УДК 620.179.16:621.039.53

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КАРБИДОКРЕМНИЕВЫХ

МАТЕРИАЛОВ

¹Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ), Россия 603950

Нижний Новгород, ул. Минина, 24

²АО «Опытное конструкторское бюро машиностроения имени И.И. Африкантова» (АО «ОКБМ

Африкантов»), Россия 603074 Нижний Новгород, Бурнаковский пр., 15

Е-mail:^*hlybov_52@mail.ru

Поступила в редакцию 13.02.2017; после доработки 12.10.2018;

принята к публикации 26.10.2018

Экспериментально показаны взаимосвязь между структурой и свойствами карбидокремниевого материала с акусти-

ческими параметрами и характеристиками вихревых токов и то, что в областях с неоднородной структурой наблюдается

разрушение изделий трибосопряжений, а также влияние структуры карбидокремниевых материалов на акустические

характеристики и параметры удельной электропроводности. Экспериментально продемонстрирована возможность

использования неразрушающих (акустического и вихретокового) методов контроля для изделий из карбидокремниевых

материалов.

Ключевые слова: карбидокремниевый материал, электропроводность, упругие волны, скорость, затухание, вихревые

токи, микроструктура.

DOI:10.1134/S01303082190100068

ВВЕДЕНИЕ

Элементы конструкций электронасосов системы охлаждения энергетических установок экс-

плуатируются в агрессивной среде при повышенных температурах, высоких скоростях и нагруз-

ках. Основными требованиями к материалам насосов являются стабильность физико-механиче-

ских свойств, высокая износостойкость, низкий коэффициент трения, способность выдерживать

температурные напряжения в течение всего срока эксплуатации [1, 10]. Им удовлетворяют карби-

докремниевые материалы, которые разделяются на несколько основных типов, отличающихся

друг от друга составами, структурой, технологическими особенностями получения и свойствами.

Сложность обработки и выбор материалов с характеристиками, исключающими наличие

дефектов, длительный период испытаний, значительные экономические затраты, а также обеспе-

чение безаварийной эксплуатации требуют оперативного неразрушающего контроля на всех эта-

пах эксплуатации изделий из карбидокремниевых материалов. Он является неотъемлемой частью

технологических процессов изготовления узлов трибосопряжения [1—3].

В настоящий момент для данного класса материалов применяется 100-процентный рентгенов-

ский контроль, который однозначно отсеивает такие дефекты, как непросилицированные участки,

раковины, трещины, участки «непропрессова» материала, но не дает однозначного ответа на

вопрос, разрушится материал в дальнейшем или нет. Особенно проблема прогнозирования пове-

дения изделий из карбидокремниевого материала актуальна на начальной стадии их изготовления,

так как исключение из процесса испытаний и дальнейшей эксплуатации образцов с неудовлетво-

рительными характеристиками позволяет сократить объем испытаний и в конечном итоге повы-

сить надежность изделий.

В [4—6] показано, что применение неразрушающих акустических методов контроля для про-

гнозирования состояния сложных композиционных материалов также имеет достаточную точ-

ность как для оценки акустических параметров, так и структуры материала. Однако акустические

измерения связаны с определенными трудностями: введение в исследуемый материал зондирую-

щего импульса, требование к плоскопараллельности и шероховатости его поверхностей и ряд

других факторов создают некоторые сложности применения акустических методов.

Карбидокремниевые материалы обладают электропроводящими свойствами и соответственно

изделия из этих материалов можно контролировать методами, основанными на измерении элек-

трических характеристик материала. При выборе метода также учитывали оперативность, повто-

ряемость результатов измерений, геометрию конструкции, состояние поверхности и т.д. В каче-

стве метода неразрушающего контроля был использован метод вихревых токов, измеряемые

А.А. Хлыбов, И.А. Иляхинский

характеристики которого чувствительны как к однородности структуры, так и к изменениям, про-

исходящим в процессе испытаний и эксплуатации изделий из карбидокремниевых материалов.

