СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОТРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2023 года по МПК G01N3/60 G01N19/04 

Изобретение относится к области контроля и диагностики качества компонентов композиционных материалов (КМ), в целом самого КМ при отработке технологии изготовления деталей, применяемых в авиации, ракетно-космической техники, машиностроении, судостроении.

Может быть использовано на предварительных этапах технологического процесса изготовления изделий с целью оперативного экспресс подбора материалов, из предлагаемых на рынке и производимых различными предприятиями-изготовителями, для контроля качества технологического процесса при производстве сложных пространственных многослойных конструкций из КМ, особенно при наличии в них потенциально опасных мест.

Особенно эффективно применение изобретения при отработке технологии изготовления конструкций, к которым предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации.

Процедуре ультраструйной диагностики могут подвергаться образцы из композиционных материалов, обладающих разными селективными физико-механическими свойствами, сформированными с применением различных технологических процессов изготовления, использования различных по составу исходных компонентов для отработки технологии изготовления изделий из того или иного вида композиционного материала и оценки качества технологического процесса и качества исходных компонентов.

Использование полимерных композиционных материалов, обладающих рядом специфических свойств, таких как высокий удельный модуль упругости и высокая удельная прочность, открыли большие перспективы использования их в ракетно-космической и авиационной и других отраслях промышленности. В то же время к ним предъявляются повышенные требования по надежности эксплуатации. Разнообразие таких материалов и способов изготовления для различных специфических конструкций приводит к появлению большого разнообразия количества дефектов, среди которых можно выделить дефекты между слоями в виде непроклеев, магистральных трещин, складок.

Повысить качество таких конструкций невозможно без отработки их технологии изготовления, разнообразие режимов которой определяется разнообразием применяемых материалов. Необходимы новые решения, которые бы обеспечивали высокий уровень достоверности применяемых методов контроля, учитывая, что такие конструкции работают в условиях высоких статических и динамических нагрузок. Среди дефектов, появляющихся при изготовлении конструкций, можно выделить нарушения сплошности КМ между слоями и непроявляющиеся при внешнем осмотре, а также невозможности их обнаружить при неразрушающем методе контроля, так как невысокая аутогезия показывает качество сплошности материала, но при приложении нагрузки может произойти расслоение, приводящее к нарушению работоспособности конструкции.

В связи с этим большое значение приобретает такой метод контроля, который бы гарантировал не только обнаружение дефекта, но и при наличии слабой адгезии и аутогезии его диагностировал.

Известен способ контроля глубины дефектов типа "складка" в изделиях из стеклопластиковых материалов ультразвуковым методом (патент РФ 2788337 от 17.06.2022), включающий установку излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, при этом используют поверхностные и подповерхностные ультразвуковые волны, определяют время их распространения в бездефектной области два раза с двух сторон складки и время распространения ультразвуковых волн на складке, а глубину складки определяют по предварительно установленной регрессионной зависимости.

Недостатком известного способа является то, что нужно знать место складки, и задача состоит в том, что необходимо определить ее глубину, но не область распространения дефекта по всему изделию, т.е. можно ли с такой складкой допустить изделие в эксплуатацию.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является акустико-эмиссионный способ определения типа дефекта структуры образца из углепластика (патент РФ 2676209 от 26.12.2018), включающий установку тензодатчиков в область концентратора напряжений, нагружение образца первоначально до нагрузки, при которой тензодатчики фиксируют напряженно-деформированное состояние, соответствующее разрушению матрицы при растяжении и сжатии образца, после чего нагружение останавливают, проводят анализ формы сигналов акустической эмиссии из зоны локации и вычисляют структурный коэффициент, строят его зависимость от нагрузки, затем выполняют нагружение до нагрузки, при которой тензодатчиками фиксируют напряженно-деформированное состояние, соответствующее разрушению волокна, после чего нагружение останавливают, вычисляют структурный коэффициент, строят зависимости структурных коэффициентов от нагрузки и судят о типе дефекта в образце: уменьшение структурного коэффициента соответствует разрушению матрицы, а его увеличение - разрушению волокна. Данный способ принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, воздействуют на испытуемый образец нагрузкой до разрушения, проводят оценку качества его изготовления.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является ступенчатое нагружение образца до разрушения и сложность обработки результатов после каждого нагружения, т.е. получают значения разрушения в целом всего образца, а какой вклад в это разрушение внес дефект не будет выявлен.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей способа за счет выявления скрытого дефекта, определения его площади и, как следствие, величины адгезионной и аутогезионной прочности между слоями композитного материала путем выявления места дефекта поверхности объекта исследования за счет гидроэрозионного разрушения.

