Способ контроля состава двухфазных композитов

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в материаловедении для массового контроля состава изделий из двухфазных композитов. Техническим результатом изобретения является проведение массового неразрушающего контроля фазового состава готовых изделий с необходимой точностью более просто и экспрессно. Способ акустического контроля состава изделий из двухфазного композита заключается в выборе образца сравнения из партии контролируемых изделий и предварительном определении его состава известным методом, идентичном измерении скоростей ультразвука (УЗ) в образце сравнения и в ряде изделий из компонента композита с большей скоростью УЗ в нем и из двухфазных композитов. Измерение скорости УЗ проводят импульсным методом в одинаковых физических условиях. Состав двухфазных композитов определяют при условии V₁≥V_i и V₁>V_Э, из соотношений: и С₁=1-С₂, где С₁, С₂, С_2Э - объемная концентрация компонентов с большей и меньшей скоростями УЗ в контролируемых композитах и с меньшей скоростью УЗ в образце сравнения соответственно, доля; V₁, V_i, V_Э - скорости УЗ в изделиях из компонента композита с большей скоростью УЗ, в контролируемых композитах и в образце сравнения соответственно, м/с. 3 табл.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в порошковой металлургии для массового контроля состава изделий из двухфазных композитов (например, твердых сплавов типа WC-Со, псевдосплавов на основе W-Cu или Au-W, пористых таблеток ядерного топлива и др.), в значительной степени определяющего оптимальные условия их эксплуатации.

Известен способ контроля состава двухфазных композитов, включающий измерение идентичных скоростей (ультразвука) УЗ в ряде изделий из двухфазных композитов переменного состава и одного из компонентов, по которым судят о составе контролируемых изделий [1]. Недостатком указанного способа является то, что для контроля состава требуются значительные временные затраты для измерения скоростей УЗ и плотностей контролируемых изделий при двух разных температурах, что малопригодно для экспрессного массового контроля.

Известен также способ контроля состава двухфазных композитов, включающий определение скоростей УЗ в ряде изделий из двухфазных композитов [2]. Однако этот способ трудоемок и малопроизводителен, поскольку связан с предварительным изготовлением ряда образцов специального форморазмера из двухфазного композита переменного состава, последующим анализом состава известным методом и измерением их модулей упругости путем статического механического нагружения в упругой области для построения градуировочной зависимости "состав - скорость УЗ".

Более близким к изобретению является способ контроля состава двухфазных композитов, включающий измерение скоростей УЗ в образце сравнения и ряде изделий из одно- и двухфазного материалов [3]. Однако этот способ не отличается высокой экспрессностью, поскольку связан с предварительным изготовлением и анализом ряда двухфазных изделий переменного состава, последующим измерением в них скорости УЗ для построения нелинейной градуировочной зависимости "состав - скорость УЗ" каждый раз, когда требуется определить изменяющийся в широком диапазоне состав других двухфазных композитов.

Перед авторами стояла задача разработать способ, позволяющий проводить массовый неразрушающий контроль фазового состава готовых изделий с необходимой точностью более просто и экспрессно.

Для реализации поставленной задачи предлагается способ контроля состава двухфазных композитов, включающий измерение идентичных скоростей УЗ в образце сравнения и ряде изделий из одно- и двухфазного материалов, отличающийся тем, что в качестве образца сравнения выбирают одно из контролируемых изделий, состав которого предварительно определяют одним из известных методов, кроме того, изготавливают изделие из компонента композита только с большей скоростью УЗ в нем и все измерения скоростей УЗ проводят в одинаковых физических условиях, после чего по адекватной им расчетной модели определяют состав двухфазных композитов при условии V₁≥V_i и V₁>V_Э из соотношений

где C₁, С₂, С_2Э - объемная концентрация компонентов с большей и меньшей скоростями УЗ в контролируемых композитах и с меньшей скоростью УЗ в образце сравнения соответственно, доля;

V₁, V_i, V_Э - скорости УЗ в изделиях из компонента композита с большей скоростью УЗ, в контролируемых композитах и в образце сравнения соответственно, м/с.

