автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование и разработка метода неразрушающего контроля качества никелевых и никель-хромовых покрытий узлов жидкостных ракетных двигателей

На правах рукописи

005051

Калошин Валентин Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА НИКЕЛЕВЫХ И НИКЕЛЬ-ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ УЗЛОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013 4 Аі ІР 2013

005051409

Работа выполнена ОАО «НПО ЭНЕРГОМАШ им. Акад. В.П. ГЛУШКО»

Научный руководитель

доктор технических наук Артемьев Б.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шелихов Геннадий Степанович

доктор технических наук, профессор Шкатов Петр Николаевич

Ведущая организация

ЗАО НПЦ «Молния»

Защита диссертации состоится «17» апреля 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д520.010.01 при ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО „Спектр"» по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, д. 35, стр. 1.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, направлять по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, д. 35, сгр. 1, учёному секретарю диссертационного совета Д520.010.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «Спектр».

Автореферат разослан < ірта 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д520.010.01,

Н. Р. Кузелёв

доктор технических наук, профессо]

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время ракетно-космическая техника находит все более широкое применение в различных областях науки и техники. При этом на первый план выходит вопрос повышения надежности и технологичности конструкции, а также снижения стоимости ее изготовления и эксплуатации. Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), являющиеся сегодня основой силовых установок большинства космических ракет, по стоимости разработки и производства составляют (20-40)% стоимости ракеты. Поэтому весьма актуальной задачей является снижение затрат на разработку, изготовление и эксплуатационные расходы ЖРД.

Нанесение на поверхность деталей и узлов ЖРД различных металлических и неметаллических покрытий с целью придания им специальных свойств является необходимым условием обеспечения их надежности работы. Поэтому одним их основных показателей качества двигателя является обеспечение необходимой толщины покрытия. В связи с этим весьма актуальным становится разработка приборов и методик для надежного определения толщины таких специфических для ЖРД видов покрытий как толстослойных никелевых, двухслойных никель-хромовых покрытий и двухсторонних никелевых покрытий. Никелевое гальваническое покрытие не является однородным по своим свойствам, а его магнитные свойства во многом зависят от технологических факторов при его нанесении, основными из которых являются внутренние напряжения, загрязнение и температура электролита, скорость его прокачки. Данные факторы зачастую становятся непреодолимым препятствием для неразрушающего контроля толщины данных покрытий. Поэтому разработка и апробация алгоритмов контроля для решения задачи надежного контроля толщин никелевых и никель-хромовых покрытий является актуальной задачей, направленной на повышение качества ракетной техники. В настоящее время ни один из представленных на мировом рынке неразрушающего контроля толщиномеров не обеспечивает должную точность и функциональность при определении толщины никелевых и никель-хромовых покрытий.

Объектом исследований в работе является магнитный пондеромоторный метод, основанный на автоматическом прецизионном измерении силы притяжения постоянного магнита к поверхности испытуемого покрытия, который, несмотря на значительный прогресс современной измерительной электронно-вычислительной техники, не утратил своей актуальности, а в последнее время начал приобретать исключительно важное значение благодаря новым конструктивным решениям и методикам измерения.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка алгоритмов, методик и средств контроля толщины никелевых, никель-хромовых и двухсторонних никелевых покрытий узлов ЖРД. Для этого в работе проводятся:

- исследования влияния параметров намагничивания ферромагнитного никелевого покрытия, структуры покрытия и его внутренних напряжений на отрывную силу постоянных магнитов, имеющих различную магнитную индукцию;

- теоретическое исследование особенностей магнитного контроля толщины никелевых и никель-хромовых покрытий в сильных и слабых магнитных полях;

- расчет рабочих параметров контроля и оценка прогнозируемой погрешности измерений получаемых в разрабатываемых методиках.

Основные задачи

Основные задачи, которые необходимо решить для достижения указанной цели, состоят в следующем:

1. Исследование влияния параметров намагничивания на эффективность метода магнитного контроля и определение оптимальных диапазонов их использования.

2. Исследование условий применения магнитной толщинометрии в сильных и слабых магнитных полях для контроля никелевых и хромовых покрытий.

3. Разработка алгоритма анализа влияния параметров намагничивания ферромагнетика на отрывную силу постоянного магнита.

4. Исследование возможностей использования магнитных и вихретоковых толщиномеров для контроля никелевых и хромовых покрытий элементов ЖРД.

5. Разработка макетного образца толщиномера для контроля никелевых и хромовых покрытий элементов и деталей сборочных единиц (ДСЕ) ЖРД.

6. Исследование влияния механических напряжений и структуры никелевых покрытий на погрешность измерения толщины покрытий ДСЕ ЖРД магнитными толщиномерами.

Научная новизна

1. Установлено влияние различных способов намагничивания ферромагнетика на отрывную силу постоянного магнита.

2. Предложен, разработан и изготовлен имитатор ЖРД для целей исследования возможностей контроля, по геометрическим параметрам соответствующий требованиям конструкторской документации к камерам сгорания (КС) ЖРД.

3. Установлены зависимости влияния механических напряжений и структуры никелевых покрытий ДСЕ ЖРД на погрешность измерений магнитных толщиномеров.

4. Предложен и разработан алгоритм контроля структуры толстослойных никелевых покрытий элементов ЖРД, в котором реализована компенсация напряжений и учтены особенности структуры покрытий.

5. Разработаны алгоритм и методика контроля двухслойных никель-хромовых и никелевых покрытий КС ЖРД.

6. Теоретически исследованы различные режимы контроля с использованием метода магнитной толщинометрии в сильных магнитных полях.

Практическая ценность н внедрение результатов работы

Практическая ценность работы состоит во внедрении и оптимизации комплекса научно-методических и технических решений, разработке на базе этого комплекса специализированных средств магнитного контроля ЖРД для использования предприятиями ракетно-космической отрасли.

При участии и под руководством автора реализованы и внедрены в конструкторскую документацию (КД) ЖРД методики и технические условия на контроль составных частей ЖРД с нанесенными конструкционными и технологическими покрытиями:

- КС без смесительной головки (имитатор);

- дозвуковой части сопла КС;

- сверхзвуковой части сопла КС;

- внешней силовой оболочки;

- внутренней огневой стенки с оребренной наружной поверхностью.

