Способ определения кристобалита в изделиях из кварцевого стекла методом тепловизионного контроля Российский патент 2023 года по МПК G01N25/72 G01J5/48 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к инфракрасной диагностике и методам теплового неразрушающего контроля сырья из кварцевого стекла, например, в виде труб и стержней, предназначенных для изготовления элементов конструкций летательных аппаратов, и служит для обнаружения наличия кристобалита в сырье, с целью повышения качества радиопрозрачной кварцевой керамики.

При изготовлении элементов конструкций летательных аппаратов из радиопрозрачной кварцевой керамики в качестве исходного сырья используют кварцевое стекло в виде труб и стержней. Технические характеристики материала, получаемого в процессе изготовления изделий, во многом определяются качеством исходного сырья, в том числе его антикристаллизационной способностью. Одним из основных факторов, влияющих на образование кристаллической фазы в кварцевой керамике, после спекания, является наличие в сырье кристобалита, который по причине значительно большего коэффициента температурного расширения создает дополнительные внутренние напряжения в материале, снижая его прочность и трещиностойкость. Кристобалит начинает образовываться на поверхности кварцевых труб и стержней при их изготовлении, увеличивая ее шероховатость.

Наличие кристобалита изменяет теплопроводность кварцевых труб и стержней. Тепловой метод неразрушающего контроля основан на регистрации возмущений, вносимых внутренними дефектами в регулярный характер распространения тепловых потоков в объекте контроля. Температурное поле поверхности объекта является источником информации об особенностях процесса теплопередачи, которые, в свою очередь, зависят от наличия внутренних или наружных дефектов, в том числе в виде кристобалита.

Основным информационным параметром при тепловом методе неразрушающего контроля является локальная разность температур между дефектной и бездефектной областями объекта (ГОСТ Р 56511-2015. Контроль неразрушающий. Методы теплового вида. Общие требования).

Известен способ тепловизионного активного контроля, при котором внутренние дефекты выявляются за счет изменения температурного поля путем нагрева или охлаждения объекта контроля стационарным источником (В.В. Клюев. Неразрушающий контроль. Справочник в 7 томах. Том 5. Книга 1. Тепловой контроль. М: Машиностроение. 2004. 418 с.). Изменение теплоемкости объекта контроля в месте расположения внутреннего дефекта фиксируется тепловизором. Недостаток данного способа контроля - контроль осуществляется на наличие внутренних дефектов, в виде несплошностей, и невозможен для определения кристобалита в сырье из кварцевого стекла ввиду того, что кристобалит образуется на поверхности кварцевых труб и стержней.

Известен способ определения кристобалита при помощи инфракрасной спектрометрии (Ю. Борисов. Инфракрасные излучения. М: Энергия. 1976. 56 с.). Спектральный анализ дает возможность определять не только процентный состав взятого вещества, в том числе процентное содержание отдельных изотопов химических элементов. Спектральные приборы позволяют разложить падающее излучение в спектр и зафиксировать положение отдельных спектральных линий, измерить интенсивность излучения в определенном участке спектра, а также отдельной линии спектра. Кристобалит дает линии спектра на 641 см^-1. Наличие таких линий позволяет идентифицировать кристобалит. Недостатком способа определения кристобалита при помощи инфракрасной спектрометрии является высокая стоимость стационарного оборудования и большие временные затраты при его реализации.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ бесконтактного одностороннего активного теплового неразрушающего контроля, предназначенный для обнаружения структурных дефектов в твердых материалах, когда производится нагрев контролируемого образца источником оптического излучения и одновременная тепловизионная регистрация последовательности инфракрасных термограмм, отражающих изменение температуры поверхности образца (RU 2590347 C1, G01N 25/72, 01.04.2015). Для автоматизации процесса неразрушающего контроля в фиксированной области зоны контроля дополнительно размещают эталонный образец. Материал эталонного образца идентичен материалу контролируемого образца, толщину эталонного образца выбирают близкой к толщине контролируемого образца. Последовательность инфракрасных термограмм, записанная в процессе неразрушающего контроля в память компьютера, обрабатывают методом корреляционного анализа, который включает определение коэффициента корреляции для последовательных моментов времени между температурной функцией образца в каждом текущем пикселе инфракрасных термограмм и температурной функцией эталонного образца.

