Способ определения концентрации водорода в титановом сплаве Российский патент 2024 года по МПК G01N29/07 C22C14/00 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля с помощью ультразвуковых волн и может быть использовано для определения концентрации водорода в технических объектах из титановых сплавов.

Известен способ определения концентрации водорода в титановых сплавах, заключающийся в том, что для определения концентрации водорода применяют масс-спектрометрическую установку. Для определения выхода водорода из разных мест образцов используют электронный пучок [Никитенков Н.Н., Хашхаш A.M., Чернов И.П. и др. Установка для исследования радиационного и термического выделения газов из неорганических материалов - Приборы и техника эксперимента. - 2009. - № 6. - С. 110-115]. Недостатком данного способа является высокая трудоемкость использования в массовом производственном контроле и невозможность применения на готовых изделиях в процессе эксплуатации.

Недостатками, присущими названному способу, в меньшей степени обладает способ, заключающийся в том, что о концентрации водорода в поверхностном слое изделий судят на основании измерения микротвердости и рентгеноструктурного анализа [Пульцин Н.М. Взаимодействие титана с газами. М.: Металлургия. - 1969. - 217 с.]. Тем не менее, данный способ мало пригоден для экспресс-использования в условиях реальной эксплуатации изделий из титановых сплавов.

Более пригоден для применения в условиях реального производства является способ определения содержания водорода заключающемуся в том, что о концентрации водорода судят по величине электропроводности контролируемого материала [Лидер А.М., Ларионов В.В., Гаранин Г.В. Способ определения содержания водорода в титане. Патент РФ № 2498282 G01N Бюллетень № 31 от 10.11.2013]. Однако, данный способ обладает недостатками, присущими методам вихретокового контроля, которым свойственна высокая погрешность при количественном контроле структурных характеристик металлических материалов.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемым результатам к предлагаемому способу является способ определения содержания водорода в титановом сплаве [А.М. Лидер, В.В. Ларионов, Г.В. Гаранин, М.Х. Кренинг / Метод ультразвукового определения водорода в материалах и изделиях на основе титана // Журнал технической физики, 2013. - Т. 83 - № 9. - С. 157-158], заключающийся в том, что в исследуемом образце или изделии из титанового сплава возбуждают импульсы поверхностных волн, измеряют скорость их распространения и по величине её изменения судят о степени наводороженности исследуемого материала. Данный способ принят за прототип.

Целью изобретения является повышение достоверности и информативности результатов определения концентрации водорода в материале деталей и элементов конструкций, изготовленных из титановых сплавов.

Технический результат - повышение точности и информативности определения величины концентрации водорода в титановых сплавах достигается за счет использования уточненной методики. В основе методики лежат измерения характеристик не только распространяющихся в материале импульсов поверхностных волн, но и акустического структурного шума, возникающего вследствие рассеяния сигнала на повреждениях, вызванных наводороживанием структуры сплавов.

Технический результат достигается тем, что в способе определения содержания водорода в титановом сплаве, заключающемся в том, что в исследуемом образце или изделии из титанового сплава возбуждают импульсы поверхностных волн и по параметрам их распространения судят о концентрации водорода в сплаве, рассчитывают спектральные характеристики импульсов поверхностных волн и акустического структурного шума, определяют смещение амплитудного спектра импульсов в наводороженном сплаве по сравнению с исходным, изменение относительной энергии структурного шума по отношению к исходному состоянию сплава и по этим характеристикам судят о концентрации водорода в сплаве, с целью уменьшения погрешности определения величины смещения амплитудного спектра в качестве центральной спектральной частоты используется частота, соответствующая «центру тяжести» амплитудного спектра, определяемая средствами программного обеспечения используемого измерительно-вычислительного комплекса, с целью уменьшения погрешности определения величины энергии шума энергетический спектр вычисляется с помощью модифицированных периодограмм методом Уэлча со степенью перекрытия сегментов 75 %, с целью уменьшения погрешности определения концентрации водорода используется объединенная расчетная формула, включающая оба предложенные спектральные параметры импульсов поверхностных волн и акустического структурного шума.

