Індикаторний матеріал для виявлення дефектів в поверхневих шарах деталей машин

Реферат: Індикаторний матеріал для виявлення дефектів в поверхневих шарах деталей машин, що містить дисперсійне середовище й водорозчинний барвник, причому дисперсійним середовищем слугує сирий лак на неводній основі, призначений для формування захисних покриттів на обшивках літальних апаратів, а водорозчинним барвником - сухий тонкодисперсний гідрофільний люмінофор. UA 100082 U (12) UA 100082 U UA 100082 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до якісного та кількісного складу індикаторних матеріалів для виявлення неозброєним оком дефектів в поверхневих шарах таких деталей машин, як обшивки переважно носових частин фюзеляжів, крил та хвостового оперення й днищ літальних апаратів. Потреба в таких індикаторних матеріалах обумовлена: по-перше, тим, що будь-які дефекти в поверхневих шарах деталей машин служать концентраторами напружень, а тому повинні бути своєчасно виявлені й усунуті; по-друге, тим, що саме в авіації дефекти в обшивці можуть спричиняти не тільки аварії й відповідні матеріальні та фінансові збитки, а іноді й масштабні катастрофи з численними людськими жертвами й безповоротною втратою літальних апаратів; по-третє, тим, що такі небезпечні дефекти часто виникають внаслідок зіткнень літальних апаратів з птахами, що особливо характерно для сучасних широкофюзеляжних літаків (див. Шитов В. Птицы в авиации: агрессоры или жертвы? // Гражданская авиация. - 2012. - № 4. - с. 36-39), а також внаслідок ударів каменями при зльотах і посадках на ґрунтових аеродромах, що характерно для пасажирських літаків місцевих авіаліній. Традиційно для виявлення дефектів типу мікротріщин в поверхневих шарах матеріалу різноманітних деталей використовують метод кольорової капілярної дефектоскопії, який у порівнянні з іншими методами виявлення поверхневих дефектів дає найбільш наочні результати й тому доступний навіть для малокваліфікованого персоналу (див., наприклад: Боровиков А.С, Прохоренко ПП. , Дежкунов Н.В. Физические основы и средства капиллярной дефектоскопии. - Минск, 1983). Цей метод передбачає: підготовку поверхні виробу, що тестується, тобто її очищення від механічних забруднень, знежирення (наприклад, ацетоном) і ретельне висушування; покривання (звичайно пензликом) підготовленої поверхні тонким шаром обраного індикаторного пенетранта, який містить барвник; витримування виробу протягом декількох (зазвичай від 5 до 10) хвилин; змивання надлишку пенетранта придатним розчинником; осушування поверхні (зазвичай бавовняною серветкою); нанесення придатного проявника (наприклад, 20 % суспензії каоліну в етанолі. За таких умов місце розташування дефекту виявляється у вигляді кольорової плями в шарі проявника. Типовий якісний склад таких пенетрантів давно визначений і включає: щонайменше один барвник, який - за умови проникнення вглиб і наступного проявлення контрастно виділяє дефект на тлі поверхні деталі, щонайменше однокомпонентну рідку основу, яка у всіх випадках служить дисперсійним середовищем для барвника й, хоча б почасти, засобом введення барвника вглиб дефекту, що виявляється, та щонайменше одну поверхнево-активну речовину для ефективного диспергування барвника в рідкій основі, стабілізації отриманої дисперсії й полегшення змочування стінок дефектів. Різноманітними прикладами реалізації такого типового складу можуть служити індикаторні пенетранти, які відомі з SU 353945, SU 539058, SU 1679308, GB 763885, US 2806959, UA 74059 та UA 74060, RU 2248557 та RU 2248558 і багатьох інших. Описані вище метод і засоби дозволяють ефективно виявляти поверхневі дефекти неозброєним оком. Тому їх широко застосовують для контролю якості незначних за площею зварних швів трубопроводів, довільних резервуарів, деталей теплоенергетичних установок тощо. Проте для виявлення поверхневих дефектів у великих за площею обшивках літальних апаратів потрібні принципово інші методи й засоби. Основою для їх створення можна вважати метод дослідження деформацій з використанням здатних до розтріскування тонких покриттів, заздалегідь нанесених на поверхні досліджуваних деталей машин (див. наприклад: 1. Пригоровский Н.И., Панских В.К. Метод хрупких тензочувствительных покрытий. - М.: Наука, 1978; 2. Сурсяков В.