Способ определения средней толщины серебряного покрытия на медной оребренной стенке Российский патент 2018 года по МПК G01B15/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к неразрушающим способам измерения толщины серебряного покрытия на медной оребренной детали.

В технологии изготовлении охлаждаемых стенок камер сгорания, теплообменников и других узлов ЖРД применятся контактно-реактивная пайка (КРП), при которой на сопрягаемые поверхности деталей наносятся гальванические покрытия меди и серебра. Как правило, внутренняя деталь такой сборки представляет собой оребренную стенку, изготовляемую из меди или бронзы БрХ_0.8. Для проведения КРП на оребренные стенки наносится гальваническое серебряное покрытие, а на внешнюю стенку сборки, с которой сопрягается оребренная, гальваническое покрытие меди. Для получения качественных паяных соединений необходимо, чтобы при контактном плавлении во время пайки образовалось такое количество жидкой фазы припоя (медно-серебряной эвтектики), которого хватило бы для заполнения зазора между сопрягаемыми поверхностями и образования плотных галтелей.

Особенностью покрытий на оребренных стенках является значительная разница толщины покрытия на элементах оребрения: торце ребер, дне канала и боковых стенках канала. Поскольку основой одной из сопрягаемых стенок является медь, то главным технологическим фактором, контролирующим количество жидкой фазы припоя, будет средняя толщина серебряного покрытия на оребренной стенке Н_ср, значение которой используют для расчета параметров осаждения покрытия и которое указывается в технологической документации.

В источнике (Liebhafsky Н.А., Zemany P.D., Anal. Chem., 1956, 28, 455) толщину хромового покрытия, нанесенного на молибденовую подложку, определяли по изменению интенсивности его К-линии, возбуждаемой излучением рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом. Здесь измеряется интенсивность характеристического излучения покрытия, характеризующая его толщину.

К недостатку этого способа можно отнести следующее:

- измерения толщин покрытий производится на плоских образцах (лента, фольга) с покрытием);

- большие размеры рентгеновских установок;

- невозможность использования этих установок для определения толщин покрытий, нанесенных на громоздкие изделия сложной формы.

Известно также, что для определения толщины покрытий может быть использовано рентгеновское излучение, при этом используются как эффекты поглощения рентгеновского излучения, так и эффекты возбуждения (флюоресценции). Например, в [1] приводятся результаты по определению толщины оловянного покрытия, нанесенного на железную подложку. Здесь полихроматическим излучением медной мишени возбуждали К-линию железа в подложке и измеряли ее интенсивность после прохождения через покрытие олова. В [2] толщину хромового покрытия, нанесенного на молибденовую подложку, определяли по изменению интенсивности его К-линии, возбуждаемой излучением рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом.

Известен также (INL, Moore, Glenn, etc "Evolution of Portable X-ray Fluorescence (XRF) Analyzer for Zirconium - Thickness Measurements", September, 2013) способ рентгенофлюоресцентного анализа (РФА) для определения толщины металлического покрытия, нанесенного на металлическую подложку, включающий в себя выполнение нескольких образцов эталонного стандарта - пластин U-10Мо с нанесенной на их поверхность покрытия из циркония Zr разной толщины (измерение толщин покрытия на образцах определялось с помощью электронного микроскопа), затем с помощью прибора Olympus-X Delta Standart производят несколько измерений концентраций в единичном объеме циркониевого покрытия и U-10Мо подложки на образцах с известной разной толщиной покрытия, а затем строят график зависимости толщины покрытия Zr от концентрации Zr в весовых процентах [3]. Прототип.

Недостатком прототипа является то, что этот способ предназначен для измерения толщины металлических покрытий только на плоских образцах.

Задачей предлагаемого изобретения является создание неразрушающего способа измерения толщины серебряного покрытия на медной оребренной детали.