Скорость распространения идентичных УЗ колебаний (например, продольных) в изделиях из двухфазного композита зависит от их состава (пористости) и физических условий измерения: температура, диапазон частот колебаний, соотношение длины волны и размеров зерен и частиц фаз и др. При возбуждении и регистрации колебаний плотных двухфазных изделий в одинаковых физических условиях скорость УЗ может служить мерой их состава. В аналоге концентрацию каждой фазы определяют по величинам плотностей и температурных коэффициентов скоростей УЗ в одно- и двухфазном изделиях, в прототипе - по градуировочной зависимости "состав - скорость УЗ". В предлагаемом способе определение концентрации каждой фазы в двухфазном композите основано на законах сохранения импульса и энергии масс единичного объема при распространении фронта волны через границу раздела фаз контролируемого изделия, образца сравнения и изделия из компонента композита с большей скоростью УЗ. В связи с изложенным скорость УЗ измеряют в одинаковых физических условиях (например, при нормальных), что необходимо и достаточно для определения состава при условии V₁≥V_i и V₁>V_Э из соотношений:

где C₁, С₂, С_2Э - объемная концентрация компонентов с большей и меньшей скоростями УЗ в контролируемых композитах и с меньшей скоростью УЗ в образце сравнения соответственно, доля;

V₁, V_i, V_Э - скорости УЗ в изделиях из компонента композита с большей скоростью УЗ, в контролируемых композитах и в образце сравнения соответственно, м/с.

Использование в качестве образца сравнения одного из контролируемых изделий и предварительное определение его состава одним из известных способов (например, рентгеновским) освобождает каждый раз при контроле двухфазных композитов из других компонентов от необходимости предварительного изготовления и анализа ряда изделий из компонента с меньшей скоростью УЗ и из композитов переменного состава и последующего измерения скоростей УЗ для построения нелинейной градуировочной зависимости "состав - скорость УЗ", что существенно упрощает известный способ, а точность контроля остается на уровне известного способа.

Кроме того, предлагаемый способ может быть автоматизирован и применен непосредственно в технологической цепочке, что приведет к дальнейшему повышению экспрессности контроля.

Следует отметить, что при контроле состава изотропных изделий не играет роли мода колебаний и/или направление распространения волны, при наличии же анизотропии (структурной неоднородности) необходимо соблюдать одинаковые условия прозвучивания контролируемых изделий, образца сравнения и изделия из компонента с большей скоростью УЗ.

Далее, предлагаемый способ имеет в частном случае дополнительную возможность определения пористости, когда вместо материальной фазы 2 будут поры с размерами, значительно меньшими используемой длины волны. При этом расчетная формула (1) упрощается и выглядит следующим образом:

где Р - объемная концентрация пористости, доля; V_o, V_p - скорость УЗ в плотном и пористых изделиях соответственно, м/с.

Способ осуществляют следующим образом. Из партии контролируемых изделий произвольно выбирают образец сравнения и предварительно определяют его состав известным (например, рентгеновским) способом. Из компонента композита с большей скоростью УЗ изготавливают изделие простой формы (например, цилиндрической). Затем проводят в одинаковых физических условиях измерения идентичных скоростей УЗ в образце сравнения, контролируемых изделиях и однофазном изделии с большей скоростью УЗ, после чего концентрацию фаз (или пористости) определяют из приведенных соотношений (1) или (2).

Примеры конкретного выполнения.

Отметим, что в изделиях могут быть возбуждены и измерены любые упругие колебания: продольные, изгибные и др. При резонансных измерениях возможна регистрация как частоты, так и периода колебаний, поскольку они связаны обратно пропорциональной зависимостью. Импульсные методы позволяют непосредственно измерять скорость распространения УЗ. При этом для реализации предлагаемого способа необходимо использовать одинаковые физические условия измерений: по моде и частоте колебаний, температуре, напряженно-деформированному состоянию, соотношению длин волн (λ) и размеров зерен и частиц фаз (d), соответствию условий измерения и используемой расчетной модели (в нашем случае λ≫d) и др.

