Тема: КОНТРОЛЬ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ, ПРИМЕСЕЙ И ДЕФЕКТОВ ПРОВОДЯЩИХ СПЛАВОВ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ СВЕРХМИНИАТЮРНЫХ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Актуальность.
Одной из важных фундаментальных и прикладных задач физического материаловедения является разработка и совершенствование методов исследования и диагностики физико-химических и эксплуатационных характеристик материалов, используемых в современной промышленности и научно-исследовательской сфере. Производство и эксплуатация ряда высокотехнологичных изделий, используемых в авиакосмической отрасли, в транспортной сфере, в ядерной сфере, а также в экстремальных условиях добычи полезных ископаемых, невозможны без контроля их качества.
Недостаточный контроль качества изделий, выпускаемых
промышленностью и предназначенных для эксплуатации в современном высокотехнологическом обществе может привести к повышенному износу оборудования и увеличению экономических издержек, а в отдельных случаях - к росту числа аварий и катастроф [1].
Контроль и диагностика - начинающие и определяющие составные части проблемы безопасности. Контроль означает проверку соответствия параметров объекта установленным техническим требованиям [1].
Наиболее актуальными при этом становятся неразрушающие методы контроля качества, поскольку только они позволяют производить анализ объектов без вмешательства в их внутреннюю структуру и изменения их эксплуатационных свойств, что позволяет, в случае необходимости, произвести полную проверку качества непосредственно в процессе использования.
Важными задачами неразрушающего контроля проводящих материалов являются поиск дефектов сплошности и определение их размеров и глубины. Одной из задач неразрушающего контроля является разделение сигналов от дефектов, залегающих на небольшом расстоянии друг от друга со сложным характером их взаимного распределения. Актуальной проблемой неразрушающих методов измерений является и поиск малых дефектов, расположенных в глубине исследуемого материала. В связи с этим приобретают особенную важность проблемы анализа сигнала дефектоскопа, позволяющего повысить точность оценки размеров и местоположения отдельного дефекта. К важным задачам неразрушающего контроля можно также отнести контроль толщины исследуемого материала, анализ его химического состава, оценка шероховатости его поверхности.
В современном неразрушающем контроле имеется тенденция к значительному увеличению требований к разрешающей способности применяемых методов, к совершенствованию аппаратной и программной части приборов, позволяющих производить анализ объектов, к снижению их стоимости при сохранении необходимых характеристик. При проведении контроля в условиях реального производства требуется производить отстройку от мешающих факторов, обеспечивать защиту приборов от внешних воздействий: влажности, пыли, вибраций, ударов и т.д.
Всем вышеперечисленным требованиям удовлетворяет неразрушающий вихретоковый контроль.
Вихретоковый метод контроля может быть применен для контроля различных объектов, преимущественно электропроводящих материалов, сплавов, полупроводников. Однако, в некоторых случаях, его можно использовать и для дефектоскопии материалов, не обладающих проводящими свойствами с условием применения специальных магнитопорошковых смесей. Вихретоковый метод контроля часто применяется при определении толщины непроводящих покрытий, нанесенных на электропроводящую основу. Метод также пригоден для исследования толщины металлических листов, стенок труб.
Вихретоковая дефектоскопия использует переменное электромагнитное поле для создания в исследуемом объекте вихревых токов, электромагнитное поле которых зависит от распределения вихревых токов в объекте контроля, в свою очередь, зависящих от геометрических и электромагнитных параметров исследуемого материала. Как правило, электромагнитное поле создается с использованием специального вихретокового преобразователя, представляющего из себя одну или несколько катушек индуктивности. В свою очередь, электромагнитное поле вихревых токов взаимодействует с катушками преобразователя, наводя в них ЭДС или меняя их индуктивное сопротивление.
Дефектоскопия с помощью метода вихревых токов может осуществляться в условиях агрессивных внешних сред, загрязненности поверхности исследуемого объекта, при имеющемся слое краски или лака на объекте.