А. Исследование деформаций с помощью метода хрупких покрытий: Методическая разработка. - Пермский государственный технический университет. - Пермь, 2002). Для здійснення цього метода придатні будь-які лакофарбові матеріали, які дозволяють отримувати крихкі покриття, що задовольняють сукупності наступних вимог: повну адгезію до поверхні деталі; товщину й жорсткість, якими можна знехтувати у порівнянні з товщиною й жорсткістю досліджуваного виробу; плоский напружений стан з рівномірним розподілом напружень по товщині та ізотропність. 1 UA 100082 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Тріщини в таких крихких покриттях, які виникають внаслідок (зокрема, ударних) навантажень досліджуваних виробів, свідчать про місця неприпустимих деформацій та, відповідно, про порушення міцності досліджуваних виробів. Ці тріщини досі проявляли шляхом свердління лунок діаметром приблизно 3 мм і глибиною 2-3 мм по границях очікуваної зони деформації, нанесенням на неї суцільного шару й наступним видаленням надлишку індикаторного матеріалу у вигляді дисперсії (зокрема водного розчину) придатного (як правило, червоного) барвника. Така комбінація дисперсійного середовища й водорозчинного барвника є найближчим аналогом запропонованого далі індикаторного матеріалу. Фахівцям зрозуміло, що сучасні прозорі лаки на акриловій основі, які використовують в авіаційній промисловості для створення захисних покриттів на обшивках літальних апаратів, цілком задовольняють наведеній вище сукупності вимог до крихких тензочутливих покриттів, а тому тріщини в таких захисних покриттях можуть свідчити про порушення міцності обшивок. Але візуальне виявлення тріщин, які в покриттях, що сформовані із зазначених лаків на обшивках, можуть виникнути внаслідок зіткнень літальних апаратів з птахами чи внаслідок ударів каменями, практично неможливе з використанням вищеописаних засобів. По-перше тому, що свердління обшивок неприпустиме, а по-друге тому, що нанесення індикаторного матеріалу на значні по площі аеродинамічні поверхні й видалення його надлишку є низькопродуктивними процесами. Відповідно в основу корисної моделі поставлена задача уточненням хімічного складу створити такий індикаторний матеріал, який дасть змогу високопродуктивно виявляти поверхневі мікротріщини в обшивках літальних апаратів неозброєним оком. Ця задача вирішена тим, що в індикаторному матеріалі для виявлення дефектів в поверхневих шарах деталей машин, який містить дисперсійне середовище й водорозчинний барвник, згідно з винахідницьким задумом дисперсійним середовищем слугує сирий лак на неводній основі, призначений для формування захисних покриттів на обшивках літальних апаратів, а водорозчинним барвником - сухий тонкодисперсний гідрофільний люмінофор. Такий індикаторний матеріал практично не відрізняється за прозорістю й кольором від захисних лакових покриттів. Тому його можна заздалегідь наносити на обшивки літальних апаратів як підкладку захисного покриття, сформованого з того ж або іншого подібного за складом лаку й висушувати заздалегідь або одночасно зі згаданим захисним покриттям. У кожному випадку фіксації екіпажем літального апарата зіткнення з птахами чи удару іншим твердим предметом технічний персонал аеропорту може шляхом змочування водою відповідних частин обшивки спричинити розчинення частинок люмінофору, виявити при сонячному або штучному (за допомогою ультрафіолетового джерела) освітленні місця тріщин в захисному покритті й, відповідно, оцінити небезпеку подальшої експлуатації повітряного судна без ремонту. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що гідрофільний люмінофор вибраний із групи, яка складається з флуоресцеїну та родаміну Ж. Ці люмінофори доступні на ринку й після розчинення у воді дають яскраві плями в місцях тріщин на захисних покриттях обшивок літальних апаратів. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що гідрофільний люмінофор узятий в кількості від 0,01 до 0,05 % від загальної маси індикаторного матеріалу Далі суть корисної моделі пояснюється: зазначенням та характеристиками інгредієнтів та прикладами конкретного складу індикаторних матеріалів, описами способу їх виготовлення й способу застосування та описом методики и результатами їх випробувань. Як дисперсійні середовища для виготовлення зразків індикаторних матеріалів були використані акриловий лак марки АК-113 (ГОСТ 23832-79) та акрил-стирольний лак марки АС16 (ТУ 6-10-814-80), дані про склад і властивості яких наведені в Таблиці. 