Thermal testing of corundum ceramics: pulse heating and optimized data processing algorithms

Texto integral

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях одной из ключевых проблем экономического развития становится обеспечение конкурентоспособности продукции. Ее можно обеспечить за счет улучшения качества и четкой ориентации на заказчика. Очевидно, что изготовители продукции не могут привлечь и удержать потребителей, если они не рассматривают качество своей продукции в качестве стратегической цели.

В производстве плоских керамических изделий, как правило, могут встречаться дефекты следующих типов [1—4]:

• деформация — искажение формы и размера изделия;
• осевое смещение деталей;
• трещины;
• наколы — точечные углубления на поверхности;
• засорки — инородные включения (царапающие);
• пузыри и прыщи (вызваны запоздалым выделение газов);
• выбоины, щербины, сколы.

В настоящее время контроль вышеуказанных дефектов в большинстве случаев производят вручную, что приводит к многочисленным ошибкам вследствие большой нагрузки на зрение операторов, требований напряженного внимания, ограничения времени для принятия решения при движении конвейера, т.е. всего, что приводит к быстрому развитию усталости операторов [5, 6].

Основными видами дефектов прессованных изделий являются трещины на боковой поверхности, расслоения и сколы. В некоторых случаях трещины могут быть внешне незаметны, и их можно обнаружить только используя специальные методы контроля или определяя механические характеристики изделий, а также при стендовых и полевых испытаниях. Дефекты внутренней структуры керамических плиток выявляют с помощью различных методов испытаний [7], а наиболее используемыми являются визуальный, капиллярный и рентгеновский методы.

Визуальный метод и капиллярный метод используют для обнаружения поверхностных трещин и рыхлостей и очень редко для обнаружения внутренних дефектов в тонкостенных изделиях, не имеющих в своем составе компонентов, которые ухудшают прохождение света через материал и затеняют общую картину внутренней структуры. При контроле в проходящем свете выявляются трещины, расслоения, раковины, посторонние включения и т.п. Метод капиллярной (цветной) дефектоскопии основан на заполнении полостей дефектов под воздействием капиллярных сил цветоконтрастными составами, в результате чего в тех местах, где имеются поверхностные трещины и рыхлоты, в которые проникли чернила, цвет детали изменяется [1, 2].

Рентгеновский метод является универсальным методом контроля внутренней структуры материала, поэтому он получил значительное распространение. Для просвечивания твердых тел используют рентгеновские аппараты, производящие мягкое (10—60 кВ) излучение. Внутреннюю структуру снимают на рентгеновскую пленку или мозаичные детекторы излучения. Для расширения возможностей метода по обнаружению дефектов внутренней структуры применяют метод компьютерной рентгеновской томографии, при котором съемку одних и тех же участков объекта контроля производят под различными углами. С помощью этого метода выявляют раковины, инородные включения, внутренние трещины размером от десятых долей миллиметра и более [8, 9].

Отечественные и зарубежные исследования в области исследования причин разрушения функциональной керамики показывают, что основной причиной потери ее работоспособности в процессе эксплуатации является хрупкое разрушение [8, 10]. Например, на отказы, вызванные хрупким разрушением, приходится до 55 % всех отказов керамики [11, 12]. Причина этого — низкие прочностные свойства и чувствительность керамики к циклическим нагрузкам и термическим ударам, что является следствием объемных и поверхностных дефектов структуры керамики, формирующихся на различных этапах ее жизненного цикла при изготовлении (прессовании и спекании), механической обработке и эксплуатации.

Например, к дефектам, возникающим в процессе прессования и спекания керамики, относятся внутренняя пористость, структурная неоднородность, конгломераты структурных составляющих, посторонние включения и примеси. Характерными дефектами механической обработки керамики являются вырывы материала и трещины [11].

Задачей настоящей работы было исследование возможности теплового контроля (ТК) объемных и поверхностных дефектов керамики, что может послужить отправной точкой развития научных подходов к повышению надежности и эксплуатационных свойств керамических изделий.

В предыдущей работе [13] мы упоминали, что корундовая керамика применяется во многих областях. С точки зрения материаловедения, современная функциональная керамика представляет собой структурно-неоднородную среду. Керамическую матрицу производят чаще всего на основе оксида алюминия, в котором равномерно распределены включения оксидов кремния, титана, циркония и других химических элементов. При ТК изделий из одного материала химический состав не будет отражаться на качестве результатов, однако представляет интерес исследование влияния примесных катионов на свойства керамики при ТК. Также с этой целью мы исследовали монокорундовую керамику, содержащую 99,5 % Al₂O₃.

