Способ оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне на основе измерения импеданса Российский патент 2024 года по МПК G01N27/00 

Предлагаемый способ относится к электроизмерительной технике и предназначен для оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне на основе измерения импеданса, и может быть использован для расширения возможностей управления процессом микродугового оксидирования как на импульсном, так и на синусоидальном токе, и может применяться в машино- и приборостроении, авиационной, радиоэлектронной и других отраслях промышленности.

Известен способ оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне, при котором измеряются электрические параметры сильнотоковых импульсных процессов в растворах, протекающих на границе раздела фаз, такие, как задающее напряжение, поляризационное напряжение и ток на участках, соответствующих фронтам импульсов при помощи компьютерной системы измерения с частотой дискретизации не менее 2 ГГц с высокой разрешающей способностью по поляризационному напряжению, причем поляризацию границы раздела осуществляют импульсами трапециевидной формы при напряжениях до 3000 В, скорости нарастания напряжения до 10⁸ В/с и токах до 100 А, строятся циклические вольтамперные характеристики, на основе которых определяются активная и емкостная составляющие тока, удельное активное сопротивление R_г и емкость C_г границы раздела «металл-электролит», а толщина h и пористость покрытия P рассчитываются по формулам:

;

,

где k₁, k₂ - эмпирические коэффициенты [Патент RU 2284517 C2, опубл. 27.09.2006; Мамаев А.И., Мамаева В.А., Бориков В.Н., Дорофеева Т.И. Формирование наноструктурных неметаллических неорганических покрытий путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз: учеб. пособие. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. - 360 с.].

Недостатком указанного способа является его ограниченная применимость (только для импульсных режимов микродугового оксидирования).

Известны способы оценки толщины оксидных покрытий в электролитической ванне по тарировочным кривым зависимостей толщины покрытия от таких параметров, как:

- остаточное значение напряжения U_ост в момент непосредственно перед подачей положительного импульса напряжения после паузы в импульсном униполярном режиме и в момент непосредственно перед подачей отрицательного импульса напряжения после паузы в импульсном биполярном режиме [Патент RU 2692120 C1, опубл. 21.06.2019];

- излучение детали в диапазоне спектра 380…740 нм (отношение суммарной площади участков A_n, засвеченных изображениями микроразрядов более чем на пороговое значение 30…99%, к общей площади изображения детали А₀), [Патент RU 2435134 C1, опубл. 27.11.2011];

- амплитуда анодного импульсного поляризационного напряжения UП, постоянная времени τ переходного процесса при спаде анодного поляризационного напряжения до уровня U₁ = (0,2…0,8)⋅U_П [Патент RU 2540239 C1, опубл. 10.02.2015];

- удельное энергопотребление Q процесса твердого анодирования, кВт⋅ч/дм² [Патент RU 2611632 C2, опубл. 28.02.2017];

- отношение среднего U_ср и амплитудного U_макс значения напряжения на гальванической ячейке в процессе плазменно-электролитического оксидирования [Патент RU 2668344 C1, опубл. 28.09.2018];

- разность логарифмов интенсивностей спектральных компонент излучения микроразрядов, соответствующих материалу обрабатываемой детали и компонентам электролита [Патент RU 2672036 C1, опубл. 08.11.2018];

Недостатком известных способов является то, что толщина покрытия определяется по интегральным характеристикам (изменение напряжения и тока, постоянной времени переходного процесса, интенсивности излучения и т.д.), которые отражают весь процесс в целом (являются следствием одновременного протекания большого количества разнородных процессов, электрохимических и микроплазменных) или описывают реакцию сложной системы без выявления составляющих, связанных с покрытием, в результате чего снижается точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности является способ оценки толщины МДО-покрытия в электролитической ванне, основанный на анализе изменяющихся во времени оценок комплексных частотных характеристик проводимости гальванической ячейки, согласно которому в выходной импульсный сигнал источника питания вводится последовательность диагностических импульсов амплитудой не более 650 В с разверткой частоты, измеряются осциллограммы тока и напряжения, строятся частотные характеристики проводимости гальванической ячейки, по которым с помощью нейросетевой модели и электрической схемы замещения гальванической ячейки, состоящей из последовательно соединенных постоянного резистора и параллельной RC-цепи, рассчитывается активное сопротивление и толщина покрытия [Управление электролитно-плазменными и электрохимическими технологическими процессами на основе контроля состояния объекта методом импедансной спектроскопии / Парфенов Е.В., Ерохин А.Л., Невьянцева Р.Р., и др. // ВСПУ-2014: материалы XII Всероссийского совещания по проблемам управления. - Москва, 2014. - С. 4348-4359.].

