Способ определения остаточных напряжений в деталях с электропроводными покрытиями и устройство для его осуществления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении физико-механического состояния материала, в частности остаточных напряжений при травлении образцов. Сущность: с образца детали электрохимическим травлением удаляют исследуемые слои. Травление проводят при поддержании постоянства потенциала поверхности. Одновременно регистрируют ток, по изменению которого определяют время перехода травления от покрытия к основе. Определяют глубину залегания исследуемых слоев в реальном масштабе времени по количеству пропущенного электричества (кулонометрически). Попутно регистрируют изменения деформации образца и рассчитывают по ним остаточные напряжения по изменению деформации с изменением глубины исследуемых слоев. При этом травление проводят в водном электролите следующего состава в мас.%: плавиковая кислота: 6,0, серная кислота: 24,4, азотная кислота: 9,0. Устройство содержит трехэлектродную электролитическую ванну с катодом, электродом сравнения и горизонтально расположенным образцом в держателе в качестве анода. Источник тока подключен к катоду и образцу. В качестве источника тока используют потенциостат с обратной связью. Устройство снабжено приводом держателя образца и компьютером. Компьютер подключен к преобразователю деформации образца и источнику тока, а через источник тока - к электроду сравнения и к приводу держателя образца. Технический результат: повышение производительности, точности и информативности процесса контроля. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к измерительной технике, и может быть использовано при определении физико-механического состояния материала образцов, как с электропроводными покрытиями, так и без электропроводных покрытий, в частности остаточных напряжений при травлении образцов.

Градиент напряжений на границе покрытие/основа определяет прочность покрытия и детали. Результаты определения остаточных напряжений в образцах с покрытиями приводятся в литературе. Однако остаточные напряжения в основе не определены (Региональный сборник научных трудов. №5, 2003. - Курск, стр.27-40, Гладов В.П. и др. Исследование и определение внутренних напряжений в покрытиях, полученных различными технологиями).

В известных способах определения остаточных напряжений отсутствует конкретизация режимов травления: состав электролита, потенциал поверхности в процессе травления. Произвольное осуществление способа удаления слоев создает ошибки при контроле распределения остаточных напряжений по глубине залегания за счет внесения дополнительных (побочных) напряжений. В некоторых известных технических решениях образцы в держателе устанавливают вертикально (А.с. 1810746, 1668493). Кроме того, в процессе травления происходит повышение температуры. Этот фактор частично учитывается, однако все изложенное понижает надежность и качество результатов.

Недостатком указанных способов является то, что они направлены на учет влияния изменений температуры во время электрохимического травления исследуемых слоев и содержат ошибки и неопределенности с точки зрения физики процесса контроля, что вызывает необходимость корректировки скорости травления из-за повышения температуры состава электролита. Кроме того, в указанном способе (А.с. 1668493) образец помещен вертикально, что создает условия диффузии, неравномерные для разных частей образца. Также недостатком способа является перемешивание, при котором приэлектродный слой имеет большой градиент вдоль образца, а стабилизированный источник тока травления не является потенциостатом, и скорость срабатывания его мала для поддержания постоянства процесса травления.

Известен способ определения остаточных напряжений, в котором приведен состав электролита (SU а.с №1236779 от 1994 г. МКИ C25F 7/00) однако, он не унифицирован и для различных сплавов предложено применять различные варианты его состава.

Устранение погрешности в определении деформации в начале травления предложено в техническом решении (SU а.с. №1436609 от 1993 г. МПК. G01B 30/7), в котором процесс травления ведут в два этапа с длительностью первого этапа 30-60 с и с длительностью паузы, равной длительности первого этапа травления. При определении остаточных напряжений учитывают скачки деформации для каждого включения травления. Однако при этом способе условия корректировки изменения деформации не поддаются компьютерной обработке.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения остаточных напряжений в деталях с электропроводными покрытиями (SU a.c. №1093075 от 1982 г. МПК G01В 7/16), заключающийся в том, что с образца детали электрохимическим травлением удаляют исследуемые слои, одновременно регистрируют изменения деформации образца и рассчитывают по ним остаточные напряжения согласно формулам изложенным, например, в книге Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машиностроение, 1963 г., стр.65.