В предыдущем исследовании для обнаружения внутренних дефектов в керамических пластинах был использован активный одно- и двухсторонний ТК с применением галогенных ламп и классической обработки термограмм [13]. Использованный тип источника тепловой стимуляции в совокупности с используемыми методиками обработки данных оказались недостаточно эффективными для уверенного обнаружения ряда дефектов (например, утонения стенки образца), а также четкого определения их границ. В связи с этим в настоящей работе были применены мощный импульсный нагрев с использованием ксеноновых ламп [14], а также оптимизированные алгоритмы обработки исходных данных. Ниже представлены результаты исследования активного двустороннего ТК плиток из корундовой керамики с искусственными дефектами, имитирующими как воздушные полости, так и утонение стенки образца. Использовали программную обработку полученных термограмм [15] с построением карт температуропроводности.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве исходного вещества для изготовления образцов применяли оксид алюминия (Al₂O₃) с различным содержанием спекающей добавки на основе MnO₂. Образцы в виде плиток размером 55×55×10 мм (рис. 1) изготовили методом шликерного литья в гипсовые формы. После извлечения из формы образцы сушили и подвергали предварительному обжигу при температуре 1100 °С для достижения механической прочности, достаточной для формирования искусственных дефектов. Подготовленные плитки проходили окончательный совместный обжиг в воздухе при температуре 1550 °С в течение 2 ч.

 

Рис. 1. Фотография образцов с сигнатурами дефектов.

 

Согласно результатам предыдущих испытаний [13], образцы имели плотность от 3,78 до 3,91 г/см³, открытую пористость не более 1 %, твердость 16—19 ГПа, прочность на изгиб 280—350 МПа и коэффициент теплопроводности ~25 Вт/(м · К).

Для исследования были выбраны четыре дефектных образца №№ 1—4 (светло-коричневого цвета) толщиной 10 мм, бездефектные контрольные образецы № 5 (светло-коричневого цвета) толщиной 10 мм и № 6 (цвет близкий к белому) толщиной 8 мм. Фотография исследованных образцов с сигнатурами проекций внутренних дефектов приведена на рис. 1.

Образцы содержали следующие искуственные дефекты. Образец 1 имел внутреннюю полость треугольной формы с длиной стороны 30 мм и остаточной толщиной стенки около 3 мм с обеих сторон изделия. Образцы 2 и 3 имели внутреннюю полость квадратной формы с длиной стороны стороны 17 мм и остаточной толщиной стенки около 3 мм с обоих сторон изделия. Образец 4 имел утонение стенки до 2 мм в форме круга диаметром 14 мм по центру изделия. Бездефектный образец 6, в отличие от остальных образцов, не содержал спекающих добавок и являлся монокорундовым с содержанием Al₂O₃ 99,5 %.

Образцы были исследованы с использованием методики двухстороннего активного ТК, предусматривающей бесконтактный оптический нагрев поверхности контролируемого изделия с одновременной регистрацией инфракрасных (ИК) термограмм [16], отражающих распределение температуры на контролируемой поверхности в пространстве и во времени, с помощью тепловизора. Схема ТК приведена на рис. 2.

 

Рис. 2. Схема двухстороннего ТК.

 

В качестве импульсного источника нагрева использовали две ксеноновые лампы общей энергией 6,4 кДж и длительностью импульса около 10 мс. Тепловизор Optris PI 450 с температурной чувствительностью 0,06°С, матрицей из 320×240 элементов и максимальной частотой съемки 30 Гц регистрировал изменение температуры контролируемой поверхности в течение некоторого времени, определяемого длительностью процедуры неразрушающего контроля (НК) на обратной стороне изделия для различных образцов. Частота записи выбрали равной 18 Гц, т.е. интервал записи термограмм составлял 55,6 мс.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ

В настоящей работе для повышения информативности и достоверности ТК помимо стандартного анализа исходных термограмм использовали построение карт температуропроводности в качестве специфического алгоритма обработки данных.

На рис. 3 показана термограмма контрольного бездефектного образца 5 при двухстороннем ТК с профилем изменения средней температуры в выбранной зоне квадратной формы. В теплофизических измерениях профили температуры такого вида иногда называют Паркеровскими, поскольку их используют для определения температуропроводности материалов а по методу Паркера [17]. Сущность метода состоит в нахождении специфических точек на кривой нагрева (рис. 4) и определении соответствующих характерных времен теплопередачи, используемых для вычисления температуропроводности. Как правило, используют точку половинного сигнала T_max/2, и соответствующее ей время t_1/2, после чего величину а определяют c учетом толщины материала L по формуле Паркера [17]:

$a=\mathrm{0,139}\frac{L^2}{t_{1/2}}.$ (1)

 

Рис. 3. Исходная термограмма и профиль температуры во времени, а также карта температуропроводности при двухстороннем ТК бездефектного образца 5.