Таким образом, целью данной работы является проверка возможности использования акусти-

ческого и вихретокового методов контроля в оценке работоспособности изделий из карбидокрем-

ниевых материалов.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Проверку работоспособности акустического и вихретокового методов осуществляли на образ-

цах из карбидокремниевых материалов, в качестве которых использовали заготовки деталей под-

шипников скольжения насосов (рис. 1).

Измерения показаний значений вихревых токов

осуществляли с помощью прибора ВТ-2А, представ-

ляющего собой токовихревой дефектоскоп с индук-

тивным датчиком 2 кГц. Так как эталонных образцов

не существует, то при испытаниях измеряли относи-

тельные показания прибора.

Для акустических измерений применяли прибор

фирмы Krautkramer USN 52. При работе с дефектоско-

пом в материал исследуемых образцов излучались

упругие широкополосные ультразвуковые импульсы в

диапазоне частот 1—10 МГц. Прибором регистриро-

вали время распространения и амплитуду прошедших

в образце эхоимпульсов. Время распространения и

Рис. 1. Образцы для проведения исследований.

затухания упругих волн в контролируемой среде опре-

деляли между первым и вторым донными сигналами,

что позволило исключить влияние электрических цепей, контактной смазки и т.д. Измерения в

каждой точке проводили не менее пяти раз, результаты обрабатывали с помощью программного

комплекса Statistica.

Анализировали микроструктуру на микроскопе МИМ-8, увеличение ×100, изображения

микроструктур обрабатывали с помощью программы-анализатора изображений SIAMSPhotolab

(SIMAGISResearch). Структурную составляющую кремния у образцов оценивали по площади,

периметру, минимальной, максимальной и средней проекциям частиц. Анализ каждой структуры

проводили по пяти полям зрения общей площадью 5,8 мм². При обработке данных использовались

стандартные программы Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Структура исследованных образцов приведена на рис. 2, их основные характеристики пред-

ставлены в табл. 1.

Рис. 2. Структура образцов из карбидокремниевых материалов, ×100:

а — образец № 1; б — образец № 2; в — образец № 3; г — образец № 4; 1 — зерна карбида кремния; 2— зерна кремния; 3 — зерна графита.

Дефектоскопия

№ 1

2019

Неразрушающий контроль изделий из карбидокремниевых материалов

Таблица

Характеристика исследованных материалов

Образец

Параметры материла

Карбид кремния, %

Кремний, %

4,5

Графит, %

Ост

Плотность, кг/м³

3300

2450

2510

2490

Модуль Юнга, ГПа

430

120

110

100

Скорость продольной волны, м/с

11 800

7400

7300

6730

Скорость поперечной волны, м/с

7523

4900

4600

3840

Затухание продольной волны, дБ/м 4 Мгц

0,45

0,58

0,63

0,55

Предел прочности при изгибе, МПа

200

110

150

140

Кремний, площадь, мкм²

650,8

409,4

858,2

441,9

Карбидокремниевые материалы получают пропиткой волокнистой углеродной основы кремни-

ем, находящимся в жидкой и газообразной фазах. В результате взаимодействия пористой углерод-

ной основы с кремнием формируется объемный пористый каркас из карбида кремния, в котором в

основном находятся не вступившие во взаимодействие углерод и кремний, а также возможно

наличие пористых областей макроскопических размеров (см. рис. 2). При этом количественное

соотношение фаз в разных объемах образца может изменяться в несколько раз. Это свидетельству-

ет о неоднородности распределения компонентов в материале.

Содержание фазы карбида кремния в карбидокремниевых материалах является наиболее важ-

ным фактором, определяющим свойства материала. Зависимость прочности и модуля Юнга от

содержания фазы карбида кремния в материале носит экспоненциальный характер (см. табл. 1).

