научная статья по теме РАДИОИЗОТОПНЫЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ ИЗНОСА ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ХРОМА И АЛЮМИНИЯ НА ЛОПАТКАХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН Метрология

Текст научной статьи на тему «РАДИОИЗОТОПНЫЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ ИЗНОСА ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ХРОМА И АЛЮМИНИЯ НА ЛОПАТКАХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН»

2. Королев М. В. Эхо-импульсные ультразвуковые толщиномеры. — М.: Машиностроение, 1980.

3. Неразрушающий контроль: справ. пособие в 7 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. — Т. 3. — М.: Машиностроение, 2004.

4. Качанов В. К. и др. // Неразрушающий контроль и диагностика: Тез. докл. 14-й науч.-техн. конф. — М., 1996. — Т. 1. — С. 120.

5. Качанов В. К. и др. // Неразрушающий контроль и диагностика: Тез. докл. 15-й науч.-техн. конф. — М., 1999. — Т. 1. — С. 115.

6. Аксенов В. П. и др. // Тр. МЭИ. — 1977. — Вып. 335. — С. 49.

7. V. K. Kachanov, I. V. Sokolov // Nondestr. Test. Ewal. — 2000. — Vol. 15. — Р. 330.

8. Качанов В. К., Зорин А. Ю., Залеткин А. В. // Новые материалы и технологии: Тез. докл. Всероссийской науч.-техн. конф. — М., МАТИ. — 17—18 ноября 1998. — С. 372.

9. Карташев В. Г., Качанов В. К., Шалимова Е. В. // Дефектоскопия. — 1998. — № 4. — С. 11.

10. Карташев В. Г. и др. // Неразрушающий контроль и диагностика: Тез. докл. 14-й науч.-техн. конф. — М., 1996. — Т. 1. — С. 122.

11. Качанов В. К. и др. // Тр. МКЭЭЭ. — 2003. — Ч. 1. — С. 137.

12. Качанов В. К. и др. // 5-я Междунар. конф.: Тез. докл. — М.: Машиностроение-1, 2006. — С. 33.

Дата одобрения 08.08.2006 г.

620.179.155

Радиоизотопный способ контроля степени износа защитных покрытий из хрома и алюминия на лопатках газовых турбин

В. И. БОЧЕНИН

Курганский государственный университет, e-mail: etm_kgu@ mail.ru

Изложен радиоизотопный способ оценки степени износа защитных покрытий из Al и Сг на лопатках газовых турбин, основанный на измерении толщины покрытия, которая изменяется в результате окислительного процесса. Разработана двухканальная система измерений, позволяющая проводить ускоренный экспресс-анализ.

Ключевые слова: в-частицы, толщиномер, металлизация, у-спектрометр, тормозное излучение.

The radioisotope method of an estimation of a wear rate of protective coats from Сг and Al on blades of gas turbines is based on an measurement of thickness of a covering which is change as a result of oxidizing process is presented. The two-channel measure system allowing to realize the accelerated rapid determination is developed.

Key words: в-particles, thickness indicator, schooping, y-ray spectrometer, braking radiation.

Для защиты от газовой коррозии на поверхностный слой содержащие агрессивные компоненты, воздействуют на по-лопаток турбин наносят покрытия из алюминия и хрома. В верхностный слой изделий, постепенно его разрушая. В ито-

процессе эксплуатации турбины продукты горения топлива, ге покрытие может полностью исчезнуть, и коррозия будет

нием УЗ-колебаний. В этом случае при увеличении длительности УЗ-волны зондирующего сигнала абсолютная погрешность измерения толщины изделия возрастает и становится соизмеримой с линейными размерами изделия. Все это приводит к необходимости принятия активных усилий по ее минимизации.