1. В таблице 1 представлены известные результаты [3] определения резонансным методом модулей упругости Е и G изделий из твердых сплавов на основе WC-Со и компонентов WC и Со. Из приведенных в [3] результатов по составу (в объемных и весовых %), определенному рентгеновским методом с погрешностью ±0.15% следует, что связующая фаза имеет плотность, большую, чем чистый Со (по разным источникам - 8.65...8.79 г/см³), что обычно связывают с некоторой растворимостью W в Со. Продольная и поперечная скорости УЗ были рассчитаны из данных по Е и G и известным плотностям WC (15.65 г/см³) и твердых растворов Co(W) (8.79...9.6) г/см³. В качестве образцов сравнения выбрали изделия с концентрацией С_2Э(рентген.)=20.8 об.% Co(W) при использовании продольных колебаний и С_2Э(рентген.)=19.5 об.% Co(W) - при поперечных колебаниях. Затем по соотношению (1) для идентичных колебаний с учетом, что V₁=Vwc и V_i=VWC-Co при условии V₁>V_i, и V₁>V_Э определяют состав в контролируемых твердых сплавах. Как видно из таблицы 1, результаты определения состава твердых сплавов предлагаемым и рентгеновским способами хорошо согласуются, поскольку плотность связующей фазы в выбранных образцах сравнения близка к среднему значению плотности Co(W) контролируемых изделий переменного состава.

Таблица 1 Определение состава твердых сплавов WC-Со (резонансный метод)
№	Модуль Юнга, Ei, 103 кг/мм2	Продольная скорость УЗ, м/с	Объемная концентрация Co(W), %
		Vi	VЭ	Образец сравнения, С2Э	Рентген [3], Ci	Предлагаемый способ, С2
1	70.7	6681			1.8	1.27
2	67.32...67.3	6570			5.3	5.33
3	66.3...65.4	6543			6.8	6.94
4	64.0...63.6	6470			10.0	10.0
5	61.3	6385	6220	20,8	13.4	13.6
6	59.5...59.0	6320			16.4	16.44
7	53.9...53.1	6120			25.0	25.23
8	50.1...50.0	5999			30.5	30.7
9	47.1...46.8	5875			36.8	36.4
10	42.0	5720			44.0	43.7
	Модуль сдвига, Gi, 103 кг/мм2	Поперечная скорость УЗ, м/с	Объемная концентрация Co(W),%
		Vi	VЭ	Образец сравнения, С2Э	Рентген [3], Ci	Предлагаемый способ, С2
11	29.4	4309			1.8	1.8
12	28.08	4244	3998	19-5	5.3	5.4
13	24.6	4064			15.3	15.6
14	21.84	3913			25.0	24.6
15	20.22...20.2	3824			30.5	30.0
Примечание: V1(прод.)=Vwc=6711 м/с; Еэ=(56.4...56.3)103 кг/мм2; Vi(крут.)=Vwc=4342 м/с; Gэ=23.4·103 кг/мм2.

2. В таблице 2 представлены известные результаты [4] по плотности композитов WC-Co и импульсных измерений продольных скоростей УЗ в них. Для оценки Vwc(прод.) и V_CO(прод.) в компонентах использовали экстраполяцию приведенных в работе [4] корреляционных зависимостей различных физико-механических свойств от скоростей УЗ. В работе [4] состав твердых сплавов WC-Co(W), определенный по весу шихтовых компонентов WC и Со, находится в пределах ВК6...ВК15. Однако шихтовый состав в [4] не соответствует реальному составу спеченных изделий, что следует из значительного разброса измеренных скоростей УЗ для одного состава по шихте: так, для ВК6 скорости УЗ составляют диапазон (6760...6842) м/с, что можно объяснить только изменением состава связующей фазы во время технологического процесса. В связи с этим для сравнения с расчетом состава предлагаемым способом дополнительно определяют состав композита по формуле для плотности двухфазных смесей:

где С₂ - объемная концентрация Co(W), доля; ρ_WC, ρ_Co(W), ρ_WC-Co(W) - плотность компонентов WC и Co(W) и композита WC-Co(W), г/см³.