Эта задача решена за счет того, что способ измерения толщины серебряного покрытия на поверхности медной оребренной детали основан на выполнении медных тест-образцов с известной толщиной серебряного покрытия, использовании рентгеновского излучения, испускаемого рентгенофлюоресцентным анализатором (РФА), измерении значений концентраций элементов покрытия и подложки в весовых процентах (вес %), получении выражения корреляционной функции между измеренной концентрацией элемента покрытия и толщиной покрытия в виде выражения: , где H_Ag - толщина серебряного покрытия; К₁ - коэффициент корреляции функции; C_Ag - концентрация серебряного покрытия в вес.%, а среднюю толщину серебряного покрытия на поверхности оребренной стенки вначале определяют путем определения толщины покрытия на поверхности торца ребра по уравнению (1): H_t=K₁⋅C_Ag, а затем среднюю толщину покрытия по уравнению: Н_cp=Н_t⋅К₂, где К₂ - коэффициент, зависящий от геометрии оребренной стенки и учитывающий вклад в значение средней толщины покрытия его толщины на дне межреберного канала (Н_d) и на поверхности двух боковых стенок межреберного канала (Н_b). Кроме того, при определении концентрации серебряного покрытия на торце ребра оребренной стенки ось анализатора РФА ориентируют в перпендикулярно оси межреберного канала

Технический результат состоит в том, что изобретение способно с высокой точностью обеспечить определение средней толщины серебряного покрытия на медной оребренной детали, измеряя толщину этого покрытия только на торце ребра указанной стенки, за счет расположения оси анализатора (РФА) поперек оси межреберного., канала, при этом толщина покрытия на других поверхностях канала, значения которой необходимы для определения коэффициента К₂, определяются предварительно путем прямого измерения на поперечных шлифах оребренной стенки.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлен график зависимости толщины серебряного покрытия от концентрации серебра на оребренной медной детали.

На Фиг. 2 представлен фрагмент поперечного сечения медной оребренной стенки, на внутренней поверхности которой нанесено серебряное покрытие.

На Фиг. 3 приведена фотография фрагмента проставки коллектора жидкостного ракетного двигателя РД 171М.

Осуществление изобретения

Для определения корреляционной функции было изготовлено семь плоских медных тест-образцов с нанесенным серебряным покрытием известной толщины. С помощью анализатора на тест - образцах провели измерения концентрации серебра в вес %. На основании этих данных был построен график зависимости толщины покрытия от его концентрации (Фиг. 1).

Кроме того, была определена корреляционная функция в виде

где H_Ag - толщина серебряного покрытия на тест-образце; K₁ - коэффициент корреляции функции = 0.156; C_Ag - концентрация серебряного покрытия.

Для оребренной стенки средняя толщина покрытия может быть определена по выражению:

где H_t, Н_d, Н_b - толщина покрытия на торце ребра, на дне канала и на двух боковых поверхностях ребра соответственно, L_t, L_d, L_b - ширина ребра, ширина канала и высота ребра соответственно.

Толщины покрытия на дне канала H_d и боковой поверхности ребра Н_b можно выразить через толщину покрытия на торце ребра H_t как:

Подставив (3) в (2) получим

Как следует из (4) для определения средней толщины покрытия на оребренной стенке необходимо определить толщину покрытия на торце ребра и результат умножить на поправочный коэффициент K₂.

Практическую проверку предлагаемого способа проводили на примере измерения толщины серебряного покрытия на оребренной стенке проставки коллектора двигателя РД 171М (см. фиг. 3, стрелками 1 указана оребренная стенка). При этом ось прибора ориентировали поперек оси межреберного канала, что позволяло определять толщину на торце ребра, поскольку при такой ориентации прибора характеристическое излучение серебра от поверхности дна канала и поверхностей боковых ребер в детектор прибора не попадало.

Значения параметров оребрения стенки проставки коллектора двигателя РД 171М приведены в таблице 1.

Прямыми измерениями на поперечном шлифе стенки с помощью электронного микроскопа были определены значения H_t, H_d и Н_b. Установлено, что толщина H_d примерно равна толщине Н_b и составляет ~0.5 от толщины H_t, значение которой равно 4.41±0.05 мкм. (табл. 2, столбец 2). На основании этих данных значение коэффициента K₂ для стенки с такой геометрией при n=m=0.5 равно ~0.6, а Н_ср=4.41 мкм ⋅ 0.6=2.65 мкм.

