Магнитные методы
УДК 620.179.14
КОНТРОЛЬ ТОЛСТОСЛОЙНЫХ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ДВУХСЛОЙНЫХ (НЕФЕРРОМАГНЕТИК—ФЕРРОМАГНЕТИК) ОСНОВАНИЯХ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ТОЛЩИНОМЕТРИИ
А.А. Лухвич, О.В. Булатов, А.Л. Лукьянов
Установлены закономерности формирования информативных сигналов магнитодина-мических преобразователей для контроля толщины толстослойных никелевых покрытий на двухслойных (неферромагнетик на ферромагнетике) основаниях. На этой базе применительно к камерам сгорания жидкостных ракетных двигателей определена зависимость дополнительной погрешности прибора МТНП-1 от величины намагниченности ферромагнитного корпуса, толщин никелевого покрытия и неферромагнитной прослойки между покрытием и корпусом. Разработаны методики, средства измерения и автоматической компенсации дополнительной погрешности прибора МТНП-1.
Ключевые слова: магнитодинамический метод, погрешность контроля, ракетные двигатели, многослойные структуры, никелевые покрытия.
Контроль толщины никелевых покрытий в диапазоне до миллиметра даже в случае однослойного неферромагнитного основания представляет собой достаточно сложную задачу. Решать ее наиболее целесообразно магнитными методами, при этом расширение диапазона измерений, устранение или минимизация дополнительной погрешности, обусловленной вариацией магнитных свойств покрытия, обеспечиваются в той степени, в какой создаваемое преобразователем первичное намагничивающее поле приближает в объеме информативной зоны намагниченность никеля к его намагниченности насыщения.
В известных типах магнитных толщиномеров сигнал преобразователя содержит как информативную составляющую, так и неинформативную (первая пропорциональна толщине никеля, вторая — величине первичного намагничивающего поля); это неизбежно ухудшает разрешающую способность и сужает диапазон измерений. Различные способы компенсации неинформативной составляющей позволяют в некоторой степени расширить функциональные возможности толщиномеров, однако трудности остаются (например, необходимость создания большого количества приборов или набора преобразователей для обеспечения заданного диапазона измерений). Принципиально этой проблемы не существует при магнитодинамическом методе толщинометрии [1—4], который по сравнению с ранее известными магнитными [5] имеет ряд существенных преимуществ; главное же состоит в том, что сам принцип измерений полностью исключает возможность появления в сигнале преобразователя неинформативной составляющей, обусловленной первичным намагничивающим полем. Естественно, величина информативного сигнала зависит от напряженности поля (намагниченности покрытия), но само поле (обусловленный им магнитный поток, проходящий через витки измерительной катушки преобразователя) не регистрируется.
Ранее [6] было установлено, что созданный на базе магнитодинамиче-ского метода толщиномер МТНП-1 (Государственный реестр средств измерений Российской Федерации № 44898-10, свидетельство об утверждении типа средств измерений № 40481) обеспечивает на неферромагнитных основаниях измерения никелевых покрытий в диапазоне до 700 мкм одним
Александр Александрович Лухвич, доктор техн. наук, заведующий лабораторией металлофизики ИПФ НАН Беларуси. Тел. 284-23-07. E-mail: Lukhvich@iaph.bas-net.by
Олег Владимирович Булатов, научный сотрудник лаборатории металлофизики ИПФ НАН Беларуси. Тел. 284-24-16. E-mail: lab1@iaph.bas-net.by
Андрей Леонтьевич Лукьянов, научный сотрудник лаборатории металлофизики ИПФ НАН Беларуси. Тел. 284-10-74. E-mail: lab1@iaph.bas-net.by
преобразователем, разрешающую способность порядка долей микрометра, полную отстройку от влияния структурного состояния никеля на результаты измерений, при этом зависимость величины сигнала от толщины практически линейна. Отстройка от влияния вариации структурных свойств никеля на погрешность контроля значительно упрощает задачу метрологического обеспечения магнитных толщиномеров. Меры толщины покрытий для градуировки и поверки этих приборов могут быть изготовлены по разным технологиям гальванического производства [7, 8], а также из массивного никеля по любой технологии его механической обработки. Независимо от способа изготовления мер условие постоянства химсостава никелевого покрытия в определенной степени должно быть выполнено.
Исследования в области толщинометрии толстослойных никелевых покрытий были в первую очередь обусловлены практической необходимостью контроля при изготовлении камер сгорания жидкостных ракетных двигателей. Независимо от типа двигателя, общими конструктивными элементами камер сгорания являются ферромагнитный корпус, бронзовая прослойка толщиной 2—10 мм на корпусе, никелевое покрытие 100—700 мкм на прослойке (рис. 1). Задача контроля не сводится к случаю контроля никеля на неферромагнетике; реально приходится иметь дело с трехслойной (никель— неферромагнетик—ферромагнетик) структурой. Это обусловлено тем, что первичное поле преобразователя, обеспечивающее заданный диапазон измерений и намагниченность никеля, близкую в пределах информативной зоны к его намагниченности насыщения, намагничивает корпус камеры. В итоге сигнал преобразователя содержит две составляющие, одна из которых обусловлена намагниченностью покрытия, другая — корпуса. Последней составляющей, которая при постоянной величине первичного намагничивающего поля в значительной степени зависит от толщины как прослойки, так и покрытия, обусловлена дополнительная погрешность, величина которой может достигать десятков процентов.