По результатам работы был создан алгоритм контроля, позволивший решить задачу обеспечения расчетного теплового режима работы двигателя, а, следовательно, и обеспечения необходимого ресурса ЖРД.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Аналитические выражения для величины отрывного усилия постоянного магнита от никелевого покрытия заданной толщины, но имеющего различное значение магнитной проницаемости.

2. Методика раздельного определения толщины никелевого покрытия и магнитной проницаемости с помощью приборов, имеющих постоянные магниты с различной намагниченностью.

3. Методика отстройки от влияния напряжений и особенностей структуры покрытий на показания магнитных толщиномеров при контроле толстослойных никелевых покрытий в диапазоне толщин 300-700 мкм.

4. Методика определения толщины хромового покрытия в диапазоне 50-120 мкм на никелевом подслое различной толщины.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на 7 международных и отечественных конференциях и семинарах по методам и средствам неразрушающего контроля:

1.19 Международная конференция и выставка «Современные метода и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (Ялта, 2001);

2. «Международная научно-техническая конференция «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» (Могилев, 2004).

3. IX Европейская конференция по неразрушающим методам контроля (Берлин, 2008).

4.7-я Международная конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2008);

5. Отраслевая конференция «Актуальные проблемы неразрушающего контроля качества космической техники» (Санкт-Петербург, 2008).

6. XIX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике (Самара, 2011г);

7. Отраслевая конференция «Проблемы контроля качества пайки и конструкционных покрытий наносимых на камеры ЖРД РКТ» (Москва, 2012).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 21 печатная работа, в том числе в ведущих рецензируемых ВАК научных журналах - 6 печатных работ. На технические решения, реализованные в разработанных методиках и приборах получены 1 патент на полезную модель, 1 патент на изобретение и 8 авторских свидетельств.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов и результатов работы, библиографического списка использованной литературы, включающего 102 наименования.

Диссертационная работа содержит 120 страниц машинописного текста, 20 таблиц и 40 рисунков.

Во введении приведено обоснование актуальности выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, основные задачи исследования, научная новизна, изложены сведения об апробации, практической ценности и реализации результатов работы.

В первой главе обосновывается важность решаемой в диссертации проблемы контроля толщин специальных покрытий камер ЖРД нового поколения, способных без потери качества проходить многократные огневые испытания. Приводятся характеристики современных российских и зарубежных толщиномеров покрытий. Анализ приведенных приборов показал, что за исключением токовихревого толщиномера ТЛ, с помощью которого была решена задача контроля толщины немагнитного покрытия на слабомагнитной стали ВНС все известные приборы не могут быть использованы для решения проблемы контроля толщины толстослойных никелевых, никель-хромовых покрытий и двухсторонних никелевых покрытий. Для этого необходимо разрабатывать специальные приборы и алгоритмы. Как показала практика, наиболее подходящим объектом исследований для решения существующей проблемы является магнитный пондеромоторный метод контроля, использующий сильные магнитные поля.

Во второй главе приведены исследования влияния характера намагниченности постоянного магнита на его отрывную силу и описан процесс измерения толщины толстослойных никелевых покрытий в слабых и сильных магнитных полях. Показано, что с достаточной для практики точностью связь отрывной силы магнита с толщиной никелевого слоя можно описать на основе метода зеркальных изображений следующим аналитическим выражением:

где а — полюсное расстояние постоянного магнита, м; ц - магнитная проницаемость покрытия, А м; ц — магнитный заряд ближайшего к покрытию полюса, м; Ь - толщина

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

(1)

никелевого покрытии, м; п - количество изображений взятое для расчета; Кр — коэффициент пропорциональности, Н/м2.

Уравнение (1) содержит два неизвестных: А и ц. Для их раздельного нахождения необходимы два измерения с различными магнитами. Как следует из уравнения (1), при этом достаточно изменить любой параметр магнита. Это изменение можно подобрать таким, что в одном случае будет большая чувствительность к А, а в другом - к ц.

Формально для этих магнитов можно составить систему двух уравнений: ^ =/(?„, в™,

где ® - магнитная восприимчивость постоянных магнитов; 5 — площадь торцевой поверхности постоянных магнитов; к - коэффициент, учитывающий характер распределения плотности заряда по поверхности 5!

Из системы уравнений (2) можно графически приближенно найти Ли//. Действительно, если рассматривать систему (2) в координатах (У7! Л), то в общем случае получим два семейства пересекающихся кривых. Каждая кривая одного семейства соответствует постоянному значению А, каждая кривая второго семейства — постоянному значению 11. Через каждую точку будут проходить только две кривые, соответствующие заданному сочетанию А и ц. Координатами же точки являются показания приборов и. /^2. Следовательно, по двум показаниям различных приборов можно однозначно графически определить как толщину Л, так и ц, не прибегая к аналитическому решению системы

Для проверки полученных результатов были изготовлены специальные серии образцов из никеля. Сочетая деформацию и отжиг, были получены образцы с различной толщиной А и одинаковым значением ц и образцы с разным ц и одинаковой толщиной Л. При этом считалось, что, так как все образцы изготавливались из одной заготовки, то значение ц зависело от уровня внутренних макро- и микронапряжений, созданных деформацией. Естественно, что максимальное значение ц было у тех образцов, которые последней операцией имели отжиг. Минимальное значение ц было у образцов, которые последней операцией имели пластическую деформацию на максимальную величину (деформация производилась прокаткой и определялась как е = ДеШ, где Л - толщина образца до деформации). Применяя промежуточный отжиг и деформацию на различную величину, был получен необходимый для градуировки приборов набор эталонных (контрольных) образцов. Величина внутренних макро- и микронапряжений в образцах определялась методом рентгеноструктурного анализа на аппарате ДРОН-1.

Измерения отрывной силы производились двумя приборами: с постоянным магнитом, имеющим стержневую форму с полусферическим наконечником (F\) и с постоянным магнитом, у которого наконечник был выполнен из магнитомягкого материала (F2). На рис. 1 показаны кривые при ц = const и h = const в координатах (FP2J постоянного магнита.

ОТВ. ед.

Рис. 1. К вопросу о влиянии магнитной проницаемости ft и толщины h никелевого покрытия на отрывную силу постоянных магнитов АВ и А'В' - кривые (сплошные кружки), полученные для толщин никелевого покрытия hi = 400 мкм и /¡2= 500 мкм; ВВ' и АА' (полые кружки) - кривые, полученные для jui = const отожженных и [А2 — const (¿12 > ц 1) деформированных образцов покрытий

(е = 25%)

Из графика на рис. 1 видно, что для сильного магнита (ц\) измеряемая отрывная сила ЛF характеризует, прежде всего, именно толщину покрытий h в то время, как для слабого магнита (//л) измеренное значение определяется не только значением А, но и в значительной степени самим значением магнитной восприимчивости fi.