Из многочисленных данных [4] выбирают образцы сравнения с плотностями композита 14.6, 14.43 и 14.72 г/см³, объемной концентрацией Co(W), равной 15.6, 20.0 и 14.2%, плотностью связующей фазы 9.14, 9.54 и 9.1 г/см³ соответственно.

Из таблицы 2 видно, что расхождение результатов расчета состава предлагаемым способом и по формуле для плотности двухфазных смесей не превышает 10...12%, тогда как их отклонение от состава по шихте достигает в отдельных случаях 30...33%.

Таблица 2 Определение состава твердых сплавов WC (импульсный метод)
№	Плотность композита, ρWC-Co(W),г/см3	Концентрация Со по шихте [4] BKi вес.%/об.%	Продольная скорость УЗ, м/с	Объемная концентрация Co(W), %
	Vi	VЭ	Образец сравнения, С2Э	Расчет по формуле (3), Ci	Предлагаемый способ, C2
1	14,72	ВК6/10,2	6824	6760	15,6	14.3	13.1
2	14,72	ВК6/10,2	6820	-//-	-//-	14.3	13.3
3	14,78	ВК6/10,2	6841	-//-	-//-	13.4	12.1
4	14,57	ВК9/15,0	6769	-//-	-//-	16.6	15.3
5	14,41	ВК9/15,0	6663	-//-	-//-	19.0	19.4
6	14,39	ВК12/19,5	6692	-//-	-//-	19.4	18.3
7	14,44	ВК12/19,5	6697	-//-	-//-	18.6	18.1
8	13,95	BK15/23,9	6535	-//-	-//-	26.1	24.6
9	14,06	BK15/23,9	6523	-//-	-//-	24.4	25.0
10	14,76	ВК6/10,2	6831	-//-	-//-	13.7	12.8
11	14,36	ВК12/19,5	6642	-//-	-//-	19.8	20.3
12	14,4	ВК12/19,5	6637	-//-	-//-	19.2	20.5
13	14,01	BK15/23,9	6562	-//-	-//-	23.5	25.2
14	14,75	ВК6/10,2	6842	-//-	-//-	13.8	12.4
15	14,67	ВК6/10,2	6763	-//-	-//-	15.5	15.1
16	13,88	BK15/23,9	6562	6762	20,0	28.3	30.2
17	14,46	ВК10/16,5	6756	-//-	-//-	19.0	20.3
18	14,75	ВК6/10,2	6842	-//-	-//-	14.4	16.0
19	13,94	ВК15/23,9	6615	-//-	-//-	28.3	27.5
20	14,78	ВК6/10,2	6841	6820	14.2	13.3	13.3
21	14,57	ВК6/15,0	6769	-//-	-//-	16.6	16.3
22	14,01	ВК15/23,9	6562	-//-	-//-	25.0	25.1
Примечание: ρWC=15,65 г/см3, V1(прод.)=Vwc=7170 м/с; ρЭ=14,6; 14,43 и 14,72 г/см3.

3. В заключительном примере рассмотрим возможность применения предлагаемого способа определения состава псевдосплавов Au - W и W - Cu, необходимые характеристики для реализации которого приведены в работах [5, 2]. В связи с наличием пористости и анизотропии в композитах Au-W предварительно по формуле (2) производят нормировку измеренных скоростей V_р на беспористое состояние и определяют V_o композитов. Причем скорость УЗ в компонентах W и Au и в композитах Au-W определяют импульсными методами [5] с использованием продольных и поперечных волн.

Анизотропию скоростей УЗ в композитах Au-W в результате структурной неоднородности пор и фазовых составляющих учитывают в фазовом составе образца сравнения, используя значение C_2Э=55,9 об.% для продольных волн и С_2Э=38,5 об.% - для поперечных.

Для расчета скоростей звука в компонентах W и Cu и композитах W-Cu используют приведенные в работе [2] модули Юнга, состав композитов W-Cu и известные данные по плотности W (19,25 г/см³ ) и Cu (8,93 г/см³). В таблице 3 представлены необходимые для реализации предлагаемого способа данные и проведено сравнение результатов определения состава композитов предлагаемым и известным способами.