В предлагаемом способе расчетные алгоритмы базируются на анализе распространения упругих импульсов в наводороженной среде с рассеянными по объему гидридами водорода. Основные параметры распространения упругих волн - скорость и коэффициент затухания зависят от концентрации водорода. ( - круговая частота).

В качестве физически измеряемой характеристики поврежденной среды рассмотрим разуплотнение исходного материала. На Фиг. 1 приведены результаты экспериментальных исследований влияния концентрации водорода на уменьшение плотности (разуплотнение) исследуемого титанового сплава. Из Фиг. 1 видно, что связь концентрации водорода со степенью разуплотнения - практически функциональная: зависимость является прямо пропорциональной с достоверностью 0,9989.

Рассмотрим распространение импульса с гауссовой огибающей имеющие на входе в наводороженный материал следующий вид:

, (1)

где - постоянные, - круговая частота несущей импульса, - начальная фаза.

Спектр импульса на расстоянии от границы ввода сигнала имеет вид:

, (3)

где - передаточная функция материала, рассматриваемого как акустический четырехполюсный преобразователь, которую можно записать в обычном виде:

, (4)

где - акустический путь упругого импульса.

С учетом анализа литературных данных [Романишин Р.И., Романишин И.М. Оценка рассеянной поврежденности конструкционных материалов. - Дефектоскопия. - № 2. - 2019. - С. 25-35.] будем считать, что связь концентрации водорода с фазовой скоростью и коэффициентом затухания волн мегагерцового диапазона описывается формулами:

(6)

, (7)

где , , , - коэффициенты, определяются экспериментально.

В работе [Хлыбов А.А., Углов А.Л., Демченко А.А. О спектрально-акустическом способе оценки пористости металлов, полученных методом горячего изостатического прессования. - Дефектоскопия.- 2022. - № 12. - С. 3-16] показано, что при распространении упругого импульса в поврежденной среде возникает линейно возрастающее с расстоянием смещение несущей средней частоты (равной центральной спектральной частоте) Причем скорость нарастания смещения пропорциональна характеристике рассеянной поврежденности, т.е. в нашем случае пропорциональна содержанию водорода:

(9)

Из соотношения (9) следует вывод: степень уменьшения центральной спектральной частоты импульса по мере его распространения в наводороженном материале зависит от концентрации водорода .

Из формулы (9) легко получить следующее выражение для характеристики смещения амплитудного спектра импульса, распространяющегося в наводороженном материале:

, (10)

где - акустический путь импульса в зоне измерений, равный базе раздельно-совмещенного преобразователя (расстояние между излучающим и приемным преобразователем поверхностных волн, - центральная спектральная частота импульса на выходе излучающего преобразователя поверхностных волн, - частота импульса на входе приемного преобразователя, .

Коэффициент определяется по результатам регрессионной обработки экспериментальных зависимостей

Проверка работоспособности предложенного алгоритма.

Для проведения акустических измерений использовался измерительно-вычислительного комплекс «АСТРОН» (№ в Государственном реестре средств измерений 67552-17), обеспечивающий прецизионное измерение амплитудно-временных параметров акустических импульсов и спектральную обработку в реальном масштабе времени. Проверку осуществляли на образцах из титанового сплава ВТ1-0. Размеры образцов 60×20×3мм.

На Фиг. 2 приведена типичная осциллограмма, содержащая импульс поверхностной волны с номинальной частотой 10 МГц и структурный шум для образца c концентрацией водорода 0,161 %.

На Фиг. 3 Приведены графики амплитудных спектров импульсов поверхностных волн для образцов из сплава ВТ1-0 в исходном состоянии и новодороженных с концентрацией водорода 0,224 %.

Центральная спектральной частота импульса определялась как «центр тяжести» спектральной плотности средствами программного обеспечения ИВК «АСТРОН» из решения уравнения:

, (12)

где , - границы информативного частотного диапазона.