 

Рис. 4. Кривая нагрева — график зависимости температуры обратной поверхности образца от времени при определении температуропроводности по методу Паркера (ГОСТ Р 57943—2017).

 

Предложен ряд модификаций формулы Паркера, учитывающих влияние не адиабатичность процесса, конечную длительность нагрева и др., однако для построения карт температуропроводности в ТК эти уточнения базового алгоритма не имеют существенного значения.

Поскольку обработка по данному алгоритму происходит во временной области, то считают, что результаты ТК более устойчивы к вариация амплитудных помех [18]. Алгоритм определения а входит в программу обработки экспериментальных данных ThermoLab Томского политехнического университета.

Результаты для бездефектных образцов 5 и 6 приведены на рис. 3 и 5. Например, для образца 5 температуропроводность определена на уровне а = 3,13 · 10^–6 м²/с. Для образца 6 толщиной 8 мм оценка температуропроводности дала 3,77 · 10^–6 м²/с, что отражает изменение физико-химических свойств материала данного изделия (см. фото на рис. 1).

 

Рис. 5. Исходная термограмма и профиль температуры во времени, а также карта температуропроводности при двухстороннем ТК бездефектного образца 6.

 

Результаты ТК дефектных образцов 1—4 приведены на рис. 6—9. Оценка температуропроводности в дефектных областях дала величины (2,5 – 2,9)·10^–6 м²/с. Сигнатуры дефектов при импульсном нагреве хорошо идентифицируются как на исходных термограммах, так и на картах температуропроводности в особенности.

 

Рис. 6. Исходная термограмма и профиль температуры во времени, а также карта температуропроводности при двухстороннем ТК дефектного образца 1.

 

Рис. 7. Исходная термограмма и профиль температуры во времени, а также карта температуропроводности при двухстороннем ТК дефектного образца 2.

 

Рис. 8. Исходная термограмма и профиль температуры во времени, а также карта температуропроводности при двухстороннем ТК дефектного образца 3.

 

Рис. 9. Исходная термограмма и профиль температуры во времени, а также карта температуропроводности при двухстороннем ТК дефектного образца 4.

 

Также следует отметить, что целью исследования не являлось метрологическое определение температуропроводности, однако результаты, полученные с использованием импульсного нагрева ксеноновыми лампами, являются более надежными по сравнению с длительным нагревом другими оптическими источниками, в частности, галогенными лампами.

ВЫВОДЫ

В активном ТК применение импульсных ксеноновых ламп позволяет идентифицировать скрытые дефекты в корундовой керамике как на исходных термограммах, так и на картах температуропроводности, которые получают путем обработки динамических температурных сигналов во временной области. Надежно определяются как сами дефектные области, так и формы дефектов с учетом диффузии тепла в поперечных направлениях. В частности, в исследованных дефектных образцах корундовой керамики наличие скрытых воздухонаполненных дефектов приводило к изменению температуропроводности на 7—20 %. Сравнение данных, полученных с использованием метода Паркера для экспериментального определения температуропроводности бездефектных образцов 5 и 6, позволяет сделать вывод о том, что данная теплофизическая характеристика является структурно-чувствительной (изменение температуропроводности составило 17 %) и может применяться в том числе для контроля наличия спекающих добавок в исследуемых керамических материалах.

Результаты исследований показывают, что наиболее эффективным с точки зрения выявляемости дефектов является двухсторонний тепловой контроль при использовании в качестве источников нагрева импульсных ксеноновых ламп с построением карт температуропроводности. Этот подход может быть рекомендован для дефектоскопии структуры плиток из корундовой керамики и обнаружения как внутренних, так и наружных несплошностей, которые могут возникать в процессе производства.

Работа выполнена в рамках государственного задания МИНОБРНАУКИ России (тема «Диагностика», № 122021000030-1).

Sobre autores

S. Chernykh

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Autor responsável pela correspondência
Email: suo@mail.ru
Rússia, 620108 Yekaterinburg, Sof’i Kovalevskoy st., 18

V. Vavilov

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: vavilov@tpu.ru
Rússia, 634028 Tomsk, Savinykh St., 7

V. Kostin

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: kostin@imp.uran.ru
Rússia, 620108 Yekaterinburg, Sof’i Kovalevskoy st., 18

Yu. Komolikov

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: yikom@yandex.ru
Rússia, 620108 Yekaterinburg, Sof’i Kovalevskoy st., 18

D. Kladov

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: dyk10@tpu.ru
Rússia, 634028 Tomsk, Savinykh St., 7

Bibliografia

Arquivos suplementares