Недостатками прототипа являются:

1) ограниченная применимость способа (только для импульсных режимов электролитно-плазменной обработки);

2) низкая точность измерения толщины покрытий. Одной из причин данного недостатка является несовершенство метода измерения. В способе оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне, выбранном в качестве прототипа, амплитуда диагностических импульсов измерительного сигнала составляет примерно 630 В, что выше напряжения пробоя покрытия. При таком напряжении на поверхности образца могут возникать микроразряды. Известно, что во время горения микроразрядов в разрядных каналах не существует МДО-покрытия в виде твердого диэлектрика, поэтому в данном случае некорректно говорить о толщине покрытия. В местах горения микроразрядов существует лишь расплавленный жидкий оксид, сложным образом взаимодействующий с плазмой разряда и претерпевающий фазовые переходы. Оксид затвердевает только при гашении микроразряда [Суминов И.В., Белкин П.Н., Эпельфельд А.В, и др. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. В 2-х томах. Том II. Москва: Техносфера, 2011. 512 c.]. Поэтому измерение толщины МДО-покрытия при напряжениях, превышающих напряжение пробоя покрытия, является некорректным.

Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является расширение применимости способа оценки толщины и пористости оксидных покрытий в электролитической ванне на основе измерения импеданса.

Техническим результатом является повышение точности оценки толщины и пористости оксидных покрытий в электролитической ванне на основе измерения импеданса для любых режимов микродугового оксидирования (как на импульсном, так и на синусоидальном токе).

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что импеданс гальванической ячейки измеряется в паузах между циклами оксидирования при помощи устройства, содержащего источник технологического тока, цифровой синтезатор сигналов, два переключателя, гальваническую ячейку с двумя электродами (анодом и катодом), аналого-цифровой преобразователь, блок управления и персональный компьютер, причем анод, на котором закреплен исследуемый образец, подключен к третьему контакту первого переключателя, катод подключен к третьему контакту второго переключателя, первый вывод источника технологического тока подключен к первому контакту первого переключателя, второй вывод источника технологического тока подключен к первому контакту второго переключателя, выход цифрового синтезатора сигналов подключен ко второму контакту первого переключателя и к одному из входов аналого-цифрового преобразователя, второй контакт второго переключателя подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, выходы управляющих сигналов блока управления подключены к входам управления цифрового синтезатора сигналов, аналого-цифрового преобразователя и двух переключателей, которое является многопредельным и снабжено переключаемыми магазином емкостей и магазином сопротивлений, в совокупности образующими многозначную образцовую меру импеданса (RC-цепь), причем первые контакты магазина емкостей и магазина сопротивлений подключены ко второму контакту второго переключателя и ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, вторые контакты магазина емкостей и магазина сопротивлений заземлены, ко входам управления магазина емкостей и магазина сопротивлений подключены информационные выходы управляющих сигналов блока управления, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу блока управления, блок управления подключен к персональному компьютеру посредством интерфейса приема-передачи данных.

Кроме того, измерение импеданса производится в диапазоне частот, причем амплитуда напряжения измерительного сигнала много меньше амплитуды напряжения на гальванической ячейке при оксидировании и составляет, например, 1 В.

Кроме того, по результатам измерений строятся частотные характеристики проводимости гальванической ячейки, по которым рассчитываются значения сопротивления и емкости покрытия с использованием 5-элементной модели гальванической ячейки, состоящей из последовательно соединенных сопротивления электролита и двух параллельных RC-цепей, содержащих, соответственно, сопротивление и емкость двойного электрического слоя и сопротивление и емкость покрытия, а связь сопротивления и емкости покрытия с толщиной и пористостью устанавливается путем регрессионного анализа либо эмпирическим путем.

Существо способа оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне на основе измерения импеданса поясняется чертежами. На фиг. 1 показана структура устройства, реализующего способ оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне на основе измерения импеданса. На Фиг. 2 представлена схема, поясняющая способ измерения импеданса. На Фиг. 3 показаны измеренные частотные характеристики гальванической ячейки. На Фиг. 4 представлена 5-элементная модель гальванической ячейки.