Недостатком данного способа является односторонний внешний нагрев, который из-за рассеивания температурных полей, не позволяет точно выявить дефекты в виде кристобалита в изделиях из кварцевого стекла.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение точности определения кристобалита в изделиях из кварцевого стекла, предназначенных для изготовления конструкций летательных аппаратов, за счет обеспечения контроля сырья из кварцевого стекла тепловизионным методом.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен:

1. Способ определения кристобалита в изделиях из кварцевого стекла методом тепловизионного контроля, включающий нагрев контролируемого изделия и контрольного образца источником излучения и регистрацию температуры поверхности изделия и контрольного образца тепловизором с формированием термограммы контролируемой поверхности изделия и термограммы поверхности контрольного образца, сравнение термограммы контролируемой поверхности изделия с термограммой поверхности контрольного образца, причем нагрев осуществляют при температуре 40-50°С в течение 1-3 секунд, а изменение состояния температурного поля регистрируют в спектральном диапазоне 3-5 мкм в пределах различимой разницы температур 0,02°-0,04°С, при этом источник теплового излучения располагают с противоположной стороны контролируемого изделия относительно тепловизора, а вывод о наличии кристобалита в изделиях из кварцевого стекла делают по наличию затемнений контролируемой поверхности на термограмме контролируемой поверхности изделия по сравнению с термограммой поверхности контрольного образца.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве изделия из кварцевого стекла используют кварцевые трубы или стержни.

Нагрев кварцевых труб и стержней осуществляют при температуре 40-50°С в течение 1-3 секунд в пределах различимой разницы температур 0,02°-0,04°С для получения максимального температурного градиента между кварцевым стеклом и кристобалитом на их поверхности. Тепловизор располагается с другой стороны от источника теплового излучения с целью регистрации теплового потока, проходящего через кварцевые трубы и стержни.

Температурное поле регистрируется в спектральном диапазоне 3-5 мкм, обеспечивающим тепловую прозрачность материала контролируемого изделия.

На фигуре 1 представлена схема активного тепловизионного контроля. Исследуемое изделие из кварцевого стекла 2 подвергается тепловому воздействию посредством источника теплового излучения 1. Внутри изделия из кварцевого стекла тепловая энергия распространяется во всех направлениях за счет процесса тепловой диффузии. Из-за наличия кристобалита тепловые потоки внутри изделий из кварцевого стекла перераспределяются, что приводит к появлению на поверхности изделий из кварцевого стекла специфических температурных аномалий, фиксируемых тепловизором 3.

На фиг. 2, 3, 5 и 6 приведены термограммы кварцевых труб. На фиг. 4 представлена термограмма кварцевых стержней. На термограммах области кварцевых труб и стержней при наличии кристобалита, уменьшающем их теплопроводность, выделяются более темным цветом, по сравнению с трубами и стержнями без кристобалита. С увеличением содержания кристобалита возрастает затемнение контролируемой поверхности, что хорошо видно на фиг. 5, где слева представлена термограмма контрольного образца кварцевой трубы, а справа - термограмма контролируемой кварцевой трубы с кристобалитом. При этом при снижении содержания кристобалита в кварцевых трубах наблюдается снижение затемнения, что хорошо видно на фиг. 6, где слева представлена термограмма контрольного образца кварцевой трубы, а справа - термограмма контролируемой кварцевой трубы с кристобалитом. Сравнение термограммы контролируемой поверхности с термограммой поверхности контрольного образца позволяет фиксировать наличие кристобалита.