В третьей главе проводятся исследования влияния структуры и внутренних

напряжений никелевых покрытий на показания магнитных толщиномеров. Исследования

проводились с постоянными магнитами, имеющими различную индуктивность. Объектом

исследования являлись никелевые покрытия, нанесенные на бронзовые пластинки. С

одного образца бронзовая подложка была удалена путем травления. Толщина никелевого

покрытия на бронзовой пластинке была 350 мкм, толщина отдельного никелевого

9

покрытия - 420 мкм. В дальнейшем покрытия подвергались электротравлению с одной или двух сторон (режим электротравления: плотность тока 0,6-0,8 А/см2; температура 20°С; электролит - 60% НгБО^ 40% НгО). Структура как в исходном состоянии, так и после каждого электротравления исследовалась методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-1. Определялись такие параметры структуры, как интенсивность линий (111), (200) и (220), положение их центра тяжести и величина физического уширения. По этим параметрам можно судить о текстуре, величине микро- и макронапряжений в покрытии. При этом в качестве эталона для определения инструментальных эффектов использовался хорошо отожженный образец поликристаллического никеля.

Постоянные магниты, используемые в трех экспериментах, изготавливались из различных материалов. Первый магнит был изготовлен из материала БтСоб, второй — также из материала 5тСо5, но имел наконечник из магнитомягкого материала, третий магнит - из сплава 52КФТМ и тоже имел наконечник из магнитомягкого материала. Это позволило создать в покрытии поля различной величины. О величине полей можно судить по величине индукции у торца магнитов, которая была равна, соответственно, 0,51; 0,15 и 0,04 Тл. На основании проведенных экспериментов было установлено, что практически полная отстройка от влияния структуры образца на всех толщинах, вплоть до толщины покрытия 420 мкм, происходила при индукции более 0,5 Тл. Учитывая, что величина индукции цилиндрических постоянных магнитов определяется площадью торцевой поверхности, была получена таблица, связывающая максимальные значения толщины покрытий, с величиной радиуса Д постоянных магнитов, обеспечивающей отстройку от структуры и внутренних напряжений.

Таблица 1. Предельная толщина покрытия для различных магнитов

0,10 0,20 0,30 0,50 0,60 0,70

Я, ММ 0,92 1,46 2,00 3,08 3,63 4,17

В четвертой главе исследуется контроль толщины двухслойных никель-хромовых покрытий, нанесенных гальваническим путем на немагнитное основание. Изменение отрывной силы постоянного магнита с высокой индукцией порядка 0,5 Тл при контроле двухслойных покрытий показано на рисунке 2.

Рис.2. Зависимость силы притяжения постоянного магнита F к двухслойному никель-хромовому покрытию от его толщины Л

Кривая 1 FQinO характеризует рост отрывной силы с увеличением толщины никелевого слоя при отсутствии хромового покрытия. При нанесении хромового покрытия отрывная сила падает, что отображается прямыми 2-6. Основной вывод, который следует из рисунка: показания прибора для двухслойного покрытия в исследованном диапазоне толщин (0,08 < hm > 0,40мм; her ^ 0,15мм) линейно зависят от толщины хромового покрытия, а угол наклона этих прямых однозначно определяется толщиной никелевого покрытия (рис.3).

t97

0,6

0,5 0,4 0,3 0,2

50 100 150 200 250 300 h_ MKM

Рис.3 Зависимость тангенса угла наклона кривых F(hcr) от толщины никелевого покрытия.

Полученные закономерности можно объяснить на основе метода магнитных зеркальных изображений. Поскольку в приборах используется удлинённый

11

цилиндрический магнит, сила взаимодействия определяется только ближайшим к покрытию полюсом и равна

■IE

1

(3)

где д - расположенный в полюсе магнита магнитный заряд, А- м; а - полюсное расстояние магнита, м; ц - относительная магнитная проницаемость никеля, п - количество

При q = const наклон однозначно определяется толщиной никеля, причём с ростом hm растёт и F, что тоже соответствует экспериментальным результатам.

Из приведённых выше рассуждений очевидно, что условие q = const (в смысле независимости и от поля и от состояния структуры никелевого покрытия) будет достаточно хорошо выполнимо, если эффективно взаимодействующая с магнитом область покрытия находится в состоянии насыщения или в близком к магнитному насыщению состоянии. Численное значение q = q,^, в этом случае определяется материалом покрытия и слабо зависит от плотности дефектов кристаллической решётки и внутренних напряжений. Применяемые в экспериментах магниты диаметром 4 мм из сплава КС37А (кобальт-самарий) или NdFeB (ниодим-железо-бор) создавали у конца поле порядка 0,4 Тл, и условие подхода к насыщению выполнялось.

Если для измерения hm требуются постоянные магниты с высокой индукцией, то для измерения her наиболее подходят магниты с относительно низкой индукцией и малым полюсным расстоянием. Реализовать на практике такие измерения можно с помощью двух приборов, имеющих различные по форме и размерам постоянные магниты и чувствительные пружинные элементы. Так для измерения никелевых покрытий использовались магниты из сплава NdFeB с диаметром сферического наконечника 4 мм, а для измерения толщины хромовых покрытий -1мм.

Для измерения толщины хромового покрытия сначала измеряется отрывная сила прибором с постоянным магнитом, имеющим малое полюсное расстояние (так называемым "хромовым прибором") на непокрытой поверхности образцов никелевого покрытия различной толщины и путем наложения на них немагнитных пленок строим зависимости F(hcr) в виде номограмм, изображенных на рис.4.

Главное отличие этой номограммы от кривых F(h„) на рис. 2 состоит в том, что здесь привязка зависимостей F(hcr) осуществляется не к толщине никелевого покрытия, а к показаниям "хромового прибора", которые являются функцией уже не только толщины

изображений; Кг— коэффициент пропорциональности, Н/м2.

никеля, но и магнитных свойств никеля, вследствие того, что внешнее поле недостаточно для достижения магнитного насыщения. Поэтому связь между показаниями "никелевого прибора" и "хромового прибора" на непокрытой поверхности никелевого покрытия будет неоднозначной. Использование "хромового прибора" с малым полюсным расстоянием позволяет увеличить чувствительность измерений, что хорошо видно сопоставляя рис.2 и рис.3.

