СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ДЕФЕКТОВ МАТЕРИАЛОВ ( ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК G01N23/18 

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля внутренних расслоений на собранных изделиях в композиционных материалах и отслоений в многослойных конструкциях, в частности, в угле-, боро-, стекло- и органопластиках на глубине до 13 мм, и может быть преимущественно использовано при контроле эксплуатационных повреждений летательных аппаратов и других тонкостенных контролируемых объектов, а также при испытаниях ударной стойкости тонкостенных композиционных материалов и многослойных конструкций как при двухстороннем, так и одностороннем подходах.

Известные способы определения размеров дефектов материалов, заключающиеся в том, что в контролируемый объект вводят контрастирующее индикаторное вещество (пенетрант), облучают контролируемый объект гамма- или рентгеновским излучением и регистрируют при двухстороннем подходе к контролируемому объекту его теневое рентгеновское изображение [1, 2, 3], а при одностороннем подходе к контролируемому объекту - пространственное распределение вторичного излучения, возбуждаемого в метящем веществе (наиболее тяжелый элемент) пенетранта в процессе облучения контролируемого объекта [2, 4, 5].

В указанных способах в качестве пенетрантов применяются насыщенные растворы солей тяжелых металлов, которые позволяют выявлять расслоения в контролируемом объекте и отслоения в многослойных конструкциях на глубинах до 35...83 мм в композиционных материалах (табл.1) [2].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ [5] определения размеров дефектов материалов, включающий введение в контролируемый объект контрастирующего вещества, облучение объекта гамма- или рентгеновским излучением с энергией не менее 82,9 кэВ при применении в качестве контрастирующего вещества раствора сулемы или не менее 87,6 кэВ при применении в качестве контрастирующего вещества тетраэтил - или тетраметил свинца, регистрацию при одностороннем доступе к контролируемому объекту пространственного распределения вторичного излучения, возбуждаемого при облучении объекта гамма- или рентгеновским излучением, в котором в качестве контрастирующего вещества используют тетраэтил или тетраметил свинца или насыщенные растворы сулемы в этиловом или метиловом спирте, а также в ацетоне.

Недостатком этого способа является то, что применяемые контрастирующие вещества сильно токсичны [2, 6, 7], а для возбуждения в них вторичного характеристического рентгеновского излучения (ХРИ) наиболее коротковолновой К- серии, проникающей через композиционные материалы толщиной до 77...82 мм требуются источники излучения большой мощности [2].

В то же время в авиационных конструкциях толщина применяемых композиционных материалов не превышает 8...10 мм [8], а используемая в полевых условиях переносная и передвижная рентгеновская аппаратура (табл.2) [9] обеспечивает анодное напряжение на рентгеновской трубке только до 100 кВ (66,67 кэВ). Даже используемый в авиаремонтных предприятиях рентгеновский аппарат РУП-120-5-1 массой 75 кг [10] и импульсный аппарат МИРА-1Д не способны обеспечивать рентгеновское излучение с энергией, необходимой для возбуждения характеристического излучения К- серии в указанных пенетрантах.

Целью изобретения являются обеспечение экологических требований безопасности путем снижения потребной энергии излучения и токсичности контрастирующего вещества при определении наличия и размеров внутренних дефектов композиционных материалов, применяемых в авиационных конструкциях.

Цель достигается тем, что в качестве контрастирующего вещества используются насыщенные растворы сульфата цинка (ZnSO₄) в воде, глицерине, или ацетата цинка (Zn(СН₃СОО)₂) в воде, метаноле, ацетоне, анилине, пиридине, или хлорида цинка (ZnCl₂) в воде, эфире, этаноле, глицерине, ацетоне [7]. Предлагаемые к применению соединения цинка хорошо растворяются в указанных растворителях (табл.1) [7]. Атомы цинка (Z=30) обладают энергией характеристического рентгеновского излучения Е_хри=9,72 кэВ. Поскольку ослабление интенсивности гамма - и рентгеновского излучения пропорциональна , значит с ростом Е_хри толщина контроля δ_к должна возрастать пропорционально [11], однако плотность потока вторичного излучения от точечного источника, улавливаемая сцинтилятором прибора, пропорциональна . Таким образом, толщина контроля δ_к линейно зависит от Е_хри. В итоге, растворы соединений Zn позволяют контролировать внутренние дефекты в композиционных материалах на глубине до 9,1 мм. При этом глубина выявляемого расслоения δ_к тем больше, чем больше концентрация цинка в растворе.

На несколько большей глубине можно выявлять дефекты, применяя в качестве пенетранта бромид цинка ZnBr₂. Высокое содержание брома (70,97%), его большой атомный номер (Z=35) и большая энергия характеристического излучения (Е_хри=14,02 кэВ) в сочетании с высокой проникающей способностью концентрированных растворов в этаноле, эфире и воде, позволяют выявлять дефекты в композиционных материалах на глубине до 13,1 мм.

Предлагаемые пенетранты (табл.1) [6, 7] либо вовсе не токсичны (сульфат цинка, ацетат цинка), либо слабо токсичны и применяются, например, в дезодорантах (хлорид цинка) или в квасцах и питьевой воде (бромид цинка).