Одно из важных преимуществ вихретокового контроля - возможность производить исследование без прямого контакта датчика и объекта. Расстояние между преобразователем и исследуемым материалом может доходить до нескольких миллиметров, что позволяет добиться высокой скорости сканирования и получать надежные результаты при сканировании объектов с высокой скоростью. Однако при этом важной задачей является исключение влияния зазора на полезный сигнал, несущий информацию об объекте контроля. При увеличении зазора значительно увеличиваются и помехи, существенно влияющие на величину полезного сигнала.
Ограничениями вихретокового метода может являться малая глубина сканирования, а также трудности в определении глубины залегания дефекта. Большинство современных вихретоковых дефектоскопов способны находить дефекты на глубине до 2 мм, протяженностью 1-2 мм. Также достаточно малым параметром, служащим серьезным ограничением метода, является площадь зоны контроля - в современных дефектоскопах она доведена до 1 мм2.
Поскольку одним из важнейших параметров объекта контроля, влияющий на распределение вихревых токов, является электропроводность вещества, зависящая от химического состава исследуемого материала, вихретоковый метод контроля можно в определенных случаях использовать для определения химического состава исследуемого материала.
При конструировании реальных измерительных систем, вихретоковые преобразователи обычно должны быть упакованы в специальный защитный корпус, предохраняющий работу преобразователя от внешних электромагнитных помех и эффективно противостоящий внешним агрессивным воздействиям.
На сегодняшний день разработан ряд вихретоковых измерительных систем, эффективно использующихся в промышленности и научно-исследовательской сфере. Данные системы способны эффективно производить поиск дефектов в проводящих материалах, определять толщину покрытий, производить анализ химического состава материала. Однако максимальная глубина залегания дефектов, а также минимальный размер зоны контроля существенно ограничены конструктивными особенностями преобразователей и недостаточной аппаратной и программной обработкой сигнала вихретокового преобразователя. Нередко затруднительно оценить геометрические параметры отдельного дефекта залегающего в толще металла.
Для решения данных проблем необходимо использовать сканирование в дифференциальным режиме, с использованием нескольких вихретоковых преобразователей, соединенных с использованием встречной схемы включения[1].
Актуальной проблемой современной дефектоскопии является и определение качества сварных швов металлов. В этом случае, чувствительность метода определяется размерами выявляемых дефектов, возникаемых при низком качестве сварки. К числу характеристик данных дефектов относятся также и протяженность в глубине и на поверхности металла.
Важной проблемой выступает также и узкая специализация современных вихретоковых приборов - каждый из них разработан для решения исключительно одной задачи и не позволяет, в случае необходимости, производить многоцелевой контроль материалов.
В связи с этим, актуальной задачей является разработка вихретоковой измерительной системы, позволяющей локализовать малые дефекты на значительной глубине, производить эффективную обработку получаемого сигнала с целью устранения мешающих факторов и обеспечивать наглядную визуализацию полученных данных в режиме реального времени.
Диссертация выполнялась на кафедре общей и экспериментальной физики Алтайского государственного университета, при поддержке проектами Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ № 17-48220044, 18-38-00272)
Цель работы и задачи исследования.
Диссертационная работа посвящена исследованию неоднородностей, примесей и дефектов проводящих сплавов и композиционных материалов с помощью разработанной измерительной системы на основе сверхминиатюрного вихретокового преобразователя, позволяющего эффективно локализовывать электромагнитное поле на малых участках и производить контроль дефектов на значительной глубине, с возможностью производить анализ различных объектов с измерением качества поверхности и поиском дефектов в глубине металла, контролировать степень качества сварных соединений различных металлов, способную производить определение химического состава металла, измерение толщины проводящих и диэлектрических покрытий на его поверхности, с последующей аппаратной и программной обработкой, позволяющей эффективно избавиться от помех, вызванных внешними факторами, а также различными мешающими факторами преобразователя и объекта контроля.