Рис.4. Номограмма зависимости усилия отрыва постоянного магнита от толщины хромового покрытия.

С помощью полученной номограммы можно достаточно просто определять толщину хромовых покрытий по следующему алгоритму. Производится измерение отрывной силы "хромовым прибором" на непокрытой поверхности никелевого покрытия, отмечаются координаты точки на контролируемом изделии, в которой производилось это измерение, находим начальную точку Р(ксг), а значит и рабочую зависимость Г(ксг). После нанесения хромового покрытия измеряется отрывную силу "хромовым прибором" в отмеченной ранее точке изделия и по рабочей зависимости определяется толщину хромового покрытия.

В этой главе также рассматривается вопрос контроля толщин двусторонних гальванических никелевых покрытий на тонких немагнитных материалах, где на результат измерения оказывает влияние не только измеряемая накладным преобразователем толщина никеля на лицевой стороне, но и его толщина на обратной стороне контролируемого изделия.

На основании схемы взаимодействия постоянного магнита с двухсторонним покрытием, показанной на рис. 5 получены зависимости усилия отрыва постоянного магнита при измерениях образца с лицевой стороны.

Рис.5 Схема взаимодействия постоянного магнита с двухсторонним покрытием

Для образца заданной толщины (фиксированной толщины немагнитного основания) для величины отрывного усилия магнита имеем

Р = К1Ь1+К,Ь3.> (4)

где /ч = К\И\ и 7*2 = Кг Иг - отрывные усилия постоянного магнита, обусловленные толщинами покрытий на лицевой Л1 и обратной Л2 сторонах образца, соответственно,

и Кг — коэффициенты, зависящие от параметров постоянного магнита и немагнитной прослойки А.

Коэффициент К\ можно определить, измеряя одностороннее покрытие на лицевой стороне изделия. Для нахождения коэффициента Кг измеряют (для заданного Ь) отрывные усилия при постоянной величине никелевого покрытия на лицевой стороне и переменной толщине никеля на обратной стороне.

Поскольку коэффициенты К] и К2 находятся заранее, получаем значения толщин покрытий на каждой стороне

_ Р1К1 -

кг-к* ■ (5)

К1-К} ■ (6)

•2>0ТН ед.

К, Ж

76 Лг,мкм

Рис. 6. График зависимости (йд) для различных толщин немагнитного основания детали Л (мм): 1 -0,5; 2 - 0,8; 3 - 1,0; 4 - 1,3;5 - 2,0

Л,мм

Рис. 7. Зависимости К2 от толщины немагнитного основания образца h

В пятой главе описаны разработанные автором толщиномеры магнитного пондеромоторного действия, с помощью которых производится контроль никелевых толщин на предприятиях отрасли.

Магнитный толщиномер типа МТА-ТН (A.C. №1173166) выполнен в виде карманного малогабаритного прибора цилиндрической формы. Внешний вид прибора показан на рис.8. Конструктивно прибор состоит из часового механизма, поворотных рычагов (основного и дополнительного), постоянного магнита, прикрепленному к на концу основного рычага, двух спиральных пружин и двух циферблатов (рис.9).

Рис. 8. Внешний вид прибора МТП, а - вид спереди (основная шкала), б - вид сзади (дополнительная шкала)

Для пояснения работы прибора рассмотрим отдельно систему сил, действующих на основной и дополнительный рычаги. На основной рычаг (рис.9) действует сила притяжения магнита к испытуемой детали, сила натяжения основной пружины ^осн= аС 1 (С1 - жёсткость пружины, а - угол закручивания пружины, выраженный в делениях круговой шкалы прибора), а также усилие от дополнительного рычага Плечи приложения этих сил равны аД и Ь соответственно.

'У*'

1ІА

г--—'

Рис.9. Схема нагружения основного рычага 1-магнит, 2-основной рычаг, 3-основная спиральная пружина, 4-дополнительный рычаг, 5-доплнительная спиральная пружина, 6 и 7-отсчетные шкалы

Усилие і7!, передаваемое дополнительным рычагом основному, как видно из рис. 10, обусловлено натяжением дополнительной пружины ^оп и равно:

(7)

где Сг-жбсткость дополнительной пружины, п - угол закручивания дополнительной пружины, выраженный в делениях дополнительной шкалы,/и е - расстояния от точек приложения сил до осей вращения рычага.

Поскольку известны все силы, действующие на основной рычаг, мы можем написать следующее уравнение, характеризующее момент отрыва магнита:

Сфп

Рб = С,аб+-

Отсюда сила притяжения магнита будет:

(8)

Обозначив коэффициенты в уравнении С/— и Сг— через )]] и г/2, можно

а ае

записать:

F = 7^a + /;2« (10)

В этом уравнении г\1 и г\2 являются приведёнными жёсткостями основной и дополнительной пружин.

Наличие в приборе двух пружин, взаимодействующих вышеописанным образом, является основным отличительным признаком приборов МТП. Приборы, в которых используется только одна пружина, имеет либо малую цену деления (прибор ИТП-1,), либо незначительный предел измерения (прибор М1кго1С51).

Из описания конструкции следует назначение основной и дополнительной пружин. Дополнительная пружина для данного диапазона измерений создаёт постоянное усилие натяжения, в то время как натяжение основной пружины меняется под действием пружинного двигателя. Вследствие этого, только угол закручивания основной пружины б будет являться функцией толщины покрытия.

Прибор может иметь несколько диапазонов измерений с неизменной чувствительностью, каждый из которых характеризуется определённой величиной отрывного усилия, создаваемого дополнительной пружиной. Отмеченные преимущества позволяют этому прибору успешно конкурировать с другими известными толщиномерами, а новые методики измерений делают наиболее приемлемым для производственного контроля.

В шестой главе рассматриваются вопросы метрологического обеспечения, в частности, изготовление эталонов покрытий, отличающихся относительной простотой не требующий дорогостоящей доводки оснований эталонов покрытий.

Эталон-подложку, предназначенную для нанесения покрытия, предварительно взвешивают на аналитических весах. Затем наносят на образец исследуемое покрытие. Образец с нанесенным никелевым покрытием измеряют не отградуированным либо приближенно отградуированным толщиномером и находят границы участка, где показания толщиномера постоянны. Затем покрытие в границах найденного участка изолируют, покрывая защитным лаком, а вне границ - удаляют погружением в травильный раствор. Далее снимают защитный лак и образец с оставшимся равномерном слоем покрытия повторно взвешивают.