В указанном способе образец помещают в ванну с травильным раствором, пропускают через образец анодный электрический ток, измеряют деформацию образца и по изменению деформации с изменением глубины залегания слоев определяют остаточные напряжения. При этом контролируют время протекания тока и потенциал поверхности, которые поддерживают в области значений: положительнее потенциала перепассивации и отрицательнее потенциала выделения кислорода. Однако в этом способе не приведен состав электролита и не уточнены значения указанных границ потенциала, которые могут изменяться от состава электролита и химического состава материала образца. Кроме того, при травлении упрочненных и неупрочненных слоев может изменяться выход по току при травлении с постоянной его плотностью, что вносит погрешности в расчет глубины залегания исследуемых слоев. Поддержание потенциала в заданных границах с помощью корректирующих импульсов создает момент неопределенности в постановке задачи и требует создания дополнительного устройства с обратной связью.

Техническим результатом данного изобретения является расширение возможностей способа, повышение производительности, точности и информативности процесса контроля распределения остаточных напряжений по глубине поверхности в покрытии и основе, и, как следствие, повышение надежности и долговечности деталей при изготовлении, упрочнении и нанесении электропроводных покрытий.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе определения остаточных напряжений, заключающемся в том, что электрохимическим травлением удаляют исследуемые слои образца, определяют глубину залегания исследуемых слоев, попутно регистрируют изменения деформации образца и рассчитывают остаточные напряжения по изменению деформации с изменением глубины исследуемых слоев, травление проводят при поддержании постоянства потенциала поверхности, одновременно регистрируют ток, по изменению которого определяют время перехода травления от покрытия к основе и глубину залегания исследуемых слоев, а травление проводят в водном электролите, унифицированном для травления сталей и сплавов на основе алюминия, никеля и титана и их электропроводных покрытий, следующего состава в мас.%:

Плавиковая кислота	6,0±0,5%
Серная кислота	24,4±0,5%
Азотная кислота	9,04±0,5%.

Потенциал поверхности относительно свинцового электрода в том же растворе поддерживают для деталей на основе железа или сплавов на основе алюминия и никеля с электропроводными покрытиями в области значений 2,0-2,6 В, а для титановых сплавов - в области значений 5,0-6,0 В. Глубину залегания исследуемых слоев рассчитывают по ходу выполнения процесса травления по количеству пропущенного электричества кулонометрически, а уточняют ее по окончании процесса травления путем корректировки электрохимического эквивалента по убыли веса образца. При этом измеренную деформацию при травлении приповерхностных слоев малой толщины корректируют из сравнения стабилизированного участка диаграммы деформации с участком повторного включения тока, исключая в дальнейшем время отсутствия тока травления; оценивают коррозионное и напряженное состояние стравливаемых слоев по сравнительному анализу величин тока (или потенциала), определяемых прерывистым его включением.

Реализация предлагаемого изобретения осуществляется следующим образом.

Исследуемые слои образца детали для определения остаточных напряжений удаляют электрохимическим травлением при поддержании потенциала поверхности образца из сталей или сплавов на основе алюминия и никеля с электропроводными покрытиями относительно свинцового электрода в области значений 2,0-2,6 В, а для титановых сплавов - в области значений 5,0-6,0 В. В процессе травления регистрируют ток, по изменению которого определяют время перехода травления от покрытия к основе.

Травление проводят в водном электролите, унифицированном для травления сталей и сплавов на основе алюминия, никеля и титана и их электропроводных покрытий, следующего состава в мас.%: плавиковая кислота - 6,0±0,5%, серная кислота - 24,4±0,5%, азотная кислота - 9,0±0,5%.

Соотношение концентраций указанных кислот обеспечивает оптимальную скорость травления (от 3 до 10 мкм/мин) без разогрева, наводороживания и растравливания исследуемых слоев указанных сплавов. Состав электролита и режим травления (величина потенциала поверхности) подобраны таким образом, чтобы обеспечить удаление исследуемых слоев без искажения измеряемой деформации образца. Деформация образца появляется за счет удаления исследуемых напряженных слоев. На последнее может влиять в качестве побочных явлений перезарядка двойного электрического слоя, наводороживание, растравливание границ зерен, образование плотных окисных слоев, бурное выделение кислорода и др.

Присутствие в составе электролита, например плавиковой кислоты большей концентрации приводит к наводороживанию титановых сплавов, а для других сплавов - к повышению скорости травления и со значительным выделением кислорода и, соответственно, - к растравливанию границ зерен, искажая тем самым искомую величину напряженного состояния.