2 UA 100082 U Таблиця Склад і властивості лаків Найменування показника Зовнішній вигляд лаку Нелеткий залишок, % по масі Розчинник (метилацетат) Умовна в'язкість по ВЗ-4 при 20±0,5 °C, с Тривалість висушування при 20±0,5 °C, годин Твердість плівки по маятниковому приладу М-3, умовних одиниць Еластичність плівки при вигинанні, мм, не більш Зовнішній вигляд плівки 5 10 15 20 25 30 35 40 АК-113 АС-16 Прозора рідина без механічних домішок (припустима незначна опалесценція) 6-9 15-20 80-90 82-89 14 14-18 до 1,5 до 1 0,5 0,6 1 1 Гладка безбарвна однорідна поверхня без віспин і механічних включень Як гідрофільні люмінофори були використані флуоресцеїн (ТУ 6-09-2464-82) та родамін Ж (ТУ 6-14-1058-79) у вигляді порошку із середнім розміром частинок 5-10 мкм. Спосіб виготовлення індикаторного матеріалу передбачає дозування визначених інгредієнтів у бажаній кількості та їх ретельне перемішування при кімнатній температурі в довільному змішувачі до отримання однорідної робочої суспензії. Спосіб застосування індикаторного матеріалу передбачає рівномірне напилювання згаданої суспензії на ті очищені від випадкових механічних забруднень і знежирені частини поверхні обшивки літального апарату, які підлягають контролю. Зрозуміло, що під час виконання цієї операції слід забезпечити захист органів дихання й зору робочого персоналу від пари розчинника та мікрокрапель робочої дисперсії. Оскільки в склад кожної лакової основи індикаторного матеріалу включений легко летючий розчинник, остільки його значна частина встигає випаритися в процесі напилювання, а нанесений тонкий (порядку 10 мкм) "індикаторний" шар встигає загуснути. Тому формування лакового захисного покриття може бути розпочате одразу після нанесення індикаторного шару, а отримане двошарове покриття може бути остаточно висушене в цілому. Сухе двошарове покриття періодично або після кожного засвідченого випадку зіткнення з птахом чи удару каменем піддають змочуванню під час наземного технічного обслуговування літальних апаратів. Як було вже сказано вище, в місцях тріщин у захисному покритті волога розчинює частинки люмінофору в оголеному шарі індикаторного матеріалу, внаслідок чого виникають яскраві кольорові плями. Оскільки здатність флуоресцеїну й родаміну Ж (а в принципі - й інших барвників ксантенового ряду) практичне однакова й різниця між ними полягає лише у кольорі плям, а також оскільки робочі характеристики зазначених вище лаків майже тотожні, остільки для перевірки діапазону робочих концентрацій були виготовлені лише такі дослідні зразки індикаторного матеріалу, які містили 0,008, 0,01, 0,025, 0,04 та 0,05 % по масі сухого тонкодисперсного флуоресцеїну в рідкому лаку марки АК-113М. Робочі дисперсії, які мали зазначений склад, були нанесені на моделі обшивки літального апарату у вигляді листів розміром 10×10 см і товщиною 1 мм по 10 зразків для кожного експерименту. Товщина індикаторного шару була в діапазоні 8-12 мкм. Далі на кожний такий лист з використанням того ж лаку марки АК-113 були нанесені захисні покриття товщиною 0,01 мм. Після остаточного висушування на експериментальному стенді в ДП "Антонов" були проведені експерименти з моделювання зіткнень літальних апаратів з птахами. Для цього в кожний лист-мішень з відстані 5 м зі швидкістю 200 м/с вистрілювали тушкою курки масою 1,52,0 кг, що гарантувало розтріскування захисного покриття. Потім кожний лист зволожували й оцінювали появу й яскравість кольорової плями. Було встановлено, що: при концентрації флуоресцеїну 0,008 % по масі лише в шести зразках з десяти з'явилися помітні зелені плями; при концентрації флуоресцеїну 0,01 % по масі в усіх десяти зразках з'явилися досить яскраві зелені плями; 3 UA 100082 U при більших концентраціях флуоресцеїну плями ставали все яскравішими, причому для концентрацій 0,04 та 0,05 % флуоресцеїну яскравість плям була практично однаковою, що свідчить про недоцільність використання гідрофільних люмінофорів в концентрації більше за 0,05 %. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 1. Індикаторний матеріал для виявлення дефектів в поверхневих шарах деталей машин, що містить дисперсійне середовище й водорозчинний барвник, який відрізняється тим, що дисперсійним середовищем слугує сирий лак на неводній основі, призначений для формування захисних покриттів на обшивках літальних апаратів, а водорозчинним барвником - сухий тонкодисперсний гідрофільний люмінофор. 2. Індикаторний матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що гідрофільний люмінофор вибраний із групи, яка складається з флуоресцеїну та родаміну Ж. 3. Індикаторний матеріал за пп. 1 та 2, який відрізняється тим, що гідрофільний люмінофор узятий в кількості від 0,01 до 0,05 % від загальної маси індикаторного матеріалу. Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4