автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Приборы и методы теплового неразрушающего контроля высокотемпературных карбид-кремниевых и оксидных покрытий

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АППАРАТУРНОГО И ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ИОДА НЕРАЗРУШАЩЕГО КОНТРОЛЯ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Характерные особенности структуры и физических свойств объекта исследования.

1.2. Общая характеристика тепловых методов неразрушающего контроля.

1.3. Современный уровень развития способов нагрева материалов и изделий, применяемых при тепловом неразрушающем контроле.

1.4. Специфика аппаратуры теплового неразрушающего контроля и пути ее совершенствования.

1.5. Анализ результатов теоретических исследований теплового неразрушающего контроля.

1.6. Постановка задачи исследований.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СПОСОБОВ АКТИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ИХ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

2.1. Аналитический расчет установившегося температурного поля пленочных покрытий для двустороннего способа активного теплового контроля.

2.2. Критерий выявляемости дефекта для активного теплового контроля пленочных покрытий.

2.3. Условия рационального применения двустороннего способа активного теплового контроля пленочных покрытий со стационарным нагревом подложки.

2.4. Моделирование нестационарных температурных полей для двустороннего способа активного теплового контроля пленочных покрытий.

2.5. Оценка предельной чувствительности двустороннего способа активного теплового контроля пленочных покрытий.

2.6. Математическая модель одностороннего способа актив ного теплового контроля пленочных покрытий с нагре вом движущимся тепловым пучком.

2.7. Критерий оптимального режима работы аппаратуры одностороннего активного теплового контроля с нагревом движущимся тепловым пучком.

2ЛЗ. Влияние микрорасслоений на локальную температуру катодно-подогревательного устройства.

2.9. Краткие выводы по главе.

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСА АППАРАТУРЫ ДЛЯ АКТИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ.

3.1. Портативная тепловизионная установка для активного теплового контроля высокотемпературных пленочных покрытий.

3.2. Портативная тепловизионная установка для активного теплового контроля катодно-подогревательных устройств.

3.3. Технические характеристики портативных тепловизионных установок и методика их определения.

3.4. Сканирующая установка высокого разрешения для активного теплового контроля пленочных покрытий малогабаритных аксиально-симметричных изделий.

3.5. Технические характеристики сканирующей установки высокого разрешения для активного теплового контроля пленочных покрытий малогабаритных аксиально-симметричных изделий.

3.6. Краткие выводы по главе.

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ АКТИВНОГО ТЕПЛОВОГО

КОНТРОЛЯ ПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ.

4.1. Оценка требований к аппаратуре экспресс-контроля пленочных покрытий конкретных изделий при двустороннем способе активного теплового контроля.

4.2. Методика и результаты применения двустороннего способа активного теплового контроля со стационарным нагревом подложки для экспресс-контроля карбид-кремниевых и пирографитовых покрытий.

4.3. Метрологические основы применения двустороннего способа активного теплового контроля со стационарным нагревом подложки для контроля качества карбид-кремниевых покрытий.

4.4. Активный тепловой экспресс-контроль изотермичности эмиссионных покрытий катодно-подогревательных устройств.

4.5. Документированный активный тепловой контроль температурного режима эмиссионных покрытий катодно-подогревательных устройств.

4.6. Инфракрасный нагреватель для одностороннего способа активного теплового контроля пленочных покрытий.

4.7. Односторонний активный тепловой контроль карбид-кремниевых покрытий на металле.

4.8. Краткие выводы по главе.

5. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. При анализе характерных особенностей структуры и физических свойств изделий с высокотемпературными пленочными покрытиями установлено, что они образуют специфический вид продукции,для которого наиболее целесообразно использовать ТНК. В результате обзора публикаций по ТНК показано, что перечень исследованных типов изделий пленочные покрытия не включает. В проведенных расчетах и разработанных физических моделях процесса ТНК используются приближения, справедливые для исследуемых материалов и не соответствующие изделиям с пленочными покрытиями. Отсутствуют специализированные тепловизионные системы, учитывающие особенности выпускаемых изделий и присущие ТНК требования.