Уменьшение концентрации серной кислоты - ведет к повышению степени диссоциации плавиковой кислоты и созданию предпосылок к переходу механизма травления от комплексообразования с ионами титана через растворение двуокиси титана к механизму травления, сопровождающемуся образованием ад-атомов водорода, что чревато искажением деформации образца за счет проникновения водорода в титановый сплав. При этом титановые сплавы с различным фазовым составом деформируются по-разному, учесть это практически невозможно. Поэтому предлагаемый состав электролита является оптимальным для электрохимического травления титановых сплавов различного фазового состава.

Азотная кислота указанного количества обеспечивает, в момент погружения образца в раствор, окисленное состояние поверхности, предотвращает возможность протекания процесса растворения металлов в области активного растворения, сопровождающегося выделением водорода.

За счет агрессивного электролита, содержащего в качестве комплексообразователя плавиковую кислоту, диссоциация которой подавлена более сильной кислотой (серной в концентрации 5М), травление протекает при постоянной температуре.

Учет совокупности этих факторов в применении к сталям и сплавам на основе никеля, алюминия и титана, а также к электропроводным покрытиям определяет указанный химический состав электролита.

По величине изменения деформации оставшейся части образца, с изменением глубины залегания исследуемых слоев, рассчитывают остаточные напряжения σ_н.л (И.А.Биргер стр.65).

При отделении образца от напряженной детали может произойти прогиб F_В и (или) изменение длины ε_в исследуемого образца, что зависит от соотношения его геометрических размеров, величины и знака напряжений в исследуемых слоях. В этом случае изменение исходных напряжений может быть рассчитано в виде линейной составляющей (Технологические остаточные напряжения / Под ред. Подзея А.В. М.: Машиностроение 1972 г., стр.115)

Остаточные напряжения в поверхностных слоях исходной детали σ определяют, как сумму напряжений, релаксировавших в результате вырезки σ_д, и нелинейной составляющей, определенной в результате удаления слоев с поверхности образца σ_н.л.:

σ=σ_Д+σ_н.л.,

где σ_н.л. - текущее значение осевых остаточных напряжений (нелинейная составляющая), МПа;

Е - модуль упругости, МПа;

К_У - коэффициент усиления деформации;

L_ТР - длина стравленного слоя, мм;

Н - толщина образца, мм;

F_B - прогиб образца при вырезке, мм;

ε_в - относительное удлинение образца при вырезке;

F - текущее значение деформации образца, мм;

- изменение деформации с изменением глубины залегания исследуемых слоев;

a_i - глубина удаленных слоев на текущий момент, мм;

ξ_i - суммарная деформация образца на текущий момент, мм.

Измеряют скачки деформации, включая и выключая ток, а корректировку деформации в приповерхностных слоях малой толщины проводят из сравнения стабилизированного участка диаграммы деформации с участком повторного включения тока, исключая в дальнейшем время отсутствия тока травления Это позволяет учитывать побочную деформацию образца за счет перезарядки двойного электрического слоя в момент включения тока травления.

При высоком быстродействии применяемого потенциостата длительность такого скачка потенциала менее одной секунды. Время ответной деформации образца соизмеримо со временем перезарядки двойного электрического слоя. Установлено, что этот процесс обратим при кратковременном (до 60 с) выключении тока травления, когда на поверхности металла не успевают произойти существенные необратимые процессы. Одним из таких существенных процессов является процесс растворения поверхностных слоев. Скорость растворения металлов в используемом электролите при выбранном значении потенциала составляет до 10 мкм/мин. Следовательно, за 60 с. успевает раствориться не более 10 мкм поверхностного слоя. Учитывая то, что плотность тока рассчитывается на видимую поверхность, а реальная поверхность во много раз больше за счет ее шероховатости, то реальная глубина травления, относительно которой проводится расчет остаточных напряжений, в первый момент времени во столько же раз меньше.

Электрохимические изменения тока в момент его включения можно отнести только к состоянию самой поверхности. Они отражают более тонкие химические, структурные, а следовательно, и энергетические изменения поверхностных слоев исследуемых образцов, регистрируемые каждую секунду, в том числе и остаточные напряжения, полученные при обработке поверхности различными способами.