Решение этого вопроса возможно с помощью разработки помехоустойчивых методов УЗ-контроля, позволяющих выделять эхо-сигналы из шумов и помех, при этом искажение эхо-сигналов уменьшается, соответственно точность измерения повышается. Методы выделения эхо-сигналов из белого шума основаны на применении известных в радиотехнике помехоустойчивых широкополосных сложномодули-рованных сигналов с последующей их оптимальной обработкой. Выделение эхо-сигналов из структурного шума следует осуществлять за счет применения специальных пространственно-временных методов [10, 11]. Это, в свою очередь, требует разработки специальной многофункциональной аппаратуры контроля, которая позволяла бы генерировать различные сложномодулированные сигналы, реализо-вывать разнообразные алгоритмы обработки этих сигналов [12].

Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы (2006—2008 годы)».

Л и т е р а т у р а

1. Ермолов И. Н. Теория и практика УЗ-контроля. — М.: Машиностроение, 1981.

1чччччччччччччччччччччччч

Рис. 1. Структурная схема анализатора покрытий

проникать в глубь металла. Такой процесс усиливает ползучесть металла и приводит к аварийной ситуации. Поэтому актуально контролировать износ защитных покрытий в процессе эксплуатации изделий.

Ниже рассмотрим радиоизотопный способ оценки степени износа защитных покрытий из Сг и А1 на лопатках газовых турбин. Сущность его состоит в определении толщины покрытия, которая изменяется в результате окислительного процесса, при облучении поверхностного слоя хромового покрытия у-квантами радионуклида и алюминиевого — Р-частицами. При измерении потока отраженного излучения определяют толщину покрытия и рассчитывают степень износа в процентах:

3 = (1 - С / ¿0) ■ 100,

(1)

где с(0 — толщина покрытия после диффузионной металлизации; С — то же, после эксплуатации изделия.

Структурная схема радиоизотопного толщиномера приведена на рис. 1. Он смонтирован с двумя датчиками 3, 6, которые подключаются к двухканальному у-спектрометру 5 с автономным питанием 12 В. Датчик 3 используется для контроля толщины хромового покрытия. Контролируемая поверхность 1 облучается у-квантами радионуклида 2. Поток характеристического К-излучения Сг регистрируется пропорциональным детектором Си-6Р 4. Далее сигнал поступает на первый канал у-спектрометра и преобразуется в скорость счета [1]:

Ы0х = К, о0 ССг,

(2)

где К, — постоянная, зависящая от атомных констант, геометрии измерений и аппаратурных параметров; о0 верхностная плотность начального покрытия, г/см2; концентрация хрома в покрытии.

При износе покрытия из-за газовой коррозии

по-

СОг —

Ы,х = К, о,- С,

Сг,

(3)

где о, — поверхностная плотность изношенного покрытия, г/см2.

Из (2) и (3) находим

N

N

Откуда

00 к Ссг; о'' К Ссг ■

о, /о0 = Ы*/N0х или рС /рd0 = Ы*/Ы0х,

где р — плотность хромового покрытия, г/см3, и окончательно

С / С0 = N */Ы 0х.

(4)

С учетом равенства (1) оценку степени износа радиоизотопным способом представим в виде

3 = ( Ы ,х / Ы 0х )■ 100.

(5)

В датчике 6 (см. рис. 1) поверхностный слой алюминиевого покрытия 1 облучается р-частицами радионуклида 7. Тормозное излучение А1 регистрируется сцинтилляционным детектором 4. Далее сигнал поступает во второй канал у-спектрометра 5 и преобразуется в скорость счета. Поток тормозного излучения А1 при взаимодействии р-частиц с атомами покрытия, полученного в заводских условиях, [2]:

Л/0Д1 и- „ ^0,7 Ы = К 00 А1 Т ,

где К, — постоянная, зависящая от энергии р-частиц и аппаратурных параметров; о0 а — поверхностная плотность покрытия; Т — атомный номер А1.

Аналогично для изношенного покрытия

Л/А1 ^ -70,7 N = К'о А1 г ■

Далее, как и для Сг-покрытия, окончательно получим

NА1 / №А = бА1 / б0А1 ■

(6)

Степень износа оценим по равенству (5).

