Магнитные методы
УДК 620.179.17
КОНТРОЛЬ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ТОЛЩИНОМЕТРИИ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ ПОД ХРОМОВЫМИ НА ДВУХСЛОЙНЫХ
(НЕФЕРРОМАГНЕТИК—ФЕРРОМАГНЕТИК) ОСНОВАНИЯХ
А.А. Лухвич, О. В. Булатов, А.Л. Лукьянов, М.Н. Полякова, В. В. Мосякин
Теоретически и экспериментально обоснована возможность контроля магнитодинами-ческим методом толщинометрии никелевых покрытий под хромовыми на двухслойных (неферромагнетик—ферромагнетик) основаниях. Созданы методика и прибор МТДП-1, обеспечивающие контроль никелевых покрытий камер сгорания жидкостных ракетных двигателей в диапазоне до 1000 мкм под хромовыми до 200 мкм независимо от их толщины с погрешностью до ±10 %, обусловленной влиянием хрома, структурного состояния никеля, намагниченности корпуса камеры.
Ключевые слова: магнитодинамический метод, погрешность контроля, ракетные двигатели, никелевые покрытия, хромовые покрытия.
В [1] обоснована возможность контроля магнитодинамическим методом толщинометрии толстослойных никелевых покрытий камер сгорания жидкостных ракетных двигателей, рассмотрены методика и прибор МТНП-1 для ее реализации в процессе или после изготовления камеры. Для тепловой защиты на никелевые покрытия наносят хромовые, толщина которых в общем случае составляет от 50 до 200 мкм. В производственных условиях контроль никеля на сборочных единицах камеры сгорания проводят до нанесения хрома, сборку (сварку) осуществляют после его нанесения. Необходимость контроля толщины никеля существует на любой стадии изготовления камеры, включая ее приемку, а также при диагностике состояния покрытия в процессе стендовых огневых испытаний.
В [2, 3] показано, что в случае никеля на неферромагнитном основании магнитодинамический метод также обеспечивает контроль под слоем хрома. В работе рассмотрена и обоснована возможность контроля толщины никеля под хромом на реальных камерах сгорания (принципиально это четырех-слойные структуры хром—никель—неферромагнетик—ферромагнетик). Так как в данном случае на информативный сигнал влияют толщина хрома, уровень намагниченности никеля под хромом, намагниченность корпуса (следовательно, толщина бронзовой прослойки между никелевым покрытием и корпусом), степень результирующего влияния этих факторов определяет величину погрешности контроля.
Данные, представленные на рис. 1, характеризуют влияние толщины хромовых покрытий на намагниченность никелевых при разной величине первичного намагничивающего поля, создаваемого магнитодинамическим преобразователем. Расчеты выполнены методом конечных элементов для двух таких преобразователей (энергия магнита 55, 180 мДж), установленных
Александр Александрович Лухвич, доктор техн. наук, профессор, заведующий лабораторией металлофизики Института прикладной физики НАН Беларуси, г. Минск. тел. (017) 284-23-07. E-mail: Lukhvich@iaph.bas-net.by
Олег Владимирович Булатов, научный сотрудник лаборатории металлофизики Института прикладной физики НАН Беларуси, г. Минск. Тел. (017) 284-24-16. E-mail: lab@iaph. bas-net.by
Андрей Леонтьевич Лукьянов, научный сотрудник лаборатории металлофизики Института прикладной физики НАН Беларуси, г. Минск. Тел. (017) 284-10-74. E-mail: lab@iaph. bas-net.by
Марина Николаевна Полякова, ведущий инженер ООО "Металлист-Самара". Тел. (846) 246-90-36. E-mail: metallist@metallist-s.ru
Валерий Васильевич Мосякин, метролог ООО "Металлист-Самара". Тел. (846) 224-76-55. E-mail: metallist@metallist-s.ru
на двухслойные (хром—никель) покрытия. Так как на практике толщина Ь никелевых покрытий под хромовыми варьируется в диапазоне от 200 до 700 мкм, для этого случая вычисляли радиальное распределение модуля Щ намагниченности никеля по всей глубине. Видно, что намагниченность никеля практически не зависит от толщины хрома, поэтому в случае достаточно сильного намагничивающего поля не следует ожидать увеличения погрешности, обусловленной структурной вариацией никеля.