Технический результат посредством устройства для определения остаточных напряжений в деталях осуществляется тем, что последнее, содержащее трехэлектродную электролитическую ванну с электродом сравнения, источник тока и связанные между собой горизонтально расположенный образец в держателе, датчик деформации и преобразователь деформации, снабжено приводом держателя образца и компьютером, при этом компьютер подключен к преобразователю деформации, а через источник тока - к электроду сравнения и к приводу держателя образца, причем держатель образца выполнен с возможностью фиксации последнего в горизонтальном положении, а источник тока - в виде потенциостата с обратной связью, поддерживающего потенциал поверхности травления и регистрирующего ток травления.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 схематически изображено устройство для осуществления способа определения остаточных напряжений в деталях с электропроводными покрытиями и без них;

на фиг.2 - эпюра остаточных напряжений, полученная на образце из жаропрочного никелевого сплава с защитным покрытием, совмещенная в масштабе с микрофотографией структуры, где поз.1 обозначена граница поверхности, 2 - покрытие, 3 - переходная зона, 4 - основа;

на фиг.3 - усредненные графики изменения потенциала для разных режимов обработки образцов из никелевого сплава;

на фиг.4 - изменение тока при травлении образцов с покрытиями разной толщины.

Устройство (фиг.1) содержит ванну 1 с травильным раствором 2, токопроводящий держатель 3 горизонтально расположенного образца 4, датчик деформации 5, соединенный с преобразователем деформации 6, который подключен к компьютеру (ПК) 7. В электролитической ванне 1 расположен свинцовый катод 8 и свинцовый электрод сравнения 9, которые вместе с образцом 4 (анодом) подключены к источнику постоянного тока 10, работающему по трехэлектродной схеме и имеющему связь с ПК 7. На инструментальной стойке (не показана) расположен привод (электродвигатель) 11 держателя 3 образца 4, соединенный с источником тока 10. Привод 11 осуществляет касание исследуемой поверхности образца 4 электролита 2. В качестве источника тока используют потенциостат с высокоскоростной обратной связью, обеспечивающий поддержание заданного потенциала с погрешностью не более ±0,1%, с диапазоном задания напряжения +10,0÷1,0 В.

Способ осуществляется следующим образом. Предварительно взвешенный образец 4 закрепляют в держателе 3, покрывают расплавленным воском не подлежащие травлению поверхности держателя 3 и образца 4, размещают на образце 4 преобразователь деформации 6, установленный в среднем значении диапазона измерений. Исходные данные эксперимента вводят в ПК 7 и запускают процесс. Далее в автоматическом режиме по программе образец 3 опускают в электролит 2 до полного касания с исследуемой поверхностью. В момент касания автоматически включается ток травления и в процессе эксперимента проводится регистрация и сохранение результатов: время, деформация, потенциал и ток травления, а также текущая глубина травления (глубина залегания остаточных напряжений), рассчитанная по количеству пропущенного электричества (кулонометрически) (см. Меркулова Н.С., Серебрянников Г.З. Использование ЭВМ для определения остаточных напряжений. Труды МАИ. - М., 1978 г., стр.57-62).

где а - глубина стравленного слоя, (мм);

t - текущее время травления, (с);

I - ток в цепи травления, (А);

α - эффективный электрохимический эквивалент (мг/А.с);

ρ - плотность материала образца, (г/см³);

В - ширина образца, (мм);

L_TP - длина стравленного слоя (мм).

Скорость травления зависит от химического состава материала образца или покрытия и составляет от 3 до 10 мкм/мин. В зависимости от заданной глубины травления (150-300 мкм) эксперимент длится от 15 до 60 мин. По прошествии заданного времени ток травления автоматически отключается и из электролита автоматически поднимается образец, который затем освобождают из держателя, очищают от воска, взвешивают и расчитывают реальный электрохимический эквивалент по убыли веса образца.

где Р₀ - масса образца до травления (г);

P₁ - масса образца после травления (г);

I - ток в цепи травления (А);

Т - общее время травления (с).

При отклонении его значения менее чем на 5% от теоретического значения следует считать определение глубины залегания остаточных напряжений вполне корректным. При отклонении более 5% следует провести расчет электрохимического эквивалента и внести поправку в расчет глубины залегания искомых остаточных напряжений.