Для выполнения данной цели требуется решить следующие задачи:
1. Разработка и исследование вихретокового преобразователя(ВТП), позволяющего локализовывать магнитное поле на малом участке объекта контроля и на значительной глубине.
2. Исследование работы ВТП и анализ зависимостей вносимого напряжения от различных параметров преобразователя и объекта контроля. Выбор оптимального материала, имеющего максимальное значение магнитной проницаемости и наименьший разброс значений магнитной проницаемости, предназначенный для конструирования сердечника сверхминиатюрного ВТП, способного производить эффективную локализацию магнитного поля.
3. Создание ВТП с оптимальной формой и размером сердечника, числом катушек индуктивности и витков проволоки в них, позволяющий эффективно локализовать электромагнитное поле на участках площадью от 2500 мкм2, с глубиной проникновения в исследуемый объект до 5 мм.
4. Тестирование разработанных ВТП на образцах с модельными дефектами с известными характеристиками. Определение влияния различных параметров дефектов на сигнал разработанных преобразователей
5. Создание программно-аппаратного комплекса, позволяющего управлять работой вихретокового преобразователя и обеспечивать удобную визуализацию получаемых данных с возможностью отображения различных параметров исследуемого объекта
6. Тестирование различных конструкций преобразователей в разных режимах работы на бездефектных объектах контроля, имеющих известные характеристики. Тестирование материалов, наиболее часто использующихся в промышленности. Исследование сварных швов в различных металлах и сплавах.
Научная новизна работы.
Научная новизна исследования заключается в следующих результатах:
1. В процессе проведенных исследований было установлено значительное влияние материала и формы сердечника на эффективность проводимой вихретоковой дефектоскопии. Получена графическая зависимость между величиной магнитной проницаемости и локальностью магнитного поля, генерируемого ВТП.
2. Установлено значительное влияние режимов отжига и последующего охлаждения сплава 81НМА на значение его магнитной проницаемости. Наибольшая магнитная проницаемость достигалась при максимальной температуре 850 оС, скорость нагрева: 300 оС/ч, скорость охлаждения: до 600 оС - со скоростью 50 оС/ч, от 600 оС до 400 оС - со скоростью 400 оС/ч, до T<100 оС - со скоростью 100 оС/ч.
3. Получены зависимости напряженности поля от глубины проникновения в проводящие вещества с различной электрической проводимостью(7,96-54 МСмм), иллюстрирующие степень проникновения электромагнитного поля в проводящее вещество при малом обобщенном параметре.
4. Установлено, что разработанный сверхминиатюрный ВТП с сердечником пирамидальной формы и изготовленный из сплава 81НМА, отожжённого по определенной методике, с диаметром измерительной катушки 0,1 мм, способен локализовать магнитное поле на участке от 2500 мкм2 и получать отклик от неоднородностей вещества, находящихся на глубине 5 мм. Показана эффективность дифференциальной схемы включения преобразователей при поиске дефектов глубокого залегания.
5. Обнаружено, что при условии достаточной локализации магнитного поля и эффективной обработке получаемого сигнала с использованием селективного усиления и фильтрации возможно фиксировать очень слабые изменения электромагнитного поля(от 5 Ам) при максимальной напряженности поля (соответствующей бездефектной части образца) до 2500 Ам.
6. Установлены зависимости между выходным сигналом ВТП и различными параметрами дефектов(геометрические размеры, глубина залегания, форма и тип дефекта) в металлах, сплавах, слоистых композитах и сварных швах.
Практическая значимость работы.
Практическая ценность работы заключается в создании комплексной системы вихретоковой дефектоскопии, разработанной на основе миниатюрных и сверхминатюрных вихретоковых преобразователей, позволяющих определять различные физико-механические свойства вещества, концентрацию, размер и глубину дефектов, залегающих на поверхности и в глубине вещества. С помощью разработанной измерительной системы можно производить анализ качества сварных швов в различных проводящих материалах. Измерительную систему можно использовать для сканирования структур типа металл-диэлектрик-металл. Разработанная измерительная система используется в институте физики прочности и материаловедения Сибирского Отделения Российской Академии Наук для сканирования алюминиево-магниевых сплавов(акт о внедрении) и на Бийском котельном заводе.