2. Для основных способов АТК изделий с пленочными покрытиями - двустороннего со стационарным и ступенчатым нагревом подложки, одностороннего с нагревом движущимся тепловым пучком - предложены адекватные модели процессов теплопередачи, в которых металлическая подложка рассматривается как изотермический тепловой резервуар.

3. Решены стационарная и нестационарная задачи теплопроводности, соответствующие основным способам АТК пленочных покрытий. Выражения для неустановившейся температуры поверхности изделия на дефектном и бездефектном участках найдены в одномерном приближении в виде рядов Фурье в реальном времени. Для описания и анализа температурных полей впервые введено понятие критерия выявляемости дефекта. В результате получены аналитические зависимости между температурными контрастами и ТФХ покрытий, допускающие расчет на ЭЦВМ по стандартным программам.

4. На базе теоретических и экспериментальных исследований основных способов АТК пленочных покрытий впервые в практике ТНК сделана количественная оценка сравнительной эффективности исполь-^ зования двустороннего способа АТК со стационарным и ступенчатым нагревом и одностороннего способа АТК с нагревом движущимся тепловым пучком. Во всех случаях определены условия, от которых зависит выявляемость дефектов пленочных покрытий, и сформулированы критерии их оптимального сочетания, задающие оптимальный режим контроля.

5. На основе математического моделирования основных способов АТК пленочных покрытий и с учетом свойств конкретных изделий разработаны практические рекомендации по осуществлению АТК высокотемпературных пленочных покрытий, а также требования, касающиеся температурных характеристик, геометрической разрешающей способности и конструктивных особенностей соответствующей аппаратуры АТК.

6. Разработан комплекс аппаратуры для АТК высокотемпературных пленочных покрытий, рассчитанный на использование двустороннего АТК со стационарным нагревом и одностороннего АТК с нагревом движущимся тепловым пучком. Комплекс состоит из не имеющих аналогов портативных тепловизионных установок, построенных на базе однокамерного ЭОП с электростатической фокусировкой, сканирующей установки типа "термопрофиль" и зеркально-линзового нагревателя. Конструктивные особенности комплекса учитывают специфику темпера- 1 турных полей контролируемых изделий. Для определения температурных характеристик тепловизионных установок предложена методика многоточечного измерительного низкотемпературного ИК-источника.

7. Осуществлен экспрессный и документированный количественный АТК изделий с пленочными покрытиями из карбида кремния на связке и пирографита, а также аксиально-симметричных КПУ. Показа-: но, что для экспресс-контроля целесообразно использовать визуаль ную методику и двусторонний АТК со стационарным нагревом подложки. Разработана и апробирована методика измерений основного дефекта | высокотемпературных пленочных покрытий - протяженного отслоения от подложки. В основу методики положены расчеты поверхностных температурных полей контролируемых изделий и измерения величин наблюдаемых температурных перепадов.

8. Разработанные методы и средства АТК высокотемпературных пленочных покрытий внедрены в ЦНИИМ, на предприятии Министерства электронной промышленности СССР и на предприятии п/я А-7650 с экономическим эффектом 419 тыс.рублей. Методика определения качества сцепления покрытий с подложкой и визуализации тепловых изображений внедрены в учебный процесс на металлургическом факультете Ленинградского горного института им.Г.В.Плеханова в курсе "Физика" для специальностей 02.04, 14.02 и 06.35.

1. 1.Белорусская республиканская научно-техническая конференция (12-14 сент. 1973 г.): Тез.докл./АН БССР. Отдел физики нераз-руш.контр.-Минск: Наука и техника, 1973.- 426 с.