Решение этой задачи является актуальным и позволит расширить прикладные возможности метода ультраструйной дефектоскопии (УСД) при отработке технологии (назначении режимов изготовления) изготовления изделий из композиционных материалов, выборе их компонентов.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе, включающем силовое воздействие нагрузкой до разрушения образца, оценку качества его изготовления, согласно изобретению воздействие осуществляют с помощью гидроструи жидкости под давлением не менее 200 МПа при подаче за время, обеспечивающее равномерное ее воздействие по всей поверхности образца и по величине изменения толщины образца, площади разрушения поверхности за счет эрозионного износа судят о наличии и величины внутреннего дефекта в материале и силе адгезии и аутогезии.

Кроме того, проводят сравнительный анализ образцов из различных компонентов композиционного материала и технологий их изготовления для выбора наилучшего варианта организации производства изделий из композиционных материалов.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - воздействие осуществляют ультраструей жидкости под давлением не менее 200 МПа при подаче за время, обеспечивающее равномерное ее воздействие на всю поверхность образца; после воздействия ультраструи проводят визуальное сравнение величины изменения толщины поверхности образца, площади разрушения его поверхности за счет эрозионного износа; оценивают качество о наличии и величины внутреннего дефекта в материале и силе адгезии и аутогезии; проводят сравнительный анализ образцов из различных компонентов композиционного материала и технологий их изготовления для выбора наилучшего варианта организации производства изделий из композиционных материалов.

В заявляемом способе силовое воздействие на материал проводят не до механического его разрушения, а для равномерного удаления поверхностного слоя и по величине разности удаляемых слоев материала судят о наличии и величины дефекта.

Воздействие на испытуемый образец ультраструей жидкости под давлением не менее 200 МПа позволит обеспечить гидроэрозионное разрушение поверхностного слоя образцов, по величине которого судят о качестве образца и технологии его изготовления.

Оценка результатов воздействия производится путем измерения глубины удаленного слоя материала, площади поверхности образца и сравнения их результатов.

Используя различные режимы воздействия гидроструи, можно расширить возможности контроля и диагностики наличия внутренних дефектов в композиционных материалах, а также проводить оценку адгезии и аутогезии.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг 1, 2.

На фиг. 1 показана схема осуществления способа. На схеме обозначены: 1 - герметичный контейнер с УШМ SturmAG9012TE (Китай); 2 - крепежный элемент диска (шайба); 3 - диск с тестируемым композиционным материалом; 4 - струя жидкости; 5 - сопло; 6 - источник гидроструи KMT Ultrajet (Китай); S - направление подачи гидроструи.

На фиг. 2 показан внешний вид разрушения поверхности образца у качественного диска.

На фиг. 3 показан внешний вид разрушения поверхности образца у дефектного диска.

На фиг. 2-3 показаны: 1 - неповрежденные области; 2 - поврежденные области; 3 - область залегания дефекта.

В ходе эксперимента регистрировалась глубина удаленного слоя материала и площадь разрушенной поверхности образца.

Способ оценки качества компонентов и технологии изготовления образцов из композиционных материалов для отработки технологии производства изделий из композиционных материалов осуществляют следующим образом.

Изготавливают композитную пластину из препрега PM18/200UD/36%/UMT49-12K/100, в некоторых областях которой специально добавлены дефекты в виде непроклеев площадью 8 см² (нарушение сплошности, аутогезии) с использованием машинного масла ЛУКОЙЛ люкс SAE 5W-40, API SJ/CF. Всего было нанесено 8 слоев препрега толщиной 200 мкм каждый. Дефектный слой был на расстоянии 400 мкм от поверхности пластины, т.е. это был третий слой. Из пластины были вырезаны 4 диска диаметром 125 мм. Два качественных и два с дефектом.

Диски устанавливают на угловую шлифовальную машину (УШМ). Частота вращения диска-мишени составляла 10000 об/мин. При скорости подачи гидроструйной головки 2250 мм/мин диск совершал 4,44 оборота, таким образом, ультраструя воздействовала на всю площадь диска.

Затем измеряют толщину уносимого слоя образца и площадь поврежденной поверхности, проводят оценку качества композиционного материала, технологии изготовления образцов путем сравнения толщин уносимых слоев и поверхностей их разрушения по их минимальным параметрам, а также о адгезии и аутогезии.

В ходе экспериментов авторами впервые установлена однозначная связь разрушения поверхности образца в месте слабой адгезии и аутогезии и нарушения сплошности материала.

Пример конкретного выполнения

Производили диагностику трех образцов из композиционных материалов, изготовленных из препрега PM18/200UD/36%/UMT49-12K/100 на основе углеткани КМКУ-3м.150.UMT49 и эпоксидного связующего ВСК-14-3: (39±2)%. методом инфузии (технология VARTM), в которые добавлены дефекты в виде непроклеев площадью 8 см² (нарушение сплошности, аутогезии) с использованием машинного масла ЛУКОЙЛ люкс SAE 5W-40, API SJ/CF.