На Фиг. 4 приведен график зависимости параметра (формула (10)) от концентрации водорода.

Коэффициент регрессии в формуле (10) G=6,85×10^-3 (мм)^-1(МГц)^-2. Достоверность аппроксимации составила 0,96, что свидетельствует о наличии прямо пропорциональной зависимости параметра от концентрации водорода.

Как отмечено выше, к другим информативным параметрам относятся спектральные характеристики акустического структурного шума, на энергию которого, как показано в [Han Y.K., Thompson R.B. Ultrasonic backscattering in duplex microstructures. - Theory and application to titanium alloys . - Metall. Mater. Trans. - 1997. A28. - P. 91-104.], существенно влияет степень наводороживания титанового сплава.

Структурный шум является случайным процессом, нестационарным по дисперсии, связанной с важнейшей характеристикой СШ - энергетическим спектром. Это накладывает особенности на применение развитых к настоящему времени приемов обработки случайных процессов.

Существенно упрощает задачу оценки энергетического спектра структурного шума теоретически и экспериментально доказанная для типичных конструкционных материалов (в отличие от сложноструктурных) допустимость предположения о локально стационарном характере шума на участках оконного Фурье-анализа [Кошевой В.В. Оценка деградации материала на основе ультразвуковой томографии при регистрации рассеянного сигнала. - Дефектоскопия. - 2010. - № 9. - С. 33-49.].

Для получения необходимых количественных оценок энергетического спектра в заявляемом способе использовалось оконное преобразования сигнала в виде:

, (13)

где - отсчеты спектральной плотности, - количество эквидистантных отсчетов сигнала на интервале его наблюдения, - отсчеты оконной функции, в качестве которой используется окно Хэмминга [Хэмминг Р.В. Цифровые фильтры - М.: Недра. - 1987. - 221 с.]:

(14)

имеющее наименьший уровень боковых лепестков - порядка -43 дБ.

Вследствие формирования структурного шума за счет множественного рассеяния на случайных неоднородностях его энергетическому спектру, полученному в результате обработки одной реализации, свойственен сильно изрезанный характер.

Чтобы получить сглаженный характер энергетического спектра, нужно его вычислить для большого числа реализаций, а затем произвести статистическое усреднение энергетического спектра. Этот метод математически корректен, так как в этом случае энергетический спектр СШ вычисляется в соответствии с правилами теории случайных процессов, однако для его осуществления требуется достаточно много (не менее нескольких десятков) независимых реализаций СШ.

В заявляемом способе использован прием статистического усреднения результатов измерений с целью сглаживания энергетических спектров, основанный на расчете энергетического спектра с помощью модифицированных периодограмм методом Уэлча [Welch P. The use of the fast Fourier transform for the estimation of power spectra: A method based on time averaging over short, modified periodograms. - IEEE Trans. Audio Electroacoust. - 1967. - Vol. 15. - P. 70-73], который обеспечивает состоятельную оценку величины .

При разбиении массива значений структурного шума общей длительностью на сегментов выражение для модифицированной периодограммы СШ примет вид:

, (15)

где - длительность периодограммы, , - весовой коэффициент, введенный Уэлчем:

(16)

Общее число сегментов зависит от длительности шума , длительности периодограммы и степени перекрытия сегментов , % (в заявляемом способе использовалась степень перекрытия сегментов, равная 75 %):

(17)

Выражение для спектральной плотности мощности имеет вид;

(18)

На Фиг. 5 приведены энергетические спектры импульса и СШ, соответствующих Фиг. 2. Для наглядности спектр структурного шума умножен на коэффициент 10³.

Фиг. 5 показывает близость центральных спектральных частот сигнала и шумовой части осциллограммы, что свидетельствует о том, что последняя связана именно со структурным акустическим шумом,

Из Фиг. 5 видно, что метод периодограмм эффективно сглаживает энергетический спектр СШ, что должно привести к заметному уменьшению случайных погрешностей при определении его энергетических характеристик.