Щ|, кА/м 550 450 350 250 150 50
0
4 6 8 10 г, мм
И, кА/м б 550
450
350
250
150
50
10 г, мм
Рис. 1. Распределение по радиусу г модуля Щ намагниченности никелевых покрытий до и после нанесения хромовых толщиной с1 = 150 мкм (штриховые и сплошные кривые
соответственно):
а — никелевые покрытия толщиной Ь = 200; б — 700 мкм; 1 — кривые, соотвествующие магнитодина-мическому преобразователю с энергией магнита 55; 2 — 180 мДж.
Основной вклад в информативный сигнал вносит центральная область, радиус которой для преобразователя с энергией магнита 55 мДж составляет порядка 6 мм, 180 мДж — 9 мм [2]. В табл. 1 приведены значения \Щ|, вычисленные в пределах указанной области, для оценки которых следует исходить из того, что дополнительная погрешность, обусловленная вариацией структурного состояния никеля, снижается по мере его намагничивания до насыщения (~600 кА/м). Видно, что при толщинах никелевого и хромового покрытий, близких к максимальным, намагниченность информативной области при энергии магнита 180 мДж составляет порядка 500 кА/м.
Таблица 1
Намагниченность никелевого покрытия (кА/м) в центральной области информативной зоны
Энергия магнита, мДж
Толщина никелевого покрытия, мкм
Толщина хромового покрытия, мкм
0
150
55 180
200 700
200 700
441,1 330,5
498,7 469,3
416,6 274,3
487,5 455,3
2
2
4
6
8
По рис. 2 можно оценить степень влияния хрома на информативный сигнал в диапазоне измерений (200—700) мкм. Видно, что при достаточно большой энергии магнита хромовое покрытие оказывает слабое влияние даже при Ь = 700 мкм. Следовательно, обусловленная хромом дополнительная погрешность А< будет незначительной.
Е, мкВ 7 6 5 4 3
200
300
400
500
600
700 Ь, мкм
Рис. 2. Зависимость сигнала Е преобразователя с энергией магнита 180 мДж от толщины Ь никелевых покрытий до и после нанесения хромовых толщиной < = 150 мкм (штриховая и
сплошная кривые соответственно).
В табл. 2 приведены экспериментальные значения названной погрешности в зависимости от величины первичного намагничивающего поля, толщин хромового и никелевого покрытий. Измерения выполнены на никелевых пластинах после наложения на них имитаторов хрома (неферромагнитных пленок разной толщины). Видно, что при использовании преобразователя с энергией магнита ~180 мДж А< не выходит за приемлемые для практики пределы (±10 %).
