ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ, 2007, том 43, № 2, с. 222-224
УДК 621.193.7:658.562
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ и свойств МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ
ПРИМЕНЕНИЕ ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ВОЗБУЖДАЕМОГО БЕТТА-ЧАСТИЦАМИ 147Рт, ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЖАРОСТОЙКОСТИ АЛЮМИНИЕВОГО ПОКРЫТИЯ ПРИ ДРОБЕСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКЕ
© 2007 г. В. И. Боченин
Курганский государственный университет 640669, Курган, ул. Гоголя, 25 тел.: 8(3522)-43-26-25
Поступила в редакцию 18.09.2005 г.
Предложен неразрушающий способ контроля жаростойкости алюминиевого покрытия, нанесенного на основу, после дробеструйной обработки. Физическая сущность способа основана на оценке веса покрытия по радиоизотопным параметрам. Опробована применимость способа для оценки жаростойкости лопаток турбин. Промышленный контроль позволяет за 2-3 минуты оценить качество покрытия с погрешностью на уровне весового метода.
PACS: 81.15.-z, 81.15.Cd
Воздействие окислительной газовой среды на поверхностный слой изделий приводит к коррозии и в итоге к разрушению. Для защиты от коррозии на поверхностный слой наносят алюминиевое покрытие способом диффузионной металлизации [1]. В процессе эксплуатации изделий толщина покрытия уменьшается и в итоге оно может полностью исчезнуть. В таком случае газовая среда воздействует непосредственно на поверхностный слой изделия, сокращая срок его службы. Поэтому проверка защитных свойств алюминиевого покрытия актуальна.
Известно [2], что дробеструйный наклеп создает поверхностный микрорельеф металла влияющий на прочность сцепления покрытия с основой. В связи с этим, необходима информация о степени его устойчивости после дробеструйной обработки. Нами разработан радиоизотопный способ оценки жаростойкости алюминиевого покрытия, нанесенного на основу после дробеструйной обработки. Физически он основан на радиоизотопной оценке потери массы покрытия в результате окисления. Ввиду малой глубинности измерений поверхностный слой покрытия облучается в-частицами радионуклида 147Рт и в геометрии отражения регистрируется тормозное излучение алюминия.
Начальный поток тормозного излучения в момент нанесения алюминиевого покрытия равен [3]
Nд = Кн ■ тд ■ I
■0.7
(1)
Аналогично, после окислительного процесса
где Кн - постоянный коэффициент, зависящий от энергии в-частиц; тд, то - поверхностная плотность покрытия; I - атомный номер А1. Отношение (2) к (1) при сокращении постоянных (Кн, I) принимает вид
N
" о (3)
N
то тд
Из равенства (3) определяется поверхностная плотность покрытия после окислительного процесса (г/см2):
Nn
о д Nд и его удельная потеря веса:
Ж = тд - то = Атв.
(4)
(5)
Nо = Кн ■ то ■ I
■0.7
(2)
Исследовали достоверность равенства (3), выполняя измерения весовым и радиоизотопным способом. Готовили образцы стали Х25Н20С2 (диаметр 60 мм, толщина 5) и определяли их начальный вес (Рн). Варьируя продолжительность процесса диффузионной металлизации, создавали различный вес покрытий (Рп) и определяли по разности Рп-Рн-величину Ро. По максимальному весу покрытия рассчитывали (изложенным методом) Рд. Путем деления веса покрытий на площадь (« = 28.4 см2) определяли то, тд, а по формуле (5) - Атв.