Пример 1. Кварцевую трубу диаметром 20 мм, толщиной стенки 2 мм и длиной 100 мм установили между источником теплового излучения и тепловизором. Причем тепловизор InfRec R500Ex c рабочим спектральным диапазоном 3 - 5 мкм установили на расстоянии нескольких метров от кварцевой трубы. Источник теплового излучения в виде галогенных ламп установили на расстоянии нескольких метров от кварцевой трубы с противоположной стороны относительно тепловизора. Далее осуществлялся нагрев кварцевой трубы до температуры 50°С в течение 1 секунды. При этом различимая разница температур была 0,02°С. На фиг. 2, 3, 5, 6 показаны термограммы кварцевых труб. По наличию затемнения фиксировали наличие кристобалита.

Пример 2. Кварцевый стержень диаметром 45 мм и длиной 100 мм установили между источником теплового излучения и тепловизором. Причем тепловизор InfRec R500Ex c рабочим спектральным диапазоном 3 - 5 мкм установили на расстоянии нескольких метров от кварцевого стержня. Источник теплового излучения в виде галогенных ламп установили на расстоянии нескольких метров от кварцевого стержня с противоположной стороны относительно тепловизора. Далее осуществлялся нагрев кварцевого стержня до температуры 40°С в течение 3 секунд. При этом различимая разница температур была 0,04°С. На фиг. 4 показаны термограммы кварцевых стержней. По наличию затемнения фиксировали наличие кристобалита.

Применение предлагаемого изобретения позволит определить наличие кристобалита в сырье из кварцевого стекла, применяемого для изготовления элементов конструкций летательных аппаратов, и, как следствие, повысить надежность и прочность данных конструкций.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к инфракрасной диагностике и методам теплового неразрушающего контроля сырья из кварцевого стекла, например, в виде труб и стержней, предназначенных для изготовления элементов конструкций летательных аппаратов, и служит для обнаружения наличия кристобалита в сырье, с целью повышения качества радиопрозрачной кварцевой керамики. Предложен способ определения кристобалита в изделиях из кварцевого стекла методом тепловизионного контроля, включающий нагрев контролируемого изделия и контрольного образца источником излучения и регистрацию температуры поверхности изделия и контрольного образца тепловизором с формированием термограммы контролируемой поверхности изделия и термограммы поверхности контрольного образца, сравнение термограммы контролируемой поверхности изделия с термограммой поверхности контрольного образца. Причем нагрев осуществляют при температуре 40-50°С в течение 1-3 с, а изменение состояния температурного поля регистрируют в спектральном диапазоне 3-5 мкм в пределах различимой разницы температур 0,02-0,04°С, при этом источник теплового излучения располагают с противоположной стороны контролируемого изделия относительно тепловизора, а вывод о наличии кристобалита в изделиях из кварцевого стекла делают по наличию затемнений контролируемой поверхности на термограмме контролируемой поверхности изделия по сравнению с термограммой поверхности контрольного образца. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения дефектов в виде кристобалита в изделиях из кварцевого стекла, предназначенных для изготовления конструкций летательных аппаратов, за счет обеспечения контроля сырья из кварцевого стекла тепловизионным методом. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения кристобалита в изделиях из кварцевого стекла методом тепловизионного контроля, включающий нагрев контролируемого изделия и контрольного образца источником излучения и регистрацию температуры поверхности изделия и контрольного образца тепловизором с формированием термограммы контролируемой поверхности изделия и термограммы поверхности контрольного образца, сравнение термограммы контролируемой поверхности изделия с термограммой поверхности контрольного образца, причем нагрев осуществляют при температуре 40-50°С в течение 1-3 с, а изменение состояния температурного поля регистрируют в спектральном диапазоне 3-5 мкм в пределах различимой разницы температур 0,02-0,04°С, при этом источник теплового излучения располагают с противоположной стороны контролируемого изделия относительно тепловизора, а вывод о наличии кристобалита в изделиях из кварцевого стекла делают по наличию затемнений контролируемой поверхности на термограмме контролируемой поверхности изделия по сравнению с термограммой поверхности контрольного образца.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве изделия из кварцевого стекла используют кварцевые трубы или стержни.