Достоверность равенств (4), (6) исследовали на образцах жаропрочных сплавов 50-50-2 мм. В десяти образцах сплава ХН70ВМТЮ создавали хромовое покрытие, а в десяти ХН75ВМЮ — алюминиевое. Толщина покрытий изменялась в зависимости от продолжительности диффузионной металлизации. Максимальную толщину С0 принимали в качестве эталонной. Предварительно толщину покрытий определяли весовым методом, взвешивая каждый образец до и после диффузионной металлизации. Далее рассчитывали поверхностную плотность о,, = т/в, где т — масса покрытия, в — его площадь, затем — толщину С, = о,, / р.

Рис. 2. Зависимости регистрируемого парамет-

х 0х

ра N /NI от отношения

Ч, /

£/,/0Гп

Сравнительные результаты измерений с использованием радионуклидов 3НКг (хромовое покрытие),

147Рт (алюминиевое покрытие)

Метод взвешивания

Радиоизотопный способ

Яр - вв. %

¿0

¿А! <^0А1

,,0А1

ХН70ВМТЮ

ХН70ВМТЮ ХН75ВМЮ ХН70ВМТЮ ХН75ВМЮ ХН70ВМТЮ ХН75ВМЮ ХН70ВМТЮ ХН75ВМЮ Абсолютная погрешность Относительная погрешность Абсолютная погрешность Относительная погрешность

0,80 0,07 8 7 0,05 0,8 5 8 -3 0,37 1 0,14

0,12 0,09 12 9 0,11 0,10 11 10 -1 0,08 1 0,10

0,16 0,12 16 12 0,17 0,13 17 13 1 0,06 1 0,08

0,24 0,21 24 21 0,25 0,19 25 19 1 0,08 -2 0,09

0,32 0,29 32 29 0,29 0,31 29 31 -3 0,09 2 0,07

0,36 0,33 36 33 0,37 0,34 37 34 1 0,03 1 0,03

0,40 0,38 40 38 0,42 0,36 42 36 2 0,05 -2 0,06

0,48 0,45 48 45 0,47 0,42 47 42 -1 0,02 -3 0,09

0,56 0,61 56 61 0,55 0,59 55 59 -1 0,02 -2 0,03

0,60 0,65 60 65 0,63 0,66 63 66 3 0,05 -2 0,03

ХН75ВМЮ

П р и м е ч а н и е. соответственно.

степени износа, рассчитанные при использовании метода взвешивания и радиоизотопного способа,

Используя образцы с известной толщиной покрытий, измерения проводили радиоизотопным способом. При измерениях образцов с Сг-покрытием подбирали радионуклид, обеспечивающий выполнение равенства (4). Каждый образец облучали у-квантами различных радионуклидов, регистрируя поток характеристического К-излучения (Е = 5,5 кэВ). На рис. 2 приведены результаты эксперимента. Кривая 1 получена при облучении у-квантами радионуклида 147Рт/8т203 (Е = 40 кэВ). Как видно, в области больших значений линейная зависимость нарушается и снижается чувствительность измерений. Кривая 2 относится к результатам, найденным при облучении фотонами радионуклида 109Сс1 (Е = 22 кэВ). При этом чувствительность оказалась выше, но зависимость осталась нелинейной. Наилучшие результаты были получены при облучении фотонами радионуклида 3Н^г (Е = 12 кэВ). С использованием этого у-излуча-теля удалось достичь линейной зависимости (кривая 3) и выполнения условия (4).

Для контроля А1-покрытия подбирали Р-излучающий радионуклид, обеспечивающий наибольший выход тормозного излучения А1, а также выполнение равенства (6). Облучая поверхностный слой р-частицами 240Т1 (Ер = 0,72 МэВ), регистрировали потоки тормозного излучения. Для снижения фона перед входным окном сцинтилляционного детектора устанавливали алюминиевый фильтр толщиной 0,2 мм. Результаты измерений показали, что с помощью 240Т1 не удалось выполнить равенство (6) и обеспечить требуемый выход тормозного излучения. Наиболее эффективным оказался радионуклид 147Рт (Ер = 223 кэВ). В этом случае получали высокую интенсивность тормозного излучения А1 (Е = 12 кэВ) и выполнение равенства (6).

В таблице приведены сравнительные результа

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.

Показать целиком