Определение метрологических характеристик проводится расчетным путем по следующему алгоритму.

а) Определение толщины покрытия на МГ11

h 5.-Ю00, (И)

sy

где h - толщина покрытия, мкм; Р = Рг- Р\- масса эталона до нанесения покрытия и после удаления неиспользуемого покрытия; S - определяется по формуле S = 7tD2/4, см2; D -диаметр приспособления, определяемый с использованием аттестованных измерительных приборов; у - плотность металла покрытия г/см3.

б) Определение относительной погрешности толщины эталона 5

где АР - погрешность взвешивания (аттестованное значение ДР=0,0025 г); AS рассчитывается как S = 7iAD2/4; AD - погрешность определения D; Д - определенная неравномерность покрытия на эталоне.

Эталоны с никелевым покрытием изготавливались следующим образом. Взвешиванием эталона до и после покрытия определили вес В отнеся его к площади S , определяют среднюю толщину покрытия. Затем с помощью толщиномера производится несколько измерений в точках, отмеченных на рис. 10, причем, крайние точки (3 и 3') должны отстоять от края пластинки не менее чем на 3 мм.

После этого вычерчивается график типа, приведенного на рис. 11 так как осаждение металла на краях обычно бывает больше, чем в центре, отрывная сила магнита, а, следовательно, и показания прибора будут возрастать по мере увеличения расстояния от центра. Считая, что изменение толщины покрытия в пределах одного образца вызывает пропорциональное изменение отрывной силы, определяют показание прибора, соответствующее средней толщине покрытия, определенной весовым методом. Это показание прибора бо будет равно ординате прямой АВ, проведенной таким образом, чтобы заштрихованная площадь над прямой АВ равнялась заштрихованной площади под этой прямой. После этого отмечают точки на образце с абсциссами х\ и x¡. В этих точках показания прибора соответствуют найденной средней толщине покрытия. Аналогичные операции проводятся на образцах различной толщины, после чего строится градуировочная кривая 6=f(h)

Рис.10. Образец для определения толщины покрытия методом взвешивания.

А У ч в

* г ) а /' 2' Хг 3

Рис.11. Изменение показаний толщиномера по сечению образца. АВ - показание прибора, соответствующее толщине покрытия, определенной методом взвешивания

Основные выводы и результаты работы

На основании теоретических и экспериментальных исследований магнитного пондеромоторного метода была решена задача контроля толстостенных никелевых, двухслойных никель-хромовых и двухсторонних никелевых покрытий камер сгорания жидкостных ракетных двигателей. В ходе решения поставленной проблемы были получены следующие результаты:

1.С использованием метода магнитных зеркальных изображений получены аналитические выражения для величины отрывных усилий постоянного магнита от никелевого покрытия заданной толщины, но имеющим различное значение магнитной проницаемости.

2. Разработана методика раздельного определения толщины никелевого покрытия и магнитной проницаемости, с помощью приборов, имеющих постоянные магниты с различной намагниченностью, величина которой недостаточна для доведения контролируемого участка никелевого покрытия до состояния магнитного насыщения.

3. Проведенные экспериментальные исследования по оценке влияния различных параметров структуры покрытий, полученных с помощью рентгеноструктурного анализа, на точность определения толщины никелевых покрытий, позволили установить соотношение между предельными толщинами никелевых покрытий, подлежащих

контролю, и необходимыми для обеспечения заданной точности измерений параметрами постоянного магнита (радиус наконечника и намагниченность).

4. Установлено, что основным мешающим фактором при измерении толщины никелевых покрытий магнитным пондеромоторном методом являются внутренние напряжения в покрытии, обусловленные особенностями конкретных технологических процессов нанесения. Экспериментально доказано, что напряжения сжатия в покрытии приводят к занижению измеренных значений толщины покрытия, а напряжения растяжения к завышению показаний приборов, причем величина погрешности прямо пропорциональна абсолютному значению напряжений.

5. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что надежным способом отстройки от влияния напряжений и особенностей структуры покрытий на показания магнитных толщиномеров при контроле толстослойных никелевых покрытий в диапазоне толщин 300-700 мкм является использование в приборах МТА в качестве чувствительных элементов постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов с индукцией не ниже 0,4 Тл, позволяющих создать намагниченность никелевого покрытия, близкую к состоянию технического насыщения.

6. Установлено, что наибольшую точность определения толщины хромового покрытия на никелевом подслое можно достичь при условии привязки градуировочных кривых: усилие отрыва - толщина хромового покрытия не к толщине никелевого подслоя, а к его магнитным свойствам, характеризуемым магнитной проницаемостью. Этому условию удовлетворяют постоянные магниты с индукцией порядка 0,1 Тл и минимальным полюсным расстоянием, т.е. с максимальной чувствительностью к изменению зазора между никелевым подслоем и наконечником постоянного магнита.

7. Получены аналитические выражения, связывающие показания магнитных толщиномеров с толщинами двухсторонних никелевых покрытий с известной толщиной немагнитной прослойки между ними (практический случай контроля лопаток турбонасосных агрегатов). Разработана методика раздельного определения толщины покрытия по двум показаниям приборов в точках покрытий, расположенных на линии, перпендикулярной контролируемым поверхностям.

8. По результатам работы впервые в отрасли разработана штатная КД по использованию методов неразрушающего контроля при производстве ЖРД. Созданы специальные методики и технологии неразрушающего контроля. Приборы успешно внедрены на

головных предприятиях ракетно-космической отрасли, а также в смежных оборонных отраслях.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В ведущих рецензируемых ВАК научных журналах

1. Калошин В.А., Зацепин H.H., Малько И.И., Силюк В.Ф., Перфильев В.В. Электромагнитный прибор ПИНТ-3. // Дефектоскопия, 1977. №2. С. 127.

2. Бакунов A.C., Калошин В.А., Рудаков A.C., Шубочкин С.Е., Толщиномер гальванических покрытий ТЛ-1МП. // Дефектоскопия, 2004. №6. С. 80-84.

3. Лухвич A.A., Лукьянов А.Л., Калошин В.А. Шукевич А.К. Магнитная толщинометрия слабомагнитных мелкодисперсных покрытий. //Дефектоскопия, 2008. № 10. С. 35-42.