Устройство, реализующее способ оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне на основе измерения импеданса, содержит источник технологического тока 1, цифровой синтезатор сигналов 2, переключатели 3 и 5, гальваническую ячейку 4, состоящую из анода А (исследуемого образца) и металлического катода К, магазин емкостей 6, магазин сопротивлений 7, аналого-цифровой преобразователь 8, блок управления 9, персональный компьютер 10. Анод и катод гальванической ячейки подключены к контактам 3 переключателей 3 и 5 соответственно. Выводы источника технологического тока подключены к контактам 1 переключателей 3 и 5. Выход цифрового синтезатора сигналов подключены к контакту 2 переключателя 3 и ко входу U_вх аналого-цифрового преобразователя 8. Магазин емкостей 6 и магазин сопротивлений 7 подключены к контакту 2 переключателя 5 и ко входу U_вых аналого-цифрового преобразователя 8. Выходы управляющего сигнала U_упр блока управления 9 подключены к входам управления цифрового синтезатора сигналов 2, аналого-цифрового преобразователя 8 и переключателей 3 и 5. Переключение ключей 3 и 5 осуществляется путем воздействия управляющего сигнала блока управления 9. Значения сопротивления и емкости магазинов 6 и 7 переключаются в зависимости от полученной информации от блока управления 9. Цифровой код с выхода аналого-цифрового преобразователя поступает на блок управления 8, который осуществляет прием и передачу данных от персонального компьютера согласно управляющей программе. Магазин емкостей 6 и магазин сопротивлений 7 являются эталонными и состоят из шести параллельно соединенных конденсаторов и резисторов, так, что можно менять их емкость (С₀ = 0, С₁ = 10 нФ, С₂ = 50 нФ, …, С_n = 5*С_n-1 нФ) и сопротивление (R₀ = ∞, R₁ = 100 кОм, R₂ = 20 кОм, …, R_n = R_n-1 / 5 кОм), соответственно.

Способ оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне на основе измерения импеданса осуществляется следующим образом. Импеданс гальванической ячейки измеряется в паузах между циклами оксидирования. Когда переключатели 3 и 5 находятся в положении 1, гальваническая ячейка 4 подключается к двум клеммам источника технологического тока. При этом в гальванической ячейке происходит процесс микродугового оксидирования, т.е., на поверхности исследуемого образца формируется оксидный слой, обладающий диэлектрическими свойствами. Когда переключатели 3 и 5 находятся в положении 2, анод гальванической ячейки 4 подключается к цифровому синтезатору сигналов и ко входу U_вх аналого-цифрового преобразователя, а катод - к параллельно соединенным магазинам сопротивлений 7 и емкостей 6 и ко входу U_вых аналого-цифрового преобразователя. В этом режиме происходит косвенное измерение импеданса гальванической ячейки, которое осуществляется следующим образом.

Измерительный сигнал регулируемой частоты амплитудой 1 В с цифрового синтезатора сигналов 2 подается на первичный преобразователь, представляющий собой делитель напряжения, верхним плечом которого служит гальваническая ячейка 4, а нижним - параллельно соединенные магазин емкостей 6 и магазин сопротивлений 7, которые в совокупности образуют многозначную переключаемую образцовую меру импеданса (RC-цепь). Переключение предела измерения импеданса осуществляется путём подачи управляющего сигнала на входы магазина емкостей 6 и магазина сопротивлений 7 с блока управления 9. На входы аналого-цифрового преобразователя при этом поступают два сигнала, соответствующие входному U_вх и выходному U_вых напряжению делителя, которые оцифровываются, передаются на блок управления и далее через интерфейс приема-передачи данных поступают на компьютер, на котором с помощью программного обеспечения выполняется расчет импеданса гальванической ячейки, толщины и пористости покрытия.

Схема, поясняющая способ измерения импеданса гальванической ячейки, представлена на Фиг. 2. Гальваническая ячейка моделируется емкостью C_x и проводимостью G_x, образцовая мера - емкостью C₀ и проводимостью G₀. При этом комплексная проводимость гальванической ячейки находится следующим образом:

,

где - комплексный коэффициент передачи,

-

комплексная проводимость образцовой меры, j - мнимая единица, ω - циклическая частота.