В заявляемом способе в качестве информативной количественной характеристики структурного шума используется величина относительной энергии:

, (19)

где - энергия шума, которая рассчитывается по формуле:

, (20)

рассчитывается по формуле (19), - полная энергия шума и сигнала:

, (21)

- энергия сигнала, рассчитываемая по формуле, аналогичной формуле (20):

, (22)

где - длительность сигнала.

Также, как в случае с параметром, связанным со смещением спектра, в качестве спектральной характеристики СШ будем использовать не относительную энергию , а ее приращение по отношению к соответствующему параметру для ненаводороженному материалу, т.е. .

На Фиг. 6 приведен график зависимости параметра от концентрации водорода.

Из Фиг. 6 следует, что зависимость с высокой достоверностью (0,97) аппроксимируется прямо пропорциональной зависимостью:

, (23)

где .

Из формул (11) и (23) следует, что концентрация водорода в титановом сплаве может быть определена по одной из формул:

(24)

или

(25)

Обработка экспериментальных данных дала следующие результаты оценки среднего значения абсолютной погрешностей определения концентрации водорода :

- для формулы (24) ;

- для формулы (25)

В соответствии с используемым в статистике методом объединения оценок для расчета концентрации водорода может быть использована формула

, (26)

Экспериментальная проверка показала, что формула (26) дает среднее значение погрешности , что, как и следовало ожидать, приблизительно в раза меньше погрешностей, получаемых при использовании какого-либо одного спектрально-акустического параметра.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля с помощью ультразвуковых волн и может быть использовано для определения концентрации водорода в технических объектах из титановых сплавов. Способ определения содержания водорода в титановом сплаве заключается в том, что в исследуемом образце или изделии из титанового сплава возбуждают импульсы поверхностных волн и по параметрам их распространения судят о концентрации водорода в сплаве. Рассчитывают спектральные характеристики импульсов поверхностных волн и акустического структурного шума. Определяют смещение амплитудного спектра импульсов в наводороженном сплаве по сравнению с исходным, изменение относительной энергии структурного шума по отношению к исходному состоянию сплава и по этим характеристикам судят о концентрации водорода в сплаве. С целью уменьшения погрешности определения величины смещения амплитудного спектра в качестве центральной спектральной частоты используется частота, соответствующая «центру тяжести» амплитудного спектра, определяемая средствами программного обеспечения используемого измерительно-вычислительного комплекса. С целью уменьшения погрешности определения величины энергии шума энергетический спектр вычисляется с помощью модифицированных периодограмм методом Уэлча со степенью перекрытия сегментов 75 %. С целью уменьшения погрешности определения концентрации водорода используется объединенная расчетная формула, включающая оба предложенных спектральных параметра импульсов поверхностных волн и акустического структурного шума. Техническим результатом является повышение точности и информативности определения величины концентрации водорода в титановых сплавах. 6 ил.

Способ определения содержания водорода в титановом сплаве, заключающийся в том, что в исследуемом образце или изделии из титанового сплава возбуждают импульсы поверхностных волн и по параметрам их распространения судят о концентрации водорода в сплаве, отличающийся тем, что рассчитывают спектральные характеристики импульсов поверхностных волн и акустического структурного шума, определяют смещение амплитудного спектра импульсов в наводороженном сплаве по сравнению с исходным, изменение относительной энергии структурного шума по отношению к исходному состоянию сплава и по этим характеристикам судят о концентрации водорода в сплаве, с целью уменьшения погрешности определения величины смещения амплитудного спектра в качестве центральной спектральной частоты используется частота, соответствующая «центру тяжести» амплитудного спектра, определяемая средствами программного обеспечения используемого измерительно-вычислительного комплекса, с целью уменьшения погрешности определения величины энергии шума энергетический спектр вычисляется с помощью модифицированных периодограмм методом Уэлча со степенью перекрытия сегментов 75 %, с целью уменьшения погрешности определения концентрации водорода используется объединенная расчетная формула, включающая оба предложенных спектральных параметра импульсов поверхностных волн и акустического структурного шума.