4. Бакунов A.C., Шубочкин С.Е., Калошин В.А., Рудаков A.C., Измерение толщины гальванических покрытий на изделиях из металла. // Контроль. Диагностика, 2004. №6. С. 49-51.

5. Калошин В.А. Неразрушающий контроль функциональных гальванических покрытий, наносимых на составные части ЖРД. // Контроль. Диагностика, 2013. №2. С. 10-18.

6. Калошин В.А. Измерение толщины гальванических покрытий под пайку. // Контроль. Диагностика, 2013. №3. С. 16-18.

В прочих изданиях

7. Прохорович В.Е., Шипша В.Г., Кинжагулов И.Ю., Калошин В.А., Лухвич A.A., Рудницкий В.А. Перспективные приборы контроля толщины покрытий элементов жидкостных ракетных двигателей. // В мире неразрушающего контроля, 2012. №2(56). С. 32-34.

8. Лухвич A.A., Шукевич А.К., Лукьянов А.Л., Полоневич A.A., Калошин В.А., Контроль толщины металлокерамических покрытий на изделиях со сложной геометрией. -Тезисы докладов ХГХ Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике (6-8 сентября 2011г., Самара), Москва, Издательский дом Спектр, 2011, С. 71-74.

9. Калошин В.А., Актуальные проблемы неразрушающего контроля качества космической техники: Монография. - Подраздел 1.2-1.4, 1.7 - СПб, Альтеор, 2008.

10. Калошин В.А., Полушкин Е.А., Бакунов A.C. Решение вопросов метрологического обеспечения неразрушающих методов контроля толщин функциональных покрытий

21

деталей ЖРД. - Тезисы док. 7-я Междунар. Конф. «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», Москва, Машиностроение, 2008, С. 194-195.

11. Калошин В.А. Комплексный неразрушающий контроль толстослойных никель-хромовых покрытий ответственных узлов ЖРД. Тезисы докл. 7-я Междунар. Конф. «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». М.: Машиностроение, 2008. С. 195.

Патенты и авторские свидетельства

12. Бакунов A.C., Мужицкий В.Ф., Петров A.A., Калошин В.А., Патент на изобретение №2331841 Толщиномер магнитный, от 20.08.2008, бюлл. №23.

13. Бакунов A.C., Калошин В.А., Мужицкий В.Ф., Онегин М.А., Патент на полезную модель №66545 Толщиномер никелевых покрытий, от 10.09.2007, бюлл. №25.

14. Калошин В.А., Зацепин H.H., Малько И.И., Силюк В.Ф., Перфильев В.В., Авторское свидетельство № 574599 Устройство для измерения толщины, 1977, бюлл. изобр. №36.

15. Калошин В.А., Зацепин H.H., Малько И.И., Силюк В.Ф., Анискович В.М., Науменко H.H., Перфильев В.В., Авторское свидетельство № 892198 Устройство для измерения толщины, 1981, бюлл. изобр. №47.

16. Калошин В.А., Зацепин H.H., Малько И.И., Силюк В.Ф., Рудаков A.C., Авторское свидетельство № 1012012 Толщиномер,1983, бюлл. изобр. №14.

17. Калошин В.А., Маркович Л.Д., Перфильев В.В., Авторское свидетельство № 540125 Способ измерения толщины покрытия, 1976, бюлл. изобр. №47.

18. Калошин В.А., Лухвич A.A., Рудницкий В.А., Шукевич А.К. Гаврис Г.Б., Рудаков A.C., Колоскова Е.К., Авторское свидетельство № 1173166 Способ измерения толщины никелевых покрытий, 1985, бюлл. изобр. №30.

19. Калошин В.А., Бабаджанов Л.С., Николаншвили Ю.Н., Рудаков A.C., Авторское свидетельство № 1037060 Имитатор толщины покрытия, 1983, бюлл. изобр. №31.

20. Kaloshin V.A., Zatsepin N.N., Malko LI., Siljuk V.F., Aniskovich V.M., Naumenko N.N., Perfïliev V.V., Patent USA №4255709 Device for providingan electrical signal proportional to the thickness of a measured coating with an automatic range switch and sensitivity control, 10.03.1981.

21. Kaloshin V.A., Zatsepin N.N., Malko I.I., Siljuk V.F., Aniskovich V.M., Naumenko N.N., Perfiliev V.V., Patent France №2.439.975 Dispositif pour la measure diepaisseurs de revetements, 8.05.1980.

ОАО «НПО ЭНЕРГОМАШ им. Акад. В.П. ГЛУШКО»

На правах рукописи

04201355705

Калошин Валентин Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА НИКЕЛЕВЫХ И НИКЕЛЬ-ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ УЗЛОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.11.13 -Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Артемьев Б.В.

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТОЛЩИНОМЕТРИИ УЗЛОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИНАТЕЛЕЙ. ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ......................................................10

1.1 Состояние проблемы................................................................................10

1.2 Толщиномеры покрытий жидкостных ракетных двигателей и их основные метрологические характеристики...................................................13

1.3 Выводы по главе 1....................................................................................30

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ И СВОЙСТВ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ НАМАГНИЧИВАНИИ В СРЕДНИХ ПОЛЯХ..................32

2.1 Установление влияния характера намагничивания ферромагнетика на отрывную силу постоянного магнита (средние поля)....................................32

2.2 Магнитная толщинометрия в слабых полях (толстые покрытия).......37

2.3 Выводы по главе 2....................................................................................48

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ И ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОКАЗАНИЯ МАГНИТНЫХ ТОЛЩИНОМЕРОВ...................................................................49

3.1 Магнитная толщинометрия узлов жидкостных ракетных двигателей в сильных магнитных полях (тонкие покрытия)................................................49

3.2 Оценка влияния напряженного состояния гальванических никелевых покрытий на показания магнитных толщиномеров........................................56

3.3 Выводы по главе 3....................................................................................63

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ДВУХСЛОЙНЫХ НИКЕЛЬ-ХРОМОВЫХ И ДВУХСТОРОННИХ ПОКРЫТИЙ НА УЗЛАХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ..................................................64

4.1 Магнитный пондеромоторный метод определения толщины двухслойных никель-хромовых покрытий узлов жидкостных ракетных двигателей...........................................................................................................64

4.2 Контроль толшины двухсторонних никелевых покрытий узлов жидкостных ракетных двигателей....................................................................84