Учитывая, что емкость C₀ и проводимость G₀ образцовой меры известны, а коэффициент передачи измеряется в диапазоне частот, можно получить частотные характеристики проводимости гальванической ячейки. Расчет значений сопротивления R_x = G_x^-1 и емкости C_x осуществляется управляющей программой по совпадению измеренных и расчетных частотных характеристик с заданной точностью.

Применение в качестве модели исследуемого образца двухэлементной параллельной RC-цепи имеет ограничения. В частности, измеряется не импеданс покрытия, а импеданс гальванической ячейки, который дополнительно содержит импеданс слоя электролита между анодом и катодом и импеданс двойного электрического слоя на границе «электролит-покрытие». Чтобы выделить из импеданса гальванической ячейки составляющие, связанные с покрытием, в способе оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне на основе измерения импеданса применяется 5-элементная модель гальванической ячейки, представленная на Фиг. 4. В этой модели сопротивление электролита между анодом и катодом моделируется постоянным сопротивлением R_эл, R_бар и C_бар представляют собой сопротивление и емкость двойного электрического слоя, R_покр и C_покр - сопротивление и емкость покрытия соответственно. Сопротивление R_бар и емкость C_бар двойного электрического слоя и сопротивление R_покр и емкость C_покр покрытия образуют две параллельных RC-цепи.

Чтобы из двухэлементной модели гальванической ячейки получить 5-элементную, необходимо 3 элемента (R_эл, R_бар, C_бар) знать независимо. Эти параметры можно получить из дополнительных измерений.

1. Измерение сопротивления электролита R_эл осуществляется при погружении в электролит образца (анода) без покрытия на высокой частоте. При этом предполагается, что сопротивления электролита не зависит от частоты измерительного сигнала, емкостное сопротивление двойного электрического слоя на высокой частоте пренебрежимо мало.

2. Измерение частотных характеристик образца без покрытия с учетом полученного в п. 1 значения сопротивления электролита позволяет определить емкость C_бар и проводимость R_бар^-1 двойного электрического слоя.

Измеренные таким образом параметры R_эл, R_бар, C_бар используются в расчетах сопротивления и емкости покрытия. Однако при этом следует учитывать, что в процессе формирования МДО-покрытия параметры двойного электрического слоя R_бар и C_бар изменяются и отличаются от аналогичных параметров образца без покрытия. Поэтому параметры R_бар и C_бар образца без покрытия, измеренные в п. 2, задаются как начальные условия для процедуры идентификации параметров модели. Далее, как и для двухэлементной модели исследуемого образца путем оптимизации рассчитываются 5 параметров таким образом, чтобы расчетные частотные характеристики совпадали с экспериментальными с требуемой точностью. В качестве начальных условий оптимизации при этом используются емкость и сопротивление двойного электрического слоя.

Связь параметров импеданса с толщиной и пористостью покрытия устанавливается путем регрессионного анализа либо эмпирическим путем. Например, если образец плоский, толщину покрытия можно рассчитывать по формуле плоского конденсатора:

,

где ε - диэлектрическая проницаемость оксида, ε₀ = 8,85⋅10^-12 Ф⋅м^-1 - электрическая постоянная, S - площадь поверхности образца.

Пористость можно косвенно определить, зная сопротивление оксидного слоя. Для этого необходимо относительное сопротивление R_{x рас} сплошного образца известной (ранее определенной) толщины поделить на измеренное сопротивление R_{x изм} пористого образца, который имеет ту же толщину. Тогда получим соотношение площадей непористого и пористого образца, т.е. поверхностную пористость P_s:

,

где S_пор, S_об - площадь поверхности пористого и сплошного образца соответственно.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает достижение заявленного технического результата - повышения точности оценки толщины и пористости оксидных покрытий в электролитической ванне на основе измерения импеданса для любых режимов микродугового оксидирования (как на импульсном, так и на синусоидальном токе).

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение при его осуществлении, предназначен для оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне на основе измерения импеданса и может быть использован для расширения возможностей управления процессом микродугового оксидирования как на импульсном, так и на синусоидальном токе, и может применяться в машино- и приборостроении, авиационной, радиоэлектронной и других отраслях промышленности;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательный уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Источники информации

1. Патент RU 2284517 C2, опубл. 27.09.2006.

2. Мамаев А.И., Мамаева В.А., Бориков В.Н., Дорофеева Т.И. Формирование наноструктурных неметаллических неорганических покрытий путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз: учеб. пособие. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. - 360 с.