Значение толщины серебра H_t на торце ребер стенки, рассчитанное по уравнению (1) путем определения концентрации серебра на этой поверхности при ориентации оси прибора OLYMPUS DELTA Professional поперек оси межреберного канала равно H_t=4.69±0.07 мкм (табл. 2 столбец 1), а Н_ср=4.69 мкм ⋅ 0.6=2.81 мкм.

Промышленное применение

Предлагаемое изобретение найдет применение в различных областях техники при конструировании аппаратов, в которых применяется пайка соединяемых оболочек, например, при создании теплообменников энергетических установок.

Изобретение способно с высокой точностью обеспечить определение средней толщины серебряного покрытия на медной оребренной детали, измеряя толщину этого покрытия только на торце ребра указанной стенки, за счет расположения оси анализатора (РФА) поперек оси канала.

Использование: для измерения толщины серебряного покрытия на медной оребренной детали неразрушающим способом. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют тест-образцы с известной толщиной покрытия, используют рентгеновское излучение, испускаемое рентгенофлюоресцентным анализатором (РФА), измеряют значение концентрации элемента покрытия в весовых процентах (вес. %), получают выражение корреляционной функции между измеренной концентрацией элемента покрытия и толщиной покрытия, при этом вначале измеряют концентрацию серебра в вес. % на поверхности торца ребер, ориентируя ось прибора перпендикулярно оси межреберного канала, определяют толщину серебряного покрытия на поверхности торца ребер, используя корреляционную функцию в виде выражения: H_t=K₁⋅C_Ag, где H_t - толщина серебряного покрытия на торце ребра; K₁ - коэффициент корреляции функции для пары медь серебро равный 0.156; C_Ag - концентрация серебряного покрытия в вес. %, а среднюю толщину серебряного покрытия на поверхностях оребренной стенки определяют по следующей формуле: H_ср=H_t⋅K₂, где К₂ - коэффициент, учитывающий вклад толщины серебряного покрытия на дне и боковых стенках канала: К₂= (L_t+nL_d+2mL_b)/(L_t+L_d+2L_b), где L_t, L_d, L_b - ширина ребра, ширина канала и высота ребра соответственно; n и m коэффициенты, равные отношениям: n=H_d/H_t и m=Н_b/H_t, где Н_b - толщина покрытия на поверхности боковых стенок каналов, H_d - толщина покрытия на дне канала. Технический результат: обеспечение возможности с высокой точностью обеспечить определение средней толщины серебряного покрытия на медной оребренной детали, измеряя толщину этого покрытия только на торце ребра указанной стенки. 3 ил., 2 табл.

Способ измерения средней толщины серебряного покрытия на поверхности медной оребренной детали, основанный на выполнении тест-образцов с известной толщиной покрытия, использовании рентгеновского излучения, испускаемого прибором рентгенофлюоресцентным анализатором (РФА), измерении значения концентрации элемента покрытия в весовых процентах (вес. %), получении выражения корреляционной функции между измеренной концентрацией элемента покрытия и толщиной покрытия, отличающийся тем, что вначале измеряют концентрацию серебра в вес. % на поверхности торца ребер, ориентируя ось прибора перпендикулярно оси межреберного канала, определяют толщину серебряного покрытия на поверхности торца ребер, используя корреляционную функцию в виде выражения: H_t=K₁⋅C_Ag, где H_t - толщина серебряного покрытия на торце ребра; К₁ - коэффициент корреляции функции для пары медь серебро равный 0.156; C_Ag - концентрация серебряного покрытия в вес. %, а среднюю толщину серебряного покрытия на поверхностях оребренной стенки определяют по следующей формуле: Н_ср=H_t⋅K₂, где К₂ - коэффициент, учитывающий вклад толщины серебряного покрытия на дне и боковых стенках канала: К₂= (L_t+nL_d+2mL_b)/(L_t+L_d+2L_b), где L_t, L_d, L_b - ширина ребра, ширина канала и высота ребра соответственно; n и m коэффициенты, равные отношениям: n=H_d/H_t и m=H_b/H_t, где H_b - толщина покрытия на поверхности боковых стенок каналов, H_d - толщина покрытия на дне канала.