4.3 Выводы по главе 4....................................................................................91

ГЛАВА 5. ТОЛЩИНОМЕРЫ ПОКРЫТИЙ МТП, ИХ ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ..............................................................................................92

5.1 Описание конструкции и принципа работы приборов типа МТП..........92

5.2 Выводы по главе.........................................................................................101

ГЛАВА 6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ И АТТЕСТАЦИИ КОНТРОЛЬНЫХ МЕР ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ..........................................102

Выводы по главе 6............................................................................................108

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.....................................110

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................112

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПРОЕКТ ГОСТ Р МАГНИТНЫЙ ПОНДЕРОМОТОРНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ НИКЕЛЕВЫХ И НИКЕЛЬ-ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ...............................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА КОНТРОЛЯ...................143

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. МЕТОДИЧЕСКАЯ ИНСТРУКЦИЯ. МЕРЫ ТОЛЩИНЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ. СЕЛЕКТИВНО-ВЕСОВОЙ МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ................................................................................................145

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. МЕРЫ ТОЛЩИН ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ..............................................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. МЕТОДИЧЕСКАЯ ИНСТРУКЦИЯ. АТТЕСТАЦИЯ МЕР ТОЛЩИН ПОКРЫТИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ СЕЛЕКТИВНО-ВЕСОВЫМ МЕТОДОМ...........................................................................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. АКТ ВНЕДРЕНИЯ.............................................................164

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. АКТ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ МАГНИТНОГО ТОЛЩИНОМЕРА ХРОМ-НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ МТП-ХН................165

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. АКТ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ МАГНИТНОГО ТОЛЩИНОМЕРА НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ МТП-ТН.............................170

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

В настоящее время ракетно-космическая техника находит все более широкое применение в различных областях науки и техники. При этом на первый план выходит вопрос повышения надежности и технологичности конструкции, а также снижения стоимости ее изготовления и эксплуатации. Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), являющиеся сегодня основой силовых установок большинства космических ракет, по стоимости разработки и производства составляют (20-40)% стоимости ракеты [1,2]. Поэтому весьма актуальной задачей является снижение затрат на разработку, изготовление и эксплуатационные расходы ЖРД.

Нанесение на поверхность деталей и узлов ЖРД различных металлических и неметаллических покрытий с целью придания им специальных свойств является необходимым условием обеспечения их надежности работы. Поэтому одним их основных показателей качества двигателя является обеспечение необходимой толщины покрытия. В связи с этим весьма актуальным становится разработка приборов и методик для надежного определения толщины таких специфических для ЖРД видов покрытий как толстослойных никелевых, двухслойных никель-хромовых покрытий и двухсторонних никелевых покрытий [3]. Никелевое гальваническое покрытие не является однородным по своим свойствам, а его магнитные свойства во многом зависят от технологических факторов при его нанесении, основными из которых являются внутренние напряжения, загрязнение и температура электролита, скорость его прокачки. Данные факторы зачастую становятся непреодолимым препятствием для неразрушающего контроля толщины данных покрытий. Поэтому разработка и апробация алгоритмов контроля для решения задачи надежного контроля толщин никелевых и никель-хромовых покрытий является актуальной

задачей, направленной на повышение качества ракетной техники. В настоящее время ни один из представленных на мировом рынке неразрушающего контроля толщиномеров не обеспечивает должную точность и функциональность при определении толщины никелевых и никель-хромовых покрытий.

Объектом исследований в работе является магнитный пондеромоторный метод [4,5,6], основанный на автоматическом прецизионном измерении силы притяжения постоянного магнита к поверхности испытуемого покрытия, который, несмотря на значительный прогресс современной измерительной электронно-вычислительной техники, не утратил своей актуальности, а в последнее время начал приобретать исключительно важное значение благодаря новым конструктивным решениям и методикам измерения.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка алгоритмов, методик и средств контроля толщины никелевых, никель-хромовых и двухсторонних никелевых покрытий узлов ЖРД. Для этого в работе проводятся:

- исследования влияния параметров намагничивания ферромагнитного никелевого покрытия, структуры покрытия и его внутренних напряжений на отрывную силу постоянных магнитов, имеющих различную магнитную индукцию;

- теоретическое исследование особенностей магнитного контроля толщины никелевых и никель-хромовых покрытий в сильных и слабых магнитных полях;

- расчет рабочих параметров контроля и оценка прогнозируемой погрешности измерений получаемых в разрабатываемых методиках.

Основные задачи

Основные задачи, которые необходимо решить для достижения указанной цели, состоят в следующем:

1 Исследование влияния параметров намагничивания на эффективность метода магнитного контроля и определение оптимальных диапазонов их использования.

2 Исследование условий применения магнитной толщинометрии в сильных и слабых магнитных полях для контроля никелевых и хромовых покрытий.

3 Разработка алгоритма анализа влияния параметров намагничивания ферромагнетика на отрывную силу постоянного магнита.

4 Исследование возможностей использования магнитных и вихретоковых толщиномеров для контроля никелевых и хромовых покрытий элементов ЖРД.

5 Разработка макетного образца толщиномера для контроля никелевых и хромовых покрытий элементов и деталей сборочных единиц (ДСЕ) ЖРД.

6 Исследование влияния механических напряжений и структуры никелевых покрытий на погрешность измерения толщины покрытий ДСЕ ЖРД магнитными толщиномерами.

Научная новизна

1 Установлено влияние различных способов намагничивания ферромагнетика на отрывную силу постоянного магнита.

2 Предложен, разработан и изготовлен имитатор ЖРД для целей исследования возможностей контроля, по геометрическим параметрам соответствующий требованиям конструкторской документации к камерам сгорания (КС) ЖРД.

3 Установлены зависимости влияния механических напряжений и структуры никелевых покрытий ДСЕ ЖРД на погрешность измерений магнитных толщиномеров.

4 Предложен и разработан алгоритм контроля структуры толстослойных никелевых покрытий элементов ЖРД, в котором реализована компенсация напряжений и учтены особенности структуры покрытий.

5 Разработаны алгоритм и методика контроля двухслойных никель-хромовых и никелевых покрытий КС ЖРД.

6 Теоретически исследованы различные режимы контроля с использованием метода магнитной толщинометрии в сильных магнитных полях.