В рамках диссертационного исследования были выполнены следующие научно-исследовательские работы:
Грант Администрации г. Барнаула «Оптимизация конструкции программноаппаратного комплекса для неразрушающего контроля высокотехнологических изделий, микро- и наноструктурных материалов»
Грант Алтайского государственного университета по программе стратегического развития для аспирантов, преподавателей и молодых ученых «Разработка дефектоскопа слоистых композитов, изделий и сварных конструкций из дюралюминия»
Контракт с Алтайским государственным университетом №1694-44/14. Исследование и анализ дефектной структуры образцов алюминиево-магниевого сплава.
Грант Фонда содействия инновациям малых форм предприятий в научнотехнической сфере, договор 5673ГУ2/2014 «Разработка конструкции программноаппаратного комплекса предназначенного для многопараметрового неразрушающего контроля высокотехнологических изделий, микро- и наноструктурных материалов»
Грант Российского фонда фундаментальных исследований 17-48-220044 р_а, «Создание и исследование высокоэффективных композиционных и наноструктурированных упрочняющих покрытий»
Грант Российского фонда фундаментальных исследований 18-38-00272 мола «Исследование сплавов, композиционных и полупроводниковых материалов, сверхтонких проводящих пленок с помощью миниатюрных и сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей»
Апробация работы:
1. Вторая Международная выставка «Измерения, мир, человек — 2012» проходившая на базе Алтайского государственного технического университета 28-29 марта 2012 года в г. Барнауле, по итогам которой Маликов В.Н получил серебряную медаль;
2. Двенадцатая Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи, проходившая в г. Москве 25-28 июня 2012 года, по итогам которой Маликов В.Н получил премию «Победитель»;
3. Пятая международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики», проходившая на базе Томского Государственного университета в г. Томске 1-7 октября 2012 года;
4. Третья Международная выставка «Измерения, мир, человек — 2013» проходившая на базе Алтайского государственного технического университета 10-11 апреля 2013 года в г. Барнауле, по итогам которой Маликов В.Н получил золотую медаль ;
5. Тринадцатая Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи, проходившая в г. Москве 25-28 июня 2013 года, по итогам которой Маликов В.Н получил диплом;
6. Всероссийская молодежная школа-конференция «Неразрушающий контроль-2013», проходившей на базе Национального Исследовательского Томского Политехнического Университета в рамках всероссийской конференции с международным участием «Sibtest-2013» 12-17 августа 2013 г, по итогам которой Маликов В.Н получил наградной диплом первой степени.
8. Четвертая Международная выставка «Измерения, мир, человек — 2014» проходившая на базе Алтайского государственного технического университета 23-25 апреля 2014 года в г. Барнауле, по итогам которой Маликов В.Н.. получил золотую медаль;
9. Двенадцатая Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи, проходившая в г. Москве 23-27 июня 2014 года, по итогам которой Маликов В.Н. получил диплом;
10. Международная конференция «Современные проблемы физики», г. Москва, Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, 10-13 апреля, 2014 г., по итогам которой доклад Маликова В.Н. получил диплом за лучший доклад на русском языке и диплом за практическую значимость изобретения;
11. Международная конференция «Электротехника. Энергетика. Машиностроение.», г. Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет, 4 декабря 2014 г. по итогам которой доклад Маликова В.Н. занял второе место.
12. IV международная молодежная научная школа-конференция «Современные проблемы физики и технологий» 17-22 марта 2015 года, г. Москва, Научно-исследовательский ядерный университет МИФИ.
13. III всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Космическое приборостроение», 8 - 10 апреля 2015, г. Томск.