Модуль Юнга может достигать 500 ГПа (предел прочности при изгибе — до 400 МПА [8]) при

содержании карбида кремния до 100 %, при содержании карбида кремния порядка 50 % эти пока-

затели имеют значения: модуль Юнга — 100 ГПа, предел прочности — 100 МПа.

Результаты акустических исследований показывают, что структура карбидокремниевых мате-

риалов оказывает существенное влияние на параметры упругих волн (см. табл. 1). Из представлен-

ных результатов видно, что все исследованные материалы можно разделить по скорости звука на

две группы: имеющие скорость ∼11 800 м/c (образец 1) и ∼ 7000 м/c (образцы 2—4). Для образца

1 (скорость продольной волны ~ 11 800 м/c, плотность 3300 кг/м³, частота 5 МГц) затухание

составляет 0,37 дБ/м, для образцов 2—4 (скорость продольной волны ~ 7000—6730 м/c, плотность

2450—2510 кг/м³, частота 5 МГц) — 0,586—0,63 дБ/м.

Уменьшение размеров структурной составляющей кремния (образцы 2—4) приводит к значимому

уменьшению затухания при практически неизменной скорости распространения продольной волны.

Изменение акустических характеристик образцов из карбидокремниевых материалов зависит

от его фазового состава. Можно считать, что основное влияние на скорость распространения и

затухание продольной ультразвуковой волны оказывает содержание в них карбида кремния.

В случае, когда содержание карбида кремния составляет 96 %, наблюдаем наибольшую скорость

распространения продольных и сдвиговых волн. Эти данные хорошо коррелируют с результатами

акустических исследований: определение модулей упругости через значение скоростей упругих

волн. В частности, модуль Юнга [7] может быть определен следующим образом:

ρ⋅C

⋅

−4C

(

)

(1)

−C

где C_s — скорость поперечной волны, м/с; C_l— скорость продольной волны, м/с; ρ — плотность

материала, кг/м³.

Численные значения модулей упругости, вычисленные с использованием результатов акусти-

ческих измерений (см. табл. 1), совпадают с данными механических испытаний.

Таким образом, видим, что упругие волны чувствительны к структуре материала. Это позволя-

ет сделать вывод об обоснованном применении ультразвукового метода для контроля изделий

трибосопряжений из карбидокремниевых материалов.

Дефектоскопия

№ 1

2019

А.А. Хлыбов, И.А. Иляхинский

ПРАКТИЧЕСКАЯ АПРОБАЦИЯ

Для предотвращения разрушения материала в эксплуатационных условиях проводят так

называемые провоцирующие испытания, имитирующие работу материала в штатных условиях

[9, 10]: при повышенной температуре и давлении. Их продолжительность — несколько суток.

В процессе длительной эксплуатации, а также при провоцирующих испытаниях в некоторых

случаях наблюдается разрушение изделий, связанное с образованием новых фаз, взаимодей-

ствие которых обусловлено локальными объемными изменениями, вызванными твердофазным

химическим взаимодействием.

900 мкм

Рис. 3. Структура материала подшипника, ×100 (а); вид зоны разрушения подшипника (б).

Результаты исследований на образцах были использованы для разработки методики оценки

работоспособности материала подшипникового узла, которая была апробирована на штатном узле

в условиях, моделирующих работу подшипника в штатном режиме эксплуатации. Узел представ-

ляет собой кольцо диаметром 320 и толщиной 22 мм. В качестве материала был использован мате-

риал, по своим исходным характеристикам близкий образцу 2 (рис. 3а). Результаты акустических

исследований и показания вихретокового дефектоскопа (измеряли по пять значений) представле-

ны на рис. 4.

7800

7700

7600

7500

7400

7300

7200

180

270

360

Угол поворота, град

— Скорость продольной волны, м/с

— Удельное электросопротивление, у.е.

Рис. 4. Изменение скорости продольной волны и показаний вихревых токов по длине кольца.