Процесс ультраструйной диагностики состоял из следующих основных этапов:

- установка и закрепление образцов в технологической оснастке в УШМ SturmAG9012TE на координатном столе гидроабразивной установки KMT Ultrajet;

- ультраструйное воздействие на поверхность образца из композитного материала, изготовленного из препрега PM18/200UD/36%/UMT49-12K/100 при технологических режимах согласно таблице 1;

Таблица 1
Технологические режимы работы оборудования, используемые при проведении эксперимента Название параметра Значения Скорость подачи гидроструйной головки 2250 мм/мин Угол подачи гидроструйной головки 90° Базовое давление 380 МПа Давление испытания 200 МПа Источник гидроструи Вода Диаметр сопла 0,5 мм Расстояние от сопла до поверхности образца 60±2 мм Расстояние выполнения подачи до крепежной шайбы 50 мм Частота оборотов диска 10000 об/мин

- анализ глубины разрушения поверхностного слоя с помощью приставки с индикатором часового типа Mahr 4337650 MarCator 1086ZR Electronic Indicator.50/12.5mm (Германия) и площади поврежденной поверхности с использованием программного обеспечения Paint.net.;

- занесение экспериментальных данных в таблицу для проведения дальнейшего анализа результатов. При проведении экспериментов получены следующие результаты (табл. 2):

Таблица 2
Результаты экспериментов после ультраструйного воздействия Варианты испытаний Качественный диск Дефектный диск Исходная толщина, мм Толщина после обработки гидростру
ей, мм Относительное изменение толщины/площади разрушения Исходная толщина, мм Толщина после обработки гидроструей, мм Относительное изменение толщины/площади разрушения 1 1,591 1,507 0,95/0,79 1,603 1,130 0,701/0,93 2 1,606 1,560 0,971/0,63 1,598 1,240 0,776/0,95 3 1,598 1,571 0,98/0,65 1,602 1,220 0,761/0,97

Анализируя полученные результаты в таблице 2, можно судить о режиме диагностирования, который показывает, что при воздействии на дефектные диски, ультраструя удаляет больше слоев материала, и создает большую дефектную площадь, чем при воздействии на качественные диски.

После контакта с гидроструей в диске с дефектом слои материала разошлись в тех местах, где находился дефект, и вся дефектная часть была разрушена до глубины слоев, где закладывался дефект, в то время как у качественного диска пострадала лишь часть поверхности соприкосновения со струей.

Таким образом, заявляемый способ приемлем для выбора оптимальных его составляющих, позволяет проводить оценку качества самого материала и технологии его изготовления. Преимущество способа состоит в том, что он позволяет проводить диагностику внутренних дефектов композиционных материалов, внешне незаметных.

С увеличением напора гидроструи можно снимать больше слоев материала для лучшего анализа внутренней структуры повреждений материала, отработки технологических режимов и в целом оценки качества разрабатываемой технологии для изготовления конструкций.

Изобретение относится к ультраструйной диагностике композиционных материалов и деталей из них, применяемых в авиации, ракетно-космической техники, машиностроении, судостроении и других отраслях. Сущность: осуществляют воздействие на испытуемый образец ультраструей жидкости под давлением не менее 200 МПа при подаче за время, обеспечивающее равномерное ее воздействие на всю поверхность образца. После воздействия ультраструи проводят визуальное сравнение величины изменения толщины поверхности образца, площади разрушения его поверхности за счет эрозионного износа, оценивают качество по наличию и величине внутреннего дефекта в материале и силе адгезии и аутогезии. Технический результат: обеспечение возможности отработки технологии и выбора материалов для изготовления изделий из композиционных материалов путем гидроэрозионного разрушения поверхностного слоя образцов вследствие воздействия ультраструи воды и повышение качества процедуры ультраструйной диагностики (УСД). 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Способ оценки качества технологии изготовления образцов из композиционных материалов для отработки технологии производства изделий из композиционных материалов, включающий силовое воздействие на испытуемый образец, оценку качества его изготовления, отличающийся тем, что воздействие осуществляют ультраструей жидкости под давлением не менее 200 МПа при подаче за время, обеспечивающее равномерное ее воздействие на всю поверхность образца, после воздействия ультраструи проводят визуальное сравнение величины изменения толщины поверхности образца, площади разрушения его поверхности за счет эрозионного износа, оценивают качество по наличию и величине внутреннего дефекта в материале и силе адгезии и аутогезии.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проводят сравнительный анализ образцов из различных компонентов композиционного материала и технологий их изготовления для выбора наилучшего варианта организации производства изделий из композиционных материалов.