14. Пятая международная выставка научно-технических и инновационных разработок "Измерения. Мир. Человек.-2015" проходившая на базе Алтайского государственного технического университета 12-15 мая 2015 года в г. Барнауле, по итогам которой Маликов В.Н получил серебряную медаль.
15. Международная научно-техническая конференция "Пром- Инжиниринг", 22-23 октября, 2015, г. Челябинск.
16. X Международная Конференция "Механика, ресурс, диагностика материалов и конструкций", г. Екатеринбург, с 16 мая 2016 г. по 20 мая 2016 г. по итогам которой были опубликованы тезисы докладов
17. Международная конференция и Молодежная школа «Материалы и технологии новых поколений в современном материаловедении» Национальный исследовательский Томский политехнический университет 9-11 ИЮНЯ 2016 Г. Томск, Россия
18. Международная научная выставка научно-технических и
инновационных разработок "Измерения. Мир. Человек. - 2016", Барнаул,
Алтайский государственный технический университет, 19-20 мая, 2016 г., по итогам которой была получена серебряная медаль.
19. V Международная конференция студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее», Национальный исследовательский Томский политехнический университет, , 3 - 8 октября 2016 г., по итогам которой был получен диплом за первое место
20. КОНКУРС OPEN INNOVATIONS STARTUP TOUR, Барнаул, Алтайский государственный технический университет, 16-17 марта 2017 года - диплом за 2 место и диплом от Фонда содействия развитию малых форм предприятий
21. 7-ая международная выставка научно-технических и инновационных разработок "Измерения, мир, человек-2017", г. Барнаул, Алтайский государственный технический университет, 17-18 мая, 2017 г., по итогам которой была получена золотая медаль.
Использование результатов работы.
Результаты исследований и разработанный прибор внедрены в исследовательские работы лаборатории контроля качества материалов и конструкций Института физики прочности и материаловедения Сибирского Отделения Российской Академии Наук для исследования дефектов соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием корпусных и конструкционных элементов из дюралюминиевых сплавов (Приложение 1).
Интеллектуальная собственность
1) Патент 2564823 от 10.10.2015«Устройство для обнаружения дефектов малых линейных размеров», авторы Ишков Алексей Владимирович (RU), Дмитриев Сергей Федорович (RU), Маликов Владимир Николаевич (RU) (приложение 2)
2) Патент 2639592 от 21.12.2017 «Дефектоскоп для сварных швов», авторы Ишков Алексей Владимирович (RU), Дмитриев Сергей Федорович (RU), Маликов Владимир Николаевич (RU), Катасонов Александр Олегович (RU) (приложение 3)
Методологические основы исследования.
Методологической основой исследования служили научные работы крупных российских и иностранных ученых в сфере неразрушающего контроля, физики конденсированного состояния вещества и металловедения, обработки металлов и сплавов, сварки. Для решения поставленных в работе задач использовались качественные методы отжига и охлаждения сплавов, точной лазерной обработки сердечников, высокотехнологичные способы намотки проволоки на сердечники сверхмалых размеров.
Степень достоверности полученных результатов.
Достоверность полученных в работе результатов, аргументированность заключений и выводов диссертации обеспечивается экспериментальными подтверждениями выдвинутых положений, применением математических способов обработки экспериментальных данных и определения погрешностей измерений.
Достоверность полученных данных подтверждается неоднократным проведением экспериментов на различных объектах.
Результаты экспериментов, представленные в данной работе, согласуются с ранее опубликованными результатами в работах в области их пересечения.
Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов вихретоковой дефектоскопии. Разработанная методика измерений тестировалась на модельных объектах с известными дефектами. При этом было получено полное соответствие полученных результатов с данными на модельных объектах: пластины из технического титана марки ВТ1-0, соединенные с помощью сварных швов, пластины из сплава Al-Mg(Al-94%, Mg-3%), структуры металл-диэлектрик,
представляющие из себя чередование алюминиевых и полиэтиленовых слоев, полупроводниковых материалов As-In, As-Ga. Данные вихретоковой дефектоскопии, полученные в ходе выполнения данной работы, сопоставлялись с данными, полученными с помощью других физических методов неразрушающего контроля.