Таблица 3 Определение состава композитов Au-W и W-Cu
Продольная скорость УЗ в композите, м/с	Концентрация Au, об.%
VР1=1.06%	V0i	VP2=4.02%	V0Э	Образец сравнения, С2Э	Известный способ [5], С	Предлагаемый способ, С2
3998	4097	3488	3780	55.9	71.5±0.8	71.3
Поперечная скорость УЗ в композите, м/с	Концентрация Au, об.%
VP1-1.06%	V0i	VP2=4.02%	V0э	Образец сравнения, С2Э	Известный способ [5], С	Предлагаемый способ, С2
1917	1965	1477	1601	38,5	71.5+0.8	65,1
№	Модуль Юнга Е, 103 кг/мм2	Плотность композита ρW-Cu, г/см3	Продольная скорость УЗ в композите, м/с	Объемная концентрация Cu, %
	Vi	VЭ	Образец сравнения С2Э	Известный способ [2], С	Предлагаемый способ, С2
1	27.24	16.15	4066	4037	37.0	30.0	31,3
2	28.47	16.67	4092			25.0	26.3
3	26.89	15.9	4072			32.5	30.0
4	24.78	15.12	4008			40.0	42.5
Примечание: ρW=19.25 г/см3, V1(прод.)=Vw=5460 м/с для композита Au-W; ρCu - 8.93 г/см3, V1=Vw=4231 м/с для композита W-Cu.

Сопоставление результатов определения (см. табл.3) состава предлагаемым и известными способами показывает их расхождение в пределах ±5% во всех случаях, кроме случая определения анизотропного композита Au-W с помощью поперечных волн (расхождение не превышает ˜10%).

Таким образом, для контроля состава изделий из двухфазных композитов необходимо и достаточно измерение идентичных скоростей УЗ в одинаковых физических условиях в компоненте композита с большей скоростью УЗ, в контролируемых композитах, а также в произвольно выбранном из контролируемой партии образце сравнения, состав которого предварительно определяют одним из известных методов. А существующие в настоящее время технические средства с использованием заявляемого способа позволяют проводить массовый неразрушающий контроль однородности состава готовых изделий с необходимой точностью более просто и экспрессно.

Источники информации

1. SU, авторское свидетельство, 1026045, G 01 N 29/00, 1983 (аналог).

2. Effekt of composition and dispersed - phase particle-size distribution on the static elastic moduli of W-Cu composite materials, R.H.Crock, Proc. Amer. Soc. Test. Mater., v.63, 1963, p.605-612 (аналог).

3. A systematic investigation of elastic moduli of WC-Co alloys. H.Doi, Y.Fujiwara, K.Miyake et.al. Metal. Trans. V.1, 1970, №5, p.1417-1425 (прототип).

4. Pouziti ultrasvuku pri vyzkumu vlastnosti slinutych karbidu. V.Cech, R.Regazzo, "Z Mezinar. Konf. Prask. Met. CSSR: PM' 87", /Pardubice, 22-24 zari, 1987/, p.205-210, Sb. Pr. D. Sn. J., 1987.

5. Ultrasonic velocity measurements of Au-W composites. - D.K.Mak, R.B.Steinfl, Nondestr. Test.Eval., vol.5, 1989, p.39-48.

Способ контроля состава двухфазных композитов, включающий выбор образца сравнения из партии контролируемых изделий и определение его состава известным методом, измерение идентичных скоростей УЗ в образце сравнения и в ряде изделий из компонента композита с большей скоростью УЗ в нем и из двухфазных композитов, отличающийся тем, что измерения скоростей проводят импульсным методом в одинаковых физических условиях, после чего по адекватной им расчетной модели определяют состав двухфазных композитов при условии V₁≥V_i, и V₁>V_Э из соотношений

где С₁, С₂, С_2Э - объемная концентрация компонентов с большей и меньшей скоростями УЗ в контролируемых композитах и с меньшей скоростью УЗ в образце сравнения соответственно, доля;

V₁, V_i, V_Э - скорости УЗ в изделиях из компонента композита с большей скоростью УЗ, в контролируемых композитах и в образце сравнения соответственно, м/с.