Используя образцы с известным значением тд, то, определяли то радиоизотопным способом. Структурная схема регистрирующей установки приведена на рис. 1. Конструктивно она смонтирована в виде датчика, подключаемого с помощью кабеля к гамма-спектрометру БРА-6 (бес-
ПРИМЕНЕНИЕ ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
223
кристальный рентгеновский анализатор). Бетта-частицами радионуклида 147Pm 1 (Ep = = 223 кэВ, активность 0.5 х 1010 Бк), изготовленного в виде кольца, облучается поверхностный слой покрытия 2 (площадь 28.4 см2). Тормозное излучение алюминия (Emax = 14 кэВ) регистрируется сцин-тилляционным детектором 3. Для снижения фона перед входным окошком счетчика устанавливается алюминиевый фильтр 4. Сигнал с детектора подается в анализатор 5, на выходе которого поток тормозного излучения измеряется по скорости счета. Помещая образцы в датчик регистрирующей установки и облучая их поверхностный слой ^-частицами, измеряли поток тормозного излучения (N0, Nd). Величину Nd измеряли от образца с максимальным весом покрытия тд, рассчитывая по равенству (4) т0, а Атр - по формуле (5). В табл. 1 приведены сравнительные результаты измерений. Как, видно, расхождение данных радиоизотопного и весового способа оказались незначительными.
Исследовали влияние дробеструйного наклепа основы на защитные свойства покрытия. Подбирали оптимальный режим дробеструйного наклепа, обеспечивающий наибольшую прочность сцепления покрытия с основой. В эксперименте использовали три группы образцов стали X25H20C2 по семь в каждой. Поверхностный слой каждого перед нанесением покрытия обдували чугунной дробью диаметром 1 мм при давлении воздуха 6 атм. Меняя параметры дробеструйной обработки (расстояние от среза сопла до поверхности основы, продолжительность обдува, угол наклона основы) с помощью профилографа записывали микрорельеф поверхностного слоя. После этого на него наносили покрытие и помещали образцы в печь с температурой нагрева 1000°С, выдерживая 90 ч. Извлекали их из печи, очищали поверхностный слой от окалины, помещали каждый в датчик (рис.) и определяли радиоизотопным способом удельную потерю веса (жаростойкость).
В табл. 2 приведены результаты эксперимента. Как видно, при расстоянии от среза сопла до поверхности основы 120 мм получается наибольшая высота микрорельефа и соответственно наименьшая потеря веса покрытия. Продолжительность обдува в течение трех секунд и угол наклона подложки 90° также обеспечивают наибольшую жаростойкость.
Для оценки защитных свойств покрытия использовали оптимальный режим дробеструйной обработки перед нанесением его на поверхностный слой компрессорных лопаток турбин, изготовленных из стали Х25Н20С2. Была разработана методика промышленного контроля. Измерения выполняли в двух вариантах. В первом использовали образец-свидетель, поверхность которого перед нанесением покрытия обрабатывали дробеструйным наклепом совместно с лопатками. Затем
Таблица 1. Сравнительные результаты определения жаростойкости
Номер образцов Длительность Метод взвешивания Радиоизотопный способ Отклонение
диффузионной металлизации, мин ¡По т Ат, х 104, г/см2 No Nd Атр х 104, г/см2 (Nn то\ , (- -0 х 103 (Nd тд) Ат, - Атр, г/см2
1 15 0.021 10.8 0.024 10.5 + 3 -0.3
2 30 0.082 24.3 0.078 24.0 -4 0.3
3 45 0.163 31.2 0.159 31.6 -14 +0.4
4 50 0.326 42.9 0.329 42.1 + 3 -0.8
5 65 0.491 54.6 0.498 54.9 +7 +0.3
6 80 0.558 64.8 0.551 64.3 -7 -0.5
7 95 0.631 75.0 0.640 75.4 +9 +0.4
Примечание: индекс "в" означает весовой метод, "р" радиоизотопный.
ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ том 43 < 2 2007
224
БОЧЕНИН
Таблица 2. Влияние режимов дробеструйной обработки на рельеф поверхности основы и удельную потерю веса покрытия
Номер образцов Расстояние от среза сопла до обрабатываемой поверхности, мм Высота микро-рельефа, мкм Атр х х 104, г/см2 Номер образцов Длительность обработки, с Высота микрорельефа, мкм Атр х х 104, г/см2 Номер образцов Угол наклепа основы, градус Высота микрорельефа, мкм Атр х х 104, г/см2
1 50 10.4 16.3 1 2 14.1 11.9 1 45 10.3 16.5
2 70 15.5 11.2 2 3 22.7 2.7 2 50 11.7 14.4
3 120 21.7 3.6 3 4 18.8 4.3 3 65 14.1 12.5
4 130 18.9 4.5 4 5 15.3 11.2 4 70 15.2 11.2
5 150 16.1 6.3 5 6 14.2 12.6 5 75 16.7 6.8
6 180 15.4 11.2 6 7 11.6 14.8 6 80 18.3 4.3
7 200 11.5 14.3 7 8 10.2 16.1 7 90 21.5 3.2
на поверхностный слой лопаток и образца-свидетеля наносили алюминиевое покрытие. Взвешиванием определяли начальный вес покрытия в образце-свидетеле (Рд), а радиоизотопным способом - поток тормозного излучения (Ыд). В ходе планового ремонта турбин, проработавших определенное время ((Д применяли второй вариант контроля. Поверхностный слой лопаток очищали от окалины и загрязнений. Радиоизотопный датчик (рис.) в выносном варианте устанавливали на поверхностный слой лопаток, облучая его в-ча-стицами радионуклида и регистрируя с помощью гамма-спектрометра поток тормозного излучения (Ыо). Рассчитав параметр тд, по формуле (4) определяли удельную потерю веса покрытия т0, а по равенству (5) - жаростойкость (ЖД Повторный контроль проводили в ходе второго плавного ремонта ((2), определяя изложенным способом Ж2. Затем рассчитывали среднюю скорость потери веса покрытия
- Ж2 - Ж,
V = —2-1
(2- t1
(6)
Результаты многократного контроля показали, что дробеструйная обработка основы на 40-50% уменьшала потерю веса покрытия за 2.5-3 месяца работы турбины. Таким образом, радиоизотопный способ позволяет оценить степень выгорания алюминиевого покрытия через определенное время работы агрегата.
ВЫВОДЫ
1. Разработан радиоизотопный способ оценки жаростойкости алюминиевого покрытия по регистрации тормозного излучения, возбуждаемого в-частицами радионуклида 147Рт. Достоинством предлагаемого способа является портативность регистрирующей аппаратуры, стабильность измерительного тракта и высокая экспрессность (результат выдается за 2-3 минуты).
2. Промышленный контроль жаростойкости лопаток турбин позволяет оценить скорость выгорания покрытия и его надежность.
3. Исследованиями установлено, что дробеструйный наклеп основы обеспечивает снижение удельной потери веса покрытия, повышая его жаростойкость.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коломыцев ПЛ. Жаростойкие диффузионные покрытия. М.: Металлургия, 1979. 269 с.
2. Морозов В.И., Шубина Н.Б. Наклеп дробью тяже-лонагруженных зубчатых колес. М.: Машиностроение, 1972. 103 с.
3. Камерон Дж., Роудс Дж. Применение радиоактивных источников в рентгеноспектрометрии // Атомная техника за рубежом. 1962. № 2. С. 30.
Сдано в набор 06.10.2006 г. Подписано к печати 19.01.2007 г. Формат бумаги 60 х 881/8
Цифровая печать Усл. печ. л. 14.0 Усл. кр.-отт. 4.9 тыс. Уч.-изд. л. 14.3 Бум. л. 7.0
Тираж 337 экз. Зак. 2155
Учредители: Российская академия наук, Институт физической химии РАН
Издатель: Академиздатцентр "Наука", 117997, Москва, Профсоюзная ул., 90
Оригинал-макет подготовлен МАИК "Наука/Интерпериодика" Отпечатано в ППП "Типография "Наука", 121099, Москва,Шубинский пер., 6
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.