В момент включения анодного тока травления потенциал поверхности изменяется более чем на 2 В. При этом происходит перезарядка двойного электрического слоя между поверхностью металла и электролитом от отрицательного значения до положительного, обусловленного адсорбцией катионов, таких как ион водорода, и обусловленного адсорбцией анионов, таких как присутствующие в электролите анионы сульфата и гидроксила. Большая напряженность двойного электрического слоя способствует тому, что в момент перезарядки достаточно тонкий образец деформируется. Для процесса определения остаточных напряжений эта деформация является побочным процессом, искажающим результаты определения остаточных напряжений для тонких поверхностных слоев (до 10 мкм). Время перезарядки двойного электрического слоя составляет порядка 10^-6 с. Через 30-50 с после начала травления ток отключают на такой же промежуток времени. При этом продолжают фиксировать все параметры процесса травления. Измерения проводят через 1с, находят среднее значение производной последних 9 точек СУ12 перед отключением тока. После вторичного включения ищут участок той же длины СУ2, имеющий тот же средний тангенс наклона диаграммы (с допуском 20%). Начальная точка этого участка соответствует окончанию 2-го участка стабилизации (УС2). Определяют длину УС2. Точки УС2 приводят к стабилизированному тангенсу; удаляют отрезок отключения тока, начало УС2 смещают по горизонтали (Времени) и вертикали (Деформации) к окончанию СУ12. По найденной длине УС2 устанавливают длину УС1, и по следующим 9 точкам рассчитывают тангенс СУ1; к тангенсу СУ1 приводят УС1. После этого начало всей диаграммы устанавливают в численный ноль (фактический ноль соответствует показаниям датчика при начале травления).

Количество точек (9) определения среднего значения производной СУ выбрано небольшим, в пределах которого тангенс остается постоянным, и достаточным для уменьшения влияния случайных отклонений.

Расчет эпюры остаточных напряжений (фиг.2) проводят по специальной многовариантной программе, используя массив данных эксперимента с учетом всех геометрических и механических особенностей образца и схемы его закрепления, например для призматических образцов, согласно формулам расчета остаточных напряжений, приведенным выше.

Из графиков фиг.3 видно, что с увеличением энергии упрочнения задержка потенциала, после кратковременного выключения тока травления, уменьшается, что связано с повышением адсорбционной активности упрочненной поверхности образца. Последнее обеспечивает повышение коррозионной стойкости исследуемой поверхности (п.6).

Фиг.4 поясняет способ определения глубины залегания покрытия по времени перехода величины тока от травления более коррозионно-стойкого покрытия к травлению основы с увеличением тока (п.5).

Определение остаточных напряжений в образцах без покрытий является частным случаем исполнения данного способа.

Таким образом, одновременным определением остаточных напряжений в покрытии и основе и анализом электрохимических параметров процесса травления расширены возможности способа. Повышена производительность и информативность способа определения остаточных напряжений за счет специального унифицированного электролита и компьютерной обработки результатов эксперимента.

1. Способ определения остаточных напряжений в деталях с электропроводными покрытиями, заключающийся в том, что с образца детали электрохимическим поэтапным травлением удаляют исследуемые слои, определяют глубину залегания исследуемых слоев, попутно регистрируют изменения деформации образца и рассчитывают остаточные напряжения с изменением глубины исследуемых слоев, отличающийся тем, что травление проводят при поддержании постоянства потенциала поверхности, одновременно регистрируют ток, по изменению которого определяют время перехода травления от покрытия к основе, а глубину залегания исследуемых слоев рассчитывают в реальном масштабе времени по количеству пропущенного электричества (кулонометрически).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что травление производят в водном электролите, унифицированном для травления сталей и сплавов на основе алюминия, никеля и титана и их электропроводных покрытий следующего состава, мас.%:

Плавиковая кислота	6,0
Серная кислота	24,4
Азотная кислота	9,04

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что потенциал поверхности относительно свинцового электрода поддерживают для деталей на основе железа или сплавов на основе алюминия и никеля с электропроводными покрытиями в области значений 2,0-2,6 В, а для титановых сплавов - в области значений 5,0-6,0 В.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют скачки деформации, включая и выключая ток.

5. Устройство для осуществления способа, содержащее трехэлектродную электролитическую ванну с катодом, электродом сравнения и горизонтально расположенным образцом в держателе в качестве анода, источник тока, подключенный к катоду и образцу, и связанные между собой датчик деформации образца и преобразователь деформации, отличающееся тем, что снабжено приводом держателя образца и компьютером, а в качестве источника тока используют потенциостат с обратной связью, обеспечивающий поддержание заданного потенциала, при этом компьютер подключен к преобразователю деформации и источнику тока, а через источник тока - к электроду сравнения и к приводу держателя образца.