиционных порошковых материалов из вторичного сырья, а также разработано принципиально новое электронно-лучевое оборудование для реализации технологии электронно-лучевой порошковой металлургии на базе электронных пушек с плазменным катодом. Все эти аспекты единого комплекса защищены патентами РФ, заявками на патенты РФ, ноу-хау. Ведется международное патентование.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 00-15-96174).
Технологии и оборудование для ультразвуковой ударной обработки сварных швов конструкций
В.А. Клименов, О.А. Белявская, А.И. Толмачев, О.Н. Нехорошков
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Краткая характеристика разработки
Технология создана на основе исследований структурных и фазовых превращений, происходящих в конструкционных сталях и сплавах при воздействии мощного ультразвука, и применения ультразвукового оборудования, изготавливаемого в г. Северодвинске. Технология предназначена для обработки сварного шва и зоны термического влияния сварных конструкций, испытываю-
щих циклические и знакопеременные нагрузки. Технология основана на обработке поверхности сварного шва и зоны термического влияния бойками с ультразвуковой частотой, в результате чего в приповерхностном слое происходит измельчение зерна и перераспределение опасных остаточных напряжений с растягивающих на сжимающие. В результате данной обработки повышаются твердость, прочность и циклическая долговечность сварного соединения в 3-4 раза.
Области применения:
• мостовые конструкции, краны;
• трубопроводы и емкости хранения нефти и агрессив-
ных жидкостей;
• автотракторная техника (коленчатые валы, элементы гидравлических систем, цилиндры двигателей, сварные кузова большегрузных автомобилей);
• элементы на крупных корпусных деталях энергетического оборудования.
Преимущества:
• увеличивает срок службы сварного соединения в 3-4
раза по сравнению с необработанным;
• процесс экономически более выгоден по сравнению с технологией снятия напряжения с помощью нагрева в 4-5 раз;
• повышает безопасность и производительность труда,
улучшает условия работы.
Предложения:
• разработка технологий упрочнения сварных конструкций;
• продажа технологий и установок;
• продажа лицензии.
Акусто-оптический измерительный комплекс
В.И. Сырямкин, С.В. Панин, В.А. Куликов, Н.А. Зуев, А.В. Чесноков, Д.А. Санников, В.П. Туголуков, П.Г. Пеньков
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Оптико-телевизионные измерительные системы (ОТИС) предназначены для исследования и аттестации материалов и неразрушающего контроля участков конструкций.
Принцип действия ОТИС основан на концепции физической мезомеханики материалов и анализе оптической информации о рельефе исследуемой поверхности.
Программное обеспечение ОТИС позволяет на основе статистических и структурных алгоритмов обработки изображений определять место разрушения и предсказывать ресурс работы нагруженных материалов.
Комплекс TOMSC-2 предназначен для проведения диагностики усталостного разрушения, контроля сварных соединений, различных деталей машин и конструкций в полевых условиях или заводских лабораториях, а также для работы в составе комбинированного акусто-оптического комплекса. Комплекс состоит из персонального компьютера класса “notebook”, оптического микроскопа, устройства подсветки, источника питания, телевизионной камеры, устройства ввода изображений, контроллера механизма сканирования, клавиатуры автономного управления, сканирующего устройства, программного обеспечения.
Разработано несколько модификаций оптико-телевизионных измерительных систем “TOMSC” (tе1еvision-орйса1 meter for surface characterization).
Комплекс TOMSC-1 предназначен для исследования механизмов пластического течения на мезоуровне и разрушения, а также оценки механических характеристик в локальных областях нагруженных материалов. Состав: оптический микроскоп с набором сменных объективов, устройство подсветки, телевизионная камера высокого разрешения, специализированные интерфейсы, видео-контрольное устройство, персональный компьютер, сканирующее устройство, источник питания, программное обеспечение.
Комплекс TOMSC-3 предназначен для обеспечения образовательных курсов по основам физической мезо-механики материалов, проведения тестовых испытаний материалов с покрытиями, а также лабораторных работ для студентов и аспирантов физических и физико-технических специальностей университетов. Состав: устройство нагружения, металлографический микроскоп, телевизионная камера, устройство ввода изображения, персональный компьютер, контроллер устройства нагружения, сканирующее устройство, контроллер сканирующего устройства, программное обеспечение, источник питания.
Основные технические параметры мобильной ОТИС (комплекс TOMSC-2)
Диапазон увеличений оптического тракта x 10-500
Параметры оцифрованных изображений (устройство ввода VideoPort Professional) 768x576 пикселов 256 уровней серого
Минимальное смещение сканирующего устройства: по оси X по оси Y 0.0l мм 0.0l мм
Размер поля сканирования: по оси X по оси Y 37 мм 45 мм
Время расчета поля векторов смещений (в зависимости от частоты процессора) 4-45 c
Количество скоростей перемещения сканирующего устройства l6
Количество уровней яркости устройства подсветки l6
Ошибка определения смещений локальных участков изображений O.l —0.6 % от размера изображения
Разрешающая способность 0.4 мкм
Габаритные размеры 50x100x50 см
Вес l5 кг
В ИФПМ СО РАН и НПП “Метакон-Томич” разработан новый прибор неразрушающего контроля, основанный на возбуждении в исследуемом объекте импульсных волн напряжений и анализе акусто-эмиссионных характеристик возникающих при этом волн разрядки, тип которых зависит от размеров объекта, материала, структуры и наличия дефектов.
Акусто-оптический метод диагностики был разработан на основе подхода физической мезомеханики материалов, позволяющего выделять и оценивать характерные стадии развития пластической деформации, усталостного разрушения и изнашивания по характерным процессам, развивающимся в нагруженном твердом теле. Предложенный метод диагностики основан на выявлении количественных соотношений характеристик дефектов, заложенных на стадии изготовления, измене-
Характеристики акустического прибора, входящего в состав диагностического комплекса
Количество записываемых в память l00
результатов
Область воспринимаемых звуковых частот 0-20 000 Гц
Область линейной характеристики датчика 500-5000 Гц
Габаритные размеры основного блока 25x30xl0 см
Вес прибора в комплекте l кг
ния структуры и параметров вследствие циклических нагрузок, коррозионного и эрозионного воздействия внешних факторов в процессе эксплуатации металлических и композиционных материалов с физическими параметрами затухания звуковой волны и изменениями тонкого профиля поверхности этого материала. Поскольку каждому временному интервалу срока службы материала (оборудования) соответствует определенный характер деформационной структуры, возникшей вследствие роста усталостной трещины (значительных локальных деформаций, уменьшения толщины изделия вследствие абразивного износа или коррозии), то, оценивая этот уровень по величине определяемого экспериментально параметра затухания акустической волны и/ или по величине изменения тонкого профиля поверхности диагностируемого оборудования, можно спрогнозировать остаточный ресурс работы изделия.
Технические характеристики переносного акустического диагностического прибора:
• изготовлен на основе руководящих нормативных доку-
ментов РД 50-447-8 “Расчеты и испытания на прочность, акустическая эмиссия, общие положения” и требований ГОСТ 12997-76;
• продолжительность подготовки к работе — не более
10 минут;
• габаритные размеры — не более 30x30x10 см;
• объем памяти — 1 Мб;
• тип управления режимами работы — программируемый.
