Спосіб визначення кавітаційної стійкості матеріалів та пристрій для його здійснення

1. Спосіб визначення кавітаційної стійкості матеріалів, який полягає у тому, що зразок матеріалу зважують, після цього занурюють в рідину, у якій збуджено ультразвукові коливання, після кавітаційної дії на поверхню матеріалу зразок знову зважують та по різниці мас визначають кавітаційну стійкість матеріалу, який відрізняється тим, що в рідину над поверхнею ультразвукового перетворювача занурюють капіляр, зразок матеріалу у вигляді дроту або тонкої фольги зважують, після чого розташовують у капілярі уздовж його осі таким чином, щоб кінець дроту ви ходив з каналу капіляра в рідину, у рідині збуджують ультразвукові коливання, амплітуда яких недостатня для виникнення кавітації 40802 процес. Якщо кавітація виникла не тільки в зоні розташування зразка, ступінь його руйнування значно зменшиться не тому що змінилися властивості рідини, або матеріалу, а то му що змінилися параметри ультразвукового поля (зокрема амплітуда звукового тиску). Отже похибка тестування може сягати сотен процентів. Крім того, не можна тестувати матеріали, кавітаційна стійкість яких висока і потребує значного часу кавітаційного впливу. Збільшення часу тестування веде до зростання ймовірності виникнення кавітації на поверхні перетворювача, і, як наслідок, буде відбуватись кавітаційне руйнування поверхні перетворювача, а не зразка для тестування. Це, по-перше, скорочує строк служби перетворювача, по-друге, знижує точність тестування. Ця проблема вирішена у способі визначення кавітаційної активності рідини (Мощные ультразвуковые поля, под.ред.Л.Д.Розенберга, Москва. Наука, 1968, с.207), послідовність дій у якому спрямована на визначення кавітаційної стійкості алюмінию у воді, який є найбільш близьким до запропонованого, і який прийнято нами за прототип. У вказаному способі зважують алюмінієвий зразок для тестування. Рідиною заповнюють пocyдинy дно якої є напівсферичною поверхнею; внутрішня поверхня полусфери утворена з великої кількості плоских перетворювачів. На кожний з перетворювачів подають напругу однакової частоти, та підвищують амплітуду до та кого значення, щоб у фо кальній області сумарна амплітуда звукового тиску від усі х перетворювачів перебільши ла поріг виникнення кавітаційного процесу. Зра зок для тестування розміщують у фо кальній області та піддають дії кавітації. Після закінчення дії кавіта ції зразок зважують повторно, та по різниці мас визначають кавіта ційну активність рідини. Очевидно, якщо використовувати зразки з різних матеріалів в одній і тій самій рідині, піддаючи їх кавіта ційному впливу однаковий час, можна таку послідовність дій використовува ти для визначення кавіта ційної стійкості матеріалів. У такому способі вирішена проблема захисту по верхні перетворювачів шляхом створення ультразвукового поля спеціальної форми, у якому відбувається концентрація ультразвукової енергії у певній області (так званій фокальній області) на відстані від поверхні перетворювачів. Саме цей елемент способу робить його надзвичайно дорогим, та запобігає його ши рокому використанню. Друга проблема, яка існує у такому способі, пов'язана з механізмом кавітаційної ерозії поверхні. Руйнування зразка у фокальній області концентратора веде до часткового розчинення матеріалу у рідині, що суттєво змінює її електрохімічні властивості, зокрема її іонний склад. Відомо, що збудження та протікання кавітаційних процесів (зокрема ерозії) залежать від іонного складу во ди та інших рі дин. Таким чином, у способі, прийнятому нами за прототип протягом тестування змінюються умови для кавіта ційної ерозії зразка, що зумовлює зниження точності тестування. Технічна задача, на вирішення якої спрямовано запропонований винахід, полягає у то му, щоб, по-перше, запобігти ви никненню кавітації на робочій поверхні перетворювача в ультразвукових полях до вільної фор ми (без використання дорогоцінних концентраторів); по-друге, забезпечити нез мінні параметри рідини, у якій відбувається тестування матеріалу. Ця задача вирішується тим, що зразок матеріалу для тестування використовують у вигляді дроту, який може вільно рухати ся уз довж капіляра; в рідині збуджують ультразвукові коливання, амплітуда яких не достатня для виникнення кавіта ції в усьому об'ємі рідини; в рідині над поверхнею перетворювача розміщують капіляр, визначають масу зразку для тестування і через канал капіляра вводять його у рідину, підвищують тиск у капілярній системі для стимулювання кавітаційного процесу під перерізом капіляра; під час дії кавітації на зразок відводять рідину, яка піднімається по капіляру в окрему посуди ну, та забезпечують надходження чистої рідини до ванни з такою же швидкістю, після кавітаційної дії на зразок зважують його знову, і по різниці мас до і після кавітаційної дії визначають кавітаційну стійкість матеріалу. У порівнянні з прототипом у запропонованому способі, крім двократного зважування зразка матеріала та збудження ультразвукових