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований. Положения теории основываются на известных достижениях фундаментальных и прикладных научных дисциплин, сопряженных с предметом исследования диссертации.
Обоснованность результатов, выдвинутых соискателем, основывается на согласованности данных эксперимента и научных выводов.
Достоверность теоретических результатов работы подтверждается экспериментальными данными, представленными в известных работах других авторов.
Личный вклад автора.
Все основные теоретические исследования и выводыдиссертации получены соискателем самостоятельно. Экспериментальные данные получены в группе при непосредственном участии соискателя. Автором лично предложено использование системы фильтрации в программно-аппаратном комплексе и реализация системы обработки сигнала, несущего информацию об объекте контроля.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Использование измерительных систем, основанных на сверхминиатюрных ВТП и системах фильтрации и обработки сигнала, значительно улучшает локализацию и глубину проникновения электромагнитного поля в сравнении с известными ранее аналогичными системами.
2. Существенное влияние на эффективность вихретокового метода контроля оказывает материал и форма сердечника ВТП. Сердечник пирамидальной формы, изготовленный из материала, отожжённого по специальной температурной методике с целью достижения максимальной магнитной проницаемости, значительно повышает локализацию магнитного поля преобразователя.
3. Использование оригинальной системы фильтрации и селективного усиления позволяет выделять слабые полезные сигналы, несущие информацию об объекте контроля и отсеивать помехи, что способствует обнаружению сверхмалых дефектов глубокого залегания
4. Исполнение разработанной системы в формате виртуализированного прибора позволяет реализовать широкий спектр приборных измерительных функций в одной компьютерной программе. В числе данных функций: поиск дефектов в проводящих материалах, определение электропроводности материалов, измерение толщины непроводящих покрытий, оценка напряженности магнитного поля.
Публикации.
В процессе выполнения диссертационной работы опубликовано 48 научных трудов, в том числе: 17 статей в научных журналах и изданиях, входящих в перечень Web of Science и Scopus, 9 статей в ведущих рецензируемых периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК, 25 статей и докладов, других научных изданиях; получено два патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 142 наименований и 3 приложений. Работа содержит 154 страницы основного текста, включая 76 рисунков и 5 таблиц.
Автор искренне признателен за помощь в работе научному консультанту, к.т.н., доценту Дмитриеву Сергею Федоровичу, научному руководителю, д.ф-м.н., проф. Сагалакову Анатолию Михайловичу, инженеру ООО «НПФ «Гамма-Тест» Катасонову А.О.
Купить

В результате выполненной работы получил дальнейшее развитие метод вихретокового неразрушающего контроля, основанный на использовании сверхминиатюрных накладных вихретоковых преобразователей
трансформаторного типа [126-143]. На основе разработанного вихретокового преобразователя создан программно-аппаратный комплекс, позволяющий управлять работой вихретокового преобразователя и обеспечивать удобную визуализацию полученных данных с возможностью отображения различных параметров исследуемого объекта. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие выводы:
1. Использование сверхминиатюрных ВТП и систем обработки сигнала, значительно улучшает локализацию и глубину проникновения электромагнитного поля.
2. Сердечник ВТП специальной формы, изготовленный из материала, отожжённого по специальной температурной методике с целью достижения максимальной магнитной проницаемости, значительно повышает локализацию магнитного поля преобразователя.
3. Система обработки сигнала позволяет выделять слабые полезные сигналы, несущие информацию об объекте контроля, что способствует обнаружению сверхмалых дефектов глубокого залегания
4. Исполнение разработанной системы в формате виртуализированного прибора позволяет реализовать широкий спектр приборных измерительных функций в одной компьютерной программе. В числе данных функций: поиск дефектов в проводящих материалах, определение электропроводности материалов, измерение толщины непроводящих покрытий, оценка напряженности магнитного поля.

Купить