Последовательность операций при применении предлагаемого изобретения следующая.

До введения пенетранта в контролируемый объект выполняют последовательное облучение отдельных точек зоны предполагаемого повреждения и прилегающих участков ионизирующим излучением (рентгеновского или гамма излучения от радиоактивного источника) с энергией не менее 9,72 кэВ (анодное напряжение не менее 14,58 кВ) при использовании растворов сульфата цинка, хлорида цинка и ацетата цинка и не менее 14,02 кэВ (анодное напряжение не менее 21,03 кВ) при использовании растворов бромида цинка.

Обильное нанесение контрастирующего пенетранта на торцы участка разрушения (пробоины) и выдержка его до полного проникания в расслоения. При контроле расслоения под несквозными (внутренними) повреждениями вводится операция предварительного сверления места повреждения на глубину, превышающую расстояние до ожидаемого расслоения, а при контроле нераскрытых расслоений, например в зоне напряжений сжатия, ввод пенетранта выполняется при изгибе или нагреве (охлаждении) конструкций.

Измерение флюоресцентного излучения контролируемого объекта в тех же точках и определение границы расслоения по изменению показаний счетчика относительно фона соответствующих участков изделия; измерение площади расслоения по контурам определенных границ расслоения.

В способе проявляется новое свойство - возможность неразрушающего контроля наличия и площади внутренних дефектов в тонкостенных композиционных материалах, например авиационных конструкций, при одностороннем доступе к месту повреждения с исключением влияния токсичных пенетрантов и значительного уменьшения воздействия ионизирующего излучения на исполнителей. Способ экологически чистый, так как энергия рентгеновского излучения при его реализации значительно меньше энергий, используемых в медицине, которые достигают 90 кВ, а метящие вещества либо не токсичны, либо слабо токсичны и применяются в медицине.

Источники информации

1. Патент РФ №1822257, G 01 №23/18, 1993.

2. Кочаров Э.А. Неразрушающий контроль внутренних расслоений в композиционных материалах и отслоений в многослойных конструкциях./ Вопросы оборонной техники, сер.15, вып.2 (119), 1998, с.54-61.

3. Freeman S.M. Characterization of Lamine and Ynterlamine in Graphite/ Epoxy composites by the Deply Technigue. - ASTM STR - 1981. - №787.

4. Патент РФ №172388, G 01 №23/18, 1993.

5. Патент РФ №2046323, G 01 №23/18, 1993.

6. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и в воде. 2 изд. - Л.: Химия, 1975.

7. Химическая энциклопедия. Т.1...5. - М.: Научиздат "Большая Российская энциклопедия", 1992...1998.

8. Композиционные материалы в военной авиации./ Под ред. П.Т.Коломыцева. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1985.

9. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. В 2-х книгах. Кн. 1/ Под ред. В.В.Клюева. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1986.

10. Дефектоскопия деталей при эксплуатации авиационной техники./ Под ред. П.И.Беды. - М.: Воениздат, 1978.

11. Рентгенотехника./ Под ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1980.

Таблица 2
Основные технические характеристики рентгеновских аппаратов, применяемых в полевых условияхТип аппаратаТип рентгеновской трубкиДиапазон анодного напряжения, кВПотребляемая мощность, кВ-АМасса рентгеновского излучателя, кгПереносные аппараты8ЛЗ(Арман-1)1.6БДМ9-9070-752,011,8РЕЙС-100-30-1000,066,0РУП. 120-5-10,4БПМ2,12050-1201,045,0МИРА-1ДИМА6-Д80 кэВ (эффектная энергия)0,31,5Передвижные аппаратыРУТ-60.20.1М1БПВ1-6010-602,5-РУП-100-101БПВ15-100
1БПВ17-10010-100
10-1003,0
3,06,0РАП-150-021БПВ15-10010-1003,08,0

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает введение в контролируемый объект контрастирующего вещества, облучение объекта ионизирующим излучением, регистрацию пространственного распределения вторичного излучения, возбуждаемого при облучении объекта ионизирующим излучением, при этом в качестве контрастирующего вещества используют насыщенный водный раствор хлорида цинка или бромида цинка. Технический результат - снижение уровня токсичности контрастирующего вещества. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ определения размеров внутренних дефектов материалов, включающий введение в контролируемый объект контрастирующего вещества, облучение объекта ионизирующим излучением, регистрацию при одностороннем доступе к контролируемому объекту пространственного распределения вторичного излучения, возбуждаемого при облучении объекта ионизирующим излучением, отличающийся тем, что в качестве контрастирующего вещества используют насыщенный водный раствор хлорида цинка, а облучение объекта ионизирующим излучением производят с энергией не менее 9,72 кэВ.2. Способ определения размеров внутренних дефектов материалов, включающий введение в контролируемый объект контрастирующего вещества, облучение объекта ионизирующим излучением, регистрацию при одностороннем доступе к контролируемому объекту пространственного распределения вторичного излучения, возбуждаемого при облучении объекта ионизирующим излучением, отличающийся тем, что в качестве контрастирующего вещества используют насыщенный водный раствор бромида цинка, а облучение объекта ионизирующим излучением производят с энергией не менее 14,02 кэВ.