коливань, у рі дині необхідно додатково ви конати такі дії. В рідині, де збуджують ультразвукові коливання, розміщують капіляр, через який у рідину вво дять зразок для тестування. Підвищують тиск у капілярі і примусово стимулюють кавітаційний процес у каналі капіляра на його перерізі за умов, коли у всьому об'ємі рідини та на поверхні перетворювача кавітація не виникає. Під час тестування зразка, тобто при наявності кавітації під каналом капіляра, відводять рідину, яка піднімається по капіляру (і збагачена продук тами руйнування зразка) в окрему посудину та забезпечуть надходження чистої рідини з такою же швидкістю. Ще одною характерною ознакою запропонованого способу є амплітуда ультразвукових коливань, які збуджують: у способі, прийнятому за прототип, амплітуда звукового тиску у фокальній області концентратора перевищує порогове значення самозбудження кавітації в рідині, а в запропонованому способі амплітуда звукового тиску по всьому об'єму рідини та на поверхні перетворювача менша, ніж це порогове значення. В основу запропонованого способу покладені наші експериментальні дослідження звукокапілярного ефекту. Одним з проявів цього ефекту є збудження стабільного кавітаційного процесу у каналі капіляра на його перерізі. У цьому відіграють роль два факто ри: переміщення меніска до перерізу капіляра веде до швидкого локального розчинення газу и збудження кавіта ції в області локального підвищен ня концентрації зародків кавітації; розповсюдженню та випадковому переміщенню стимульованого кавіта ційного процеса запобігає дія на кавітаційну хмару звукокапілярної сили, спрямованої до каналу капіляра. Отже, кавітаційна хмара, розмір якої порядка 1,0-2,0 мм, може існувати практично необмежений час під каналом капіляра на відстані, більшій ніж 12 мм; від поверхні перетворювача, якщо власти вості рідини підтримують у стабільному ста ні. Тобто у та кий спосіб задача захисту поверхні перетворювача без застосуван ня мозаїчних концентраторів вирішена. Як зазначалось вище, кавітаційна ерозія веде до зміни іонного складу рідини, тобто змінює електрохімічні власти вості рідини. Запропонована в спо 2 40802 собі послідовність дій дозволяє запобігти цьому явищу. Ще одним проявом звукокапілярного ефекту є формування потоку рідини в капілярі під час існування стабільного кавітаційного процесу під його перерізом. У випадку, коли зразок у вигляді дроту вільно переміщується у каналі капіляра, зформованої між ними капілярної щі лини виявляється достатньо для того, щоб рідина, яка збагачена іонами, кавіта ційним потоком була відведена в окрему посуди ну. Щоб не змінювалось акустичне навантаження на перетворювач, необхідно забезпечити надходження нових порцій рідини. Отже, у та кий спосіб задача забезпечення незмінності параметрів рідини і умов тестування матеріала виявляється вирішеною. На сучасному рівні техніки відомий пристрій для визначення кавітаційної активності рідини (зокрема води) (Б.А.Агранат и др. Ультразвук в гидрометаллургии. Москва. Ме таллургия. 1969, с.35), який, як було зазначено вище, може бути застосований для визначення кавітаційної стійкості матеріала. Цей пристрій вміщує ультразвукову ванну, у якій змонтовано ультразвуковий перетворювач, електрично зв'язаний з генератором ультразвукової частоти. У рідину, яка заповнює ультразвукову ванну, занурено алюмінієву фольгу для тестування. У такому пристрої не можна тестувати матеріали, кавітаційна стійкість яких висока і потребує значного часу кавітаційного впливу. Збільшення часу тестування веде до зростання ймовірності виникнення кавітації на поверхні перетворювача, і, як наслідок, буде відбуватись кавітаційне руйнування поверхні перетворювача, а не зразка для тестування. Це, по-перше, скорочує строк служби перетворювача, по-друге, знижує точність тестування. Існує пристрій для визначення кавіта ційної активності рідини (Мощные ультразвуковые поля, под.ред.Л.Д.Розенберга. Москва. На ука. 1968. с. 198,207), у якому визначають кавіта ційну стій кість алюмінію у во ді. Цей пристрій можна використовува ти для визначення кавітаційної стій кості різних матеріалів у різних рі динах, він найбільш близький за своїми ознаками до запропонованого, і його прийнято за прототип. Цей пристрій вміщує ультразвукову ванну з мозаїчним концентратором, внутрішня сфе рична поверхня якого змонтована з великої кількості плоских ультразвукових перетворювачів, електрично зв'язаних з генератором ультразвукової часто ти. У рідину, яка заповнює ультразвукову ванну, зануре но алюмінієвий зразок, який розташова но у фокальній зоні концентратора. У та кому пристрої кавітаційний процес ви никає тільки у фо кальній зоні концентратора, отже повер хня перетворюва чів захи ще на від дії кавітації. Але велика кількість перетворювачів, які повинні мати однакову ре зонансну часто ту, необхідність їх електроакустичної уз годженості, жорсткі геометричні вимоги до орієнтації перетворювачів та їх відстані до фо кальної області робить такий пристрій