Данные исследований работоспособности материала показали, что разрушение начинается в

области, соответствующей значению скоростей ультразвука, превышающих на 1,5 % средние зна-

чения скорости по измеренному кольцу.

Если в качестве измеряемого параметра используются характеристики вихревых токов, то кри-

терием годности кольца служит изменение значений вихревых токов более чем на 40 % от средне-

го значения по кольцу. Разрушение подшипников происходило в 98,3 % случаях в областях, совпа-

дающих с наличием существенных отличий показаний значения скорости упругих волн и значе-

ний вихревых токов от средних значений этих же параметров, измеренных на кольце. Применение

токовихревого метода контроля позволяет значительно экономить время и на начальной стадии

Дефектоскопия

№ 1

2019

Неразрушающий контроль изделий из карбидокремниевых материалов

производства изделий из карбидокремниевых материалов отбраковывать уже заведомо плохие

заготовки из данного материала. Вид подшипника в зоне разрушения показан на рис. 3б.

ВЫВОДЫ

В данной работе экспериментально было показано влияние структуры карбидокремниевых

материалов на акустические характеристики и параметры вихревых токов.

Скорость распространения продольной и сдвиговой волн зависит от количества карбида крем-

ния, увеличение которого в карбидокремниевых материалах приводит к росту скоростей упругих

волн. При содержании карбида кремния скорость распространения продольных волн достигает

значений 12 000 м/с.

Экспериментально продемонстрирована возможность использования неразрушающих (аку-

стического и вихретокового) методов контроля для изделий из карбидокремниевых материалов.

Показано, что наиболее вероятным местом разрушения в процессе проведения провоцирующих

испытаний являются области образцов, в которых наблюдается отклонение от средних значений:

скорости ультразвука — до 1,5, показаний вихретокового дефектоскопа — до 40 %.

Неразрушающие методы контроля позволяют перейти от выборочной проверки (разрушающи-

ми методами) свойств материалов на специально изготовленных образцах к 100-процентному

контролю на готовых изделиях без их разрушения или повреждения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гнесин Г.Г. Карбидокремниевые материалы. М.: Металлургия, 1977. 216 с.

2. Шикунов С.Л. Получение и использование новых карбидокремниевых материалов для различных

применений // Материаловедение. 2012. № 5. С. 51—57.

3. Тарабанов А.С., Костиков В.И. Силицированный графит. М.: Металлургия, 1977. 208 с.

4. Неразрушающий контроль / Справочник. В 8 т. Под ред. В.В. Клюева. Т. 3. Ультразвуковой кон-

троль. М.: Машиностроение, 2006. 861 с.

5. Неразрушающий контроль / Справочник. В 8 т. Под ред. В.В. Клюева Т. 2. М.: Машиностроение,

2006. 687 с.

6. Яковлев С.Г. Методы и аппаратура магнитного и вихретокового контроля / Учеб. пособие. Спб:

СПБГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. 88 с.

7. Хлыбов А.А., Васильев В.Г., Углов А.Л. Определение физико-механических характеристик образ-

цов, подвергаемых радиационному облучению // Заводская лаборатория. Диагностика материалов.

2009. Т. 73. № 12. С. 46—49.

8. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: МИСИС,

1998. 400 с.

9. Иляхинский И.А., Бугреев А.В., Иляхинский А.В., Родюшкин В.М. Неразрушающий контроль

структуры карбидокремниевографитового композита акустическим методом // Атомная энергия.

Декабрь 2015. Т. 119. Вып. 6.

10. Боровков М.Н., Бугреев А.В., Иляхинский И.А., Курицын В.С., Шишкин В.А. Исследование изно-

состойкости материалов пар трения подшипников скольжения и определение их триботехнических

характеристик при сухом трении в среде гелия // Вопросы материаловедения. 2012. № 4 (72).

С. 388—393.

Дефектоскопия

№ 1

2019