3. Патент RU 2692120 C1, опубл. 21.06.2019.

4. Патент RU 2435134 C1, опубл. 27.11.2011.

5. Патент RU 2540239 C1, опубл. 10.02.2015.

6. Патент RU 2611632 C2, опубл. 28.02.2017.

7. Патент RU 2668344 C1, опубл. 28.09.2018.

8. Патент RU 2672036 C1, опубл. 08.11.2018.

9. Управление электролитно-плазменными и электрохимическими технологическими процессами на основе контроля состояния объекта методом импедансной спектроскопии / Парфенов Е.В., Ерохин А.Л., Невьянцева Р.Р., и др. // ВСПУ-2014: материалы XII Всероссийского совещания по проблемам управления. - Москва, 2014. - С. 4348-4359.

10. Суминов И.В., Белкин П.Н., Эпельфельд А.В, и др. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. В 2-х томах. Том II. Москва: Техносфера, 2011. 512 c.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне на основе измерения импеданса, и может быть использовано для расширения возможностей управления процессом микродугового оксидирования на импульсном и на синусоидальном токе, и может применяться в машино- и приборостроении, авиационной, радиоэлектронной и других отраслях промышленности. Способ оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне на основе измерения импеданса заключается в том, что измерение импеданса гальванической ячейки производится в паузах между циклами оксидирования при помощи устройства, содержащего источник технологического тока, цифровой синтезатор сигналов, два переключателя, гальваническую ячейку с двумя электродами (анодом и катодом), переключаемый магазин емкостей, переключаемый магазин сопротивлений, аналого-цифровой преобразователь, блок управления и персональный компьютер, по результатам измерений строятся частотные характеристики проводимости гальванической ячейки, по которым рассчитываются значения сопротивления и емкости покрытия с использованием 5-элементной модели гальванической ячейки, а связь сопротивления и емкости покрытия с толщиной и пористостью устанавливается путем регрессионного анализа либо эмпирическим путем. Техническим результатом является повышение точности оценки толщины и пористости оксидных покрытий в электролитической ванне для любых режимов микродугового оксидирования. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ оценки толщины и пористости МДО-покрытия в электролитической ванне на основе измерения импеданса, отличающийся тем, что импеданс гальванической ячейки измеряется в паузах между циклами оксидирования при помощи устройства, содержащего источник технологического тока, цифровой синтезатор сигналов, два переключателя, гальваническую ячейку с двумя электродами (анодом и катодом), аналого-цифровой преобразователь, блок управления и персональный компьютер, причем анод, на котором закреплен исследуемый образец, подключен к третьему контакту первого переключателя, катод подключен к третьему контакту второго переключателя, первый вывод источника технологического тока подключен к первому контакту первого переключателя, второй вывод источника технологического тока подключен к первому контакту второго переключателя, выход цифрового синтезатора сигналов подключен ко второму контакту первого переключателя и к одному из входов аналого-цифрового преобразователя, второй контакт второго переключателя подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, выходы управляющих сигналов блока управления подключены к входам управления цифрового синтезатора сигналов, аналого-цифрового преобразователя и двух переключателей, которое является многопредельным и снабжено переключаемыми магазином емкостей и магазином сопротивлений, в совокупности образующими многозначную образцовую меру импеданса (RC-цепь), причем первые контакты магазина емкостей и магазина сопротивлений подключены ко второму контакту второго переключателя и ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, вторые контакты магазина емкостей и магазина сопротивлений заземлены, к входам управления магазина емкостей и магазина сопротивлений подключены информационные выходы управляющих сигналов блока управления, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу блока управления, блок управления подключен к персональному компьютеру посредством интерфейса приема-передачи данных.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение импеданса производится в диапазоне частот, причем амплитуда напряжения измерительного сигнала много меньше амплитуды напряжения на гальванической ячейке при оксидировании и составляет, например, 1 В.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по результатам измерений строятся частотные характеристики проводимости гальванической ячейки, по которым рассчитываются значения сопротивления и емкости покрытия с использованием 5-элементной модели гальванической ячейки, состоящей из последовательно соединенных сопротивления электролита и двух параллельных RC-цепей, содержащих, соответственно, сопротивление и емкость двойного электрического слоя и сопротивление и емкость покрытия, а связь сопротивления и емкости покрытия с толщиной и пористостью устанавливается путем регрессионного анализа либо эмпирическим путем.