надзвичайно дорогокоштовним. Крім того, у та кому пристрої не передбачена система обміну рідини. Це означає, що під час тестування може відбувати ся зміна електрохімічних параметрів рідини, зокрема концентрація іонів, які утворюються завдяки кавітації. Отже змінюються умови за яких відбуваєть ся тестування, що ве де до зниження точності способу, Технічна задача, на вирішення якої спрямовано винахід полягає у тому, щоб, по-перше, запобігти ви никненню кавітації на робочій поверхні перетворювача без використання дорогоцінних концентраторів; по-друге, забезпечити незмінні параметри рідини, у якій відбувається тестування матеріалу. Ця задача вирішується тим що, в ультразвуковій ванні над поверхнею перетворювача встановлено капіляр, на перерізі якого зафіксовано зразок для тестування. На рис. 1 наведено схему пристрою для визначення кавіта ційної стійкості матеріалів, який складається з ультразвукової ванни 1, яка у донній части ні має плоский магнітострикційний або п'єзокерамічний перетворювач 2, електрично зв'язаний з генератором ультразвукової часто ти 3. Над поверхнею перетворювача закріплено капіляр 4 так, щоб його нижній переріз знаходився на достатній відстані від поверхні перетворювача. Капіляр герметично закріплено у трубці 5 більшого діаметра, яка через систему кранів 6 та 7 зв'язана з компресором 8 та випускною трубкою 9. Зразок матеріалу, який підлягає тестуванню, використовують у формі дроту 10 або вузької полоски фольги. Зразок проходить через капіляр так, щоб його нижній кінець виходив з капіляру на довжину, не більшу 1 мм. Верхній кінець зразку механічно закріплено на стержні 11, який розташовано уздовж вісі трубки 5 та закріплено у ній жорсткою герметичною втулкою 12. На ультразвуковій ванні механічно закріплено електронний датчик рівня 13, який електрично зв'язаний з релє 14, яке забезпечує вп уск рідини. Сукупність елементів 13-14 призначена підтримувати необхідний рівень рідини у ван ні, тобто постійність акустичного навантаження на перетворювач. У порівнянні з прототипом, у склад пристрою крім ультразвукової ванни, яка заповнена рідиною, ультразвукового перетворювача, ге нератора входять такі елементи. Капіляр 4, який через систему кранів поєднано з компресором та випускною трубкою. Електронно-механічна система елементів 13-14, яка разом з випускною трубкою 9 забезпечує можливість безперервної роботи у ста більних умовах. Робота пристрою, який запропоновано, відбувається таким чином. Зразок 10 зважують, закріплюють за допомогою стержня 5 та втулки 12, і вводять у капіляр, як описано вище. Рідиною заповнюють ультразвукову ванну до рівня, який задовільняє акустичним вимогам. Підви щують напругу на перетворювачі і задають амплітуду звукового тиску в рідині таку, що забезпечує режим стимульованої кавіта ції в звуко-калілярному ефекті. Кран 7 перекривають, поступово компресором 8 підвищують тиск у капілярі до тих пір, поки меніск переміститься до перерізу капіляра, де його руй нування спричинить формуванню стаціонарної зони кавітації. Характерний розмір зони кавітації становить 1,2-2,0 мм, отже кінець зразку 10 знаходиться в області максимальної концентрації кавітаційних порожнин. Тестування кавітаційно стійких матеріалів потребує значного часу дії кавітації. Відомо, що кавіта ційний процес, стимульований під каналом капіляра, зумовлює формування ста 3 40802 ціонарного потоку рідини по капіляру. То му кран 7 відкривають так, щоб встановити стаціонарний випуск рідини у резервуар 15. Кран 6 необхідно перекрити, щоб потік рідини не попадав до компресора. Електронна система 13 реагує на зменшення рівня рідини і подає електричний сигнал на реле 14, яке забезпечує впуск рідини. Після обробки матеріал повторно зважують. Різниця в масах, або швидкість зменшення маси можуть бути мірою кавітаційної стійкості матеріала. У такому пристрої кавітаційний процес стабілізований під перерізом капіляра на відстані, більшій за 10 мм, від поверхні перетворювача. Характерний розмір зони кавітації не перевищує 1,22,0 мм, тобто поверхня перетворювача не контактує з зоною кавітації. Якщо фізико-хімічні параметри рідини, висота її рівня над поверхнею перетво рювача, напруга на перетворювачі залишаються сталими, така зона кавіта ції може існувати під перерізом капіляра практично необмежений час. Тому у та кому пристрої існує можливість тестування матеріалів, кавітаційна стійкість яких значно перевищує кавітаційну стійкість поверхні перетворювача. Формування стаціонарного потоку рідини тільки в одному напрямку - з об'єму ванн через капіляр, трубку 5, випускну трубку 9 у зовнішню посуди ну 15 - забезпечує відведення рідини з підвищеною концентрацією іонів металів, і таким чином, забезпечує ста більність умов тестування матеріалів. В лабораторних умовах проводили тестування алюмінію, ніхрому, міді у де газованій дистильованій воді. Оптимальними для застосовування є капіляри з внутрішнім діаметром з діапазону (0,52,0)мм. Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 4