2. Сапожников А.Б. Научная разработка методов неразрушающего контроля как тематика для университета.- В кн.: Доклады XX научно-технической конференции по радиоэлектронике, посвященной 50-летию образования СССР:Тез.докл.научн.-техн.конф.Томск, 1974, с.3-9.

3. Радиационные измерения температур слабонагретых тел./Под ред. В.Г.Вафиади и М.М.Мирошникова.-Минск: Б1У, 1969.- 195 с.

4. Хадсон Р. Инфракрасные системы.-М.: Мир, 1972.- 534 с.

5. Шайдуров П.С., Свалухин В.Г. Установка для бесконтактного обнаружения греющихся букс.- Труды всесоюзного НИИ ж.-д. транспорта, выпуск 289,- М.: Транспорт, 1965, с.87 97.

6. Бомбардиров П.П., Скороходов В.Д. Вагонные буксы и уход за ними.- м.: Транспорт,1965.- 220 с.

7. Pat. 2856559 (US).Apparatus and. method for detecting overheated journal boxes/R.K. Orthuber,O.V.Stanley.-1958.

8. Pat. 2856540 (US). Infrared detectionapparatus./ Warshaw H.D. -1958.

9. Pat. 2999152 (US). Hot-box detector./ C.A. Gallagher, W.M. Pelino.- 1961.

10. Pat. 3076090 (ITS). Hot bearing detector circuits./ R.Sta-peIfeldt.-1963.

11. Pat. 3081399 (US). Radiation detector systems./Shwarz F.-1963.

12. Pat. 3086108 (US). Infrared hot-box detection system./C.G. Kaehms.-1963.

13. Pat. 3100097 (US). Method for hot-box detection./F.W.Wol-tersdorf.- 1963*

14. Pat. 3108772 (US). Hot-box detector alarm circuit./W.M.Pe-lino.— 1963.

15. Pat» 3108775(US).Hot-box detector./W»M»Pelino.- 1963.

16. Pat. 3119017(US)»Infrared hot-box detection by measuring the differece in radiated energy from two areas of the journal» /C.G.Kaehms.- 1964.

17. Pelino W»M. Infrared hot-box detectors.-In b. :Proc»Natl. Electronics Oonf. 1962, p.236-240»

18. Menaker E.G. The fundamentals of infrared hot-box detection» -IEEE Trans, on Applications and Industry, 1963, 66,p. 178-186.

19. Pachynski A»L. Journal temperature data transmission system using puis duration modulation.- In b.: Proc. Natl. Electronics Conf», 1965, P. 180-185.

20. Sandiford P.J. Simple method for detecting hot joints on electrical transmission lines.- Kev. Sei. Instr., 1952, v. 23, P. 644.

21. Delwig H.A., Harz Kurt. Pehlerfrüherkenning und Stromfuhrenden Klemmverbindungen in Hochspannungs Schaltanlagen durch Thermogrammanalyse.- Energie (BRD), 1971, №9, s.269 -272.

22. Olair J.S.St. An infrared method of rocet motor inspection. -Mater. Eval., 1966, v.24, №8, p.425-430.

23. Gericke O.R.,Vogel P.E.J. Infrared bond defect detection system.- Mater. Eval., 1964, v.T-2, p.65-68.

24. Beller W.S» Navy sees promise in infrared thermography for solid checking.- Missiles and rockets, 1965, January 4,v. 16, p. 22-23.

25. Леонов И.Г. Дорзун Л.Ф.Данох Б.Ю.,Иванова Р.Н. Дефектоскопия тонкостенных труб с помощью сканирующего радиационного пирометра.-В кн.:Исследования по физике металлов и неразру-шающим методам контроля:Тез.докл.конф.Минск,1968,с.239-243.

26. Бекешко Н.А.,0щепков П.К.Дпадышев А.Б. Тепловой метод нера^ зрушающего контроля качества тонкостенных изделий.-Дефектоскопия, 1969, №1, с.125-127.

27. Бекешко H.A.Дпадышев А.Б. Выявление дефектов в тонкостенных28