Практическая ценность и внедрение результатов работы

Практическая ценность работы состоит во внедрении и оптимизации комплекса научно-методических и технических решений, разработке на базе этого комплекса специализированных средств магнитного контроля ЖРД для использования предприятиями ракетно-космической отрасли.

При участии и под руководством автора реализованы и внедрены в конструкторскую документацию (КД) ЖРД методики и технические условия на контроль составных частей ЖРД с нанесенными конструкционными и технологическими покрытиями:

- КС без смесительной головки (имитатор);

- дозвуковой части сопла КС;

- сверхзвуковой части сопла КС;

- внешней силовой оболочки;

- внутренней огневой стенки с оребренной наружной поверхностью. По результатам работы был создан алгоритм контроля, позволивший

решить задачу обеспечения расчетного теплового режима работы двигателя, а, следовательно, и обеспечения необходимого ресурса ЖРД.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1 Аналитические выражения для величины отрывного усилия постоянного магнита от никелевого покрытия заданной толщины, но имеющего различное значение магнитной проницаемости.

2 Методика раздельного определения толщины никелевого покрытия и магнитной проницаемости с помощью приборов, имеющих постоянные магниты с различной намагниченностью.

3 Методика отстройки от влияния напряжений и особенностей структуры покрытий на показания магнитных толщиномеров при контроле толстослойных никелевых покрытий в диапазоне толщин 300-700 мкм.

4 Методика определения толщины хромового покрытия в диапазоне 50-120 мкм на никелевом подслое различной толщины.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на 7 международных и отечественных конференциях и семинарах по методам и средствам неразрушающего контроля:

1 19 Международная конференция и выставка «Современные метода и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (Ялта, 2001);

2 «Международная научно-техническая конференция «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» (Могилев, 2004).

3 IX Европейская конференция по неразрушающим методам контроля (Берлин, 2008).

4 7-я Международная конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2008);

5 Отраслевая конференция «Актуальные проблемы неразрушающего контроля качества космической техники» (Санкт-Петербург, 2008).

6 XIX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике (Самара, 2011 г);

7 Отраслевая конференция «Проблемы контроля качества пайки и конструкционных покрытий наносимых на камеры ЖРД РКТ» (Москва, 2012).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 21 печатная работа, в том числе в ведущих рецензируемых ВАК научных журналах - 6 печатных работ. На технические решения, реализованные в разработанных методиках и приборах получены 1 патент на полезную модель, 1 патент на изобретение и 8 авторских свидетельств.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТОЛЩИНОМЕТРИИ УЗЛОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИНАТЕЛЕЙ.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ

1.1 Состояние проблемы

Основные пути снижения затрат на изготовление ЖРД заключаются, в первую очередь, в уменьшении количества двигателей и отдельных агрегатов, которые требуются на отработку конструкции и доведении ее до требуемого уровня надежности. При этом каждый экземпляр двигателя и любого агрегата должен допускать многоразовые испытания и иметь, кроме того, достаточный запас надежности до полной выработки ресурса.

Состояние двигателя или агрегата после предыдущего испытания и принятия решения о последующем испытании может быть определено и определяется на основании информации, получаемой после параметрической диагностики и исследований методами неразрушающего контроля (НМК).

Сокращение количества материальной части, выделяемой для экспериментальных работ и отработки конструкции, а также учёт особенностей конструкции современных ЖРД, заключающихся в применении высоколегированных сталей и сплавов, работающих при высоких давлениях и температурах (до 1000 кгс/см2 и до 1000°С) и очень чувствительных к отступлениям от технологии сварки, пайки, термообработки, режимам нанесения покрытий и др., существенно повышает роль НМК в процессе изготовления узлов и агрегатов современных ЖРД.

При создании кислородно-керосиновых двигателей РД-170, РД-171, РД-120 для ракет-носителей нового поколения «Зенит», «Энергия», ракетно-космической системы «Энергия-Буран» в НПО «Энергомаш имени академика В.П. Глушко» впервые была поставлена задача обеспечения пятикратного запаса по ресурсу и количеству включений сверх полетного ресурса двигателя [4]. Это означает, что с учетом двух контрольно-технологических испытаний (основного и резервного) каждый двигатель

10

должен иметь семикратный запас по ресурсу и количеству включений без съема его со стенда. Последнее требование означает увеличение времени работы двигателя сверх полетного минимума в 7 раз без учета гарантийного запаса. В то же время до 2000-го года для двигателей одноразового применения эти запасы составляли 2-2,5 полетных ресурса. В случае многократного полетного использования (например, для РД-170) требуемое гарантийное время работы каждого экземпляра двигателя должно быть на порядок больше, чем привычное для ЖРД однократное применение.

Качество и ресурс работы ЖРД в значительной степени определяется надежностью камеры сгорания, работающей в экстремальных условиях воздействия высоких температур, давлений, агрессивных сред и механических нагрузок. Совокупность всех этих условий и требования многоразовости работы ЖРД обусловливают необходимость применения защитных никелевых и хромовых покрытий внутренних стенок от воздействия высокотемпературной эрозии. Сами покрытия также позволяют обеспечить оптимальный тепловой режим стенки и предотвращают эрозионный унос материала стенок высокотемпературным и высокоскоростным газовым потоком, что обеспечивает стабильность геометрических и прочностных характеристик камеры. Это особенно важно в условиях многоразовых испытаний. Стенки камеры представляют собой сложные конструкции, соединения элементов которых выполнены пайкой. Для обеспечения качественной пайки применяют гальванические никель-медные и серебряные покрытия. В этой связи контроль толщины покрытий приобретает первостепенное значение.

Корпус камеры ЖРД содержит камеру сгорания без смесительной головки и сопло камеры, состоящее из дозвуковой и сверхзвуковой частей. При этом камера сгорания без смесительной головки, дозвуковая часть сопла и сверхзвуковая его часть, по крайней мере, на участке со стороны входа, состоит из внешней силовой оболочки и внутренней огневой стенки с оребренной наружной поверхностью. Внешняя силовая оболочка выполнена

из стали или никелевого сплава, а внутренняя огневая стенка - из меди или медного сплава с металлическим покрытием. Покрытие выполнено слоистым со стороны огневой полости в теплонапряженном месте в районе критического сечения сопла. Протяженность продольного вдоль корпуса покрытия составляет не менее 0,3 диаметров критического сечения. При этом первый слой покрытия на внутренней огневой стенке выполнен из никеля и имеет толщину от 10 до 500 мкм. Величина толщины покрытия на каждом к