Таблица 2
Обусловленная наличием хрома погрешность Аа при использовании преобразователей с магнитами, обладающими разной энергией
Толщина, мкм Энергия магнита ~55 мДж Энергия магнита ~180 мДж
никелевого покрытия имитатора хрома показание, мкм А, % показание, мкм А, %
196,5 48 99 148 189,4 182,4 175,7 -3,61 -7,18 -10,59 192,3 188,2 184,3 -2,14 -4,22 -6,21
294,0 48 99 148 280,9 267,5 254,2 -4,46 -9,01 -13,54 287,1 280,5 274,0 -2,35 -4,59 -6,80
369,4 48 99 148 352,3 335,1 318,1 -4,63 -9,29 -13,89 360.5 351,9 343.6 -2,41 -4,74 -6,98
477,6 48 99 148 449,7 421,3 393,6 -5,84 -11,79 -17,59 465,0 452,8 441,2 -2,64 -5,19 -7,62
581,7 48 99 148 544,0 504,2 463,4 -6,48 -13,32 -20,34 565.8 550,1 534.9 -2,73 -5,43 -8,05
667,5 48 99 148 622,8 573.8 522.9 -6,70 -14,04 -21,66 649,1 630,9 612,9 -2,76 -5,48 -8,18
724,1 48 99 148 667,1 604,0 540,5 -7,87 -16,59 -25,36 703,1 682.5 662.6 -2,90 -5,75 -8,49
В [1] установлено, что при контроле толстослойных никелевых покрытий камер сгорания одним из мешающих факторов является намагниченность корпуса камеры. Показано, что функциональные возможности толщиномеров магнитодинамического принципа действия МТНП-1 позволяют исключить или минимизировать дополнительную погрешность, обусловленную намагниченностью корпуса камеры. В данном случае уровень этой погрешности определяют величиной первичного намагничивающего поля, толщинами неферромагнитной прослойки между покрытием и корпусом, никелевого и хромового покрытий.
На рис. 3 приведена зависимость намагниченности корпуса (сталь 03Х12Н10МТР-ВД), вычисленной в объеме глубиной 200 мкм на границе с прослойкой, от толщин 5, Ь, <. Видно, что после нанесения хрома намагниченность корпуса (следовательно, и обусловленная ею дополнительная погрешность А) меняется незначительно.
кА/м 150
120
90
60
30
0
0
10
И, кА/м 16
12
8
4
0
0
2
4
6
8
10
Рис. 3. Распределение модуля Л намагниченности корпуса в слое, граничащем с прослойкой, по радиусу г при сильном намагничивающем поле (энергия магнита 180 мДж) для разных сочетаний толщин 5 прослойки и Ь никелевого покрытия до и после нанесения слоя хрома толщиной << = 150 мкм (штриховые и сплошные кривые соответственно): а — случай, когда 5 = 2; б — 10 мм; 1 — кривые, соответствующие Ь = 200; 2 — 700 мкм.
На рис. 4 и в табл. 3 приведена суммарная погрешность А5<, обусловленная влиянием намагниченности корпуса и наличием хрома. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что с усилением первичного намагничивающего поля влияние хромового покрытия на информативный сигнал снижается, на намагниченность корпуса — возрастает. Несмотря на это обе кривые пересекают ось 5, следовательно, даже в достаточно сильном намагничивающем поле при больших толщинах 5, Ь, < влияние хрома остается преобладающим. В целом рассмотренные данные показывают, что в случае пре-
а
2
4
6
8
г, мм
б
г, мм
^ % 40
30 20 10 0 -10
0 s, мм
Рис. 4. Зависимость погрешности Asd от толщины s неферромагнитной прослойки при толщине никелевого покрытия 400 мкм под хромовым толщиной 150 мкм: 1 — кривая, соответствующая преобразователю с энергией магнита 180; 2 — 130 мДж.
образователя с энергией магнита ~130 мДж, оптимального для контроля никелевых покрытий толщиной до 700 мкм [1], при наличии толстослойного хрома влияние намагниченности корпуса на участках камеры с небольшими s и b необходимо компенсировать.
Таблица 3
Погрешность Д = Д^ + Аа (%) при толщине хромового покрытия 150 мкм и разных сочетаниях энергии магнита, толщин никелевого покрытия и неферромагнитной
прослойки
Энергия магнита, мДж Толщина покрытия, мкм Толщина прослойки, мм
2 3 4 5 6 7 8 9 10
180 200 700 109,29 11,46 63,38 4,20 38,28 0,36 23,63 -1,83 14,63 -3,16 8,87 -4,00 5,05 -4,56 2,44 -4,94 0,60 -5,21
130 200 700 76,73 3,57 41,45 -1,07 23,06
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.