Рис. 1. Элементы камеры сгорания: 1 — никелевое покрытие толщиной от 100 до 1000 мкм; 2 — неферромагнитная прослойка толщиной от 2 до 10 мм; 3 — массивный ферромагнитный корпус.
В данной работе приведены результаты компьютерных расчетов и экспериментальных исследований с целью установления величины дополнительной погрешности, обусловленной намагниченностью корпуса, при вариации толщин прослойки и покрытия в диапазонах, охватывающих все существующие типы камер сгорания. Кроме того, в общих чертах изложен подход, реализация которого обеспечивает компенсацию названной погрешности, а также рассмотрены варианты методики контроля покрытий магнитодинамическим методом толщинометрии.
На внутренние поверхности камер сгорания наносятся покрытия толщиной до 700 мкм в зависимости от типа двигателя; в некоторых случаях толщина никеля может достигать 1000 мкм. Контроль в столь широких диапазонах (равно как и отстройка от возможной вариации структурного состояния никеля) обеспечивается только в том случае, когда первичное намагничивающее поле используемого преобразователя достаточно велико. Уровень намагниченности корпуса в зависимости от соотношения величины первичного намагничивающего поля, толщины прослойки при разной толщине покрытия по результатам численных расчетов приведен на рис. 2. Радиальное распределение модуля \Jr\ намагниченности корпуса вычислено в граничащем с прослойкой слое
а в
Рис. 2. Распределение модуля J намагниченности корпуса в слое, граничащем с прослойкой, по радиусу r при разной величине первичного намагничивающего поля для различных
сочетаний толщин прослойки и покрытия: а и б — толщина покрытия 200 мкм при толщине прослойки 2 и 10 мм соответственно; в и г — 700 мкм при той же толщине прослойки; 1 — кривая, соответствующая магнитодинамическому преобразователю с энергией магнита 180; 2 — 130; 3 — 95; 4 — 75; 5 — 55 мДж.
толщиной 200 мкм для пяти магнитодинамических преобразователей, имеющих общую схему [1, 4], но существенно различающихся по энергии магнита (произведение удельной энергии магнитного материала на его объем). Ранее [3] по результатам исследования магнитных свойств сталей, используемых при изготовлении камер сгорания и других деталей ракетных двигателей, было установлено, что среди этих материалов самым сильным ферромагнетиком является сталь 03Х12Н10МРТ-ВД. Выбор ее при расчетах в качестве материала корпуса обусловлен тем, что в этом случае влияние намагниченности корпуса наиболее существенно. Расчеты выполнены методом конечных элементов на компьютерной модели трехслойного диска; толщина его верхнего никелевого слоя варьировалась от 200 до 700 мкм, среднего неферромагнитного — от 2 до 10 мм, нижнего ферромагнитного считалась бесконечно большой. Из рис. 2 следует, что намагниченность корпуса преимущественно определяется энергией магнита и толщиной прослойки, при этом увеличивается примерно в полтора-два раза с уменьшением толщины покрытия от 700 до 200 мкм.
На рис. 3 приведено распределение модуля |5| магнитной индукции под покрытием толщиной 200 и 700 мкм на границе бронза—никель. Расчеты выполнены для двух предельных случаев, имеющих место на практике (минимальная толщина прослойки — 2 мм, максимальная — 10 мм). Естественно, что намагниченность корпуса коррелирует с распределением индукции на указанной границе.
Рис. 3. Распределение модуля |В| магнитной индукции по радиусу г под покрытием для
преобразователя с энергией магнита 180 мДж: 1, 4 — кривые, полученные при толщине покрытия 200; 2, 5 — 400; 3, 6 — 700 мкм; сплошные кривые соответствуют случаю, когда прослойка между покрытием и корпусом имеет минимальную толщину,
штриховые — максимальную.
Из представленных результатов следует, что намагниченность никелевого покрытия на двухслойном (неферромагнетик—ферромагнетик) основании является функцией первичного намагничивающего поля преобразователя и вторичного поля ферромагнитного корпуса, которое в значительной степени зависит от толщин бронзовой прослойки и покрытия. В этих условиях чрезвычайно важно знать состояние намагниченности никелевого покрытия, что позволяет судить о степени влияния его структурных свойств на погрешность измерений. Кроме того, это тот критерий, по которому можно выбрать и оптимизировать характеристики магнитодинамического преобразователя в зависимости от условий контроля (диапазоны толщин покрытия и прослойки). Первичное поле преобразователя должно обеспечивать максимальную намагниченность никеля и минимальную ферромагнитного корпуса. Здесь существует множество вариантов; их обсуждение не является предметом данной
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.