Введение

Тормозные системы имеют ключевое значение для обеспечения безопасности транспортных средств, в том числе в авиастроении. Они должны обеспечивать надежную работу в различных условиях, включая высокую температуру, влажность и механические нагрузки. Для достижения этих целей используются специальные фрикционные материалы, которые обладают высокой износостойкостью, необходимыми теплопроводностью и коэффициентом трения, обеспечивают эффективное торможение в различных условиях эксплуатации.

Примером таких материалов служат углерод-углеродные фрикционные материалы (УУФМ), которые могут быть адаптированы под конкретные условия эксплуатации и имеют улучшенные характеристики по сравнению с традиционными материалами на основе керамики и металлов [1–4]. Основными компонентами УУФМ являются углеродные волокна и матрицы на основе синтетических полимеров, пеков и пиролитического углерода. В зависимости от используемого сырья и технологии изготовления УУФМ могут существенно различаться как по схемам армирования, так и по макро- и микроструктуре матрицы, что позволяет создавать материалы с необходимыми эксплуатационными характеристиками [5, 6]. Процесс производства УУФМ многостадийный, включает ряд технологических этапов, таких как подготовка и совмещение компонентов, формование и высокотемпературные обработки для осуществления процессов карбонизации, уплотнения и графитации [7–10].

Контроль продукции после механической и чистовой обработки является важным этапом производства, который позволяет убедиться, что детали соответствуют требуемым допустимым параметрам дефектности и обладают необходимыми свойствами. Контроль может включать различные методы, в том числе визуальный осмотр, определение размеров, проверку на прочность и др. В зависимости от типа и области применения УУФМ могут использоваться специализированные испытания, такие как испытания на усталость, ударные, гидравлические и т. д.

Дефектами заготовок изделий из УУФМ на разных технологических этапах производства являются пористость, расслоения, трещины, выкрашивания. Внедрение неразрушающего контроля на промежуточных стадиях до финальной механической обработки позволит снизить затраты, вызванные браковкой готовой детали из-за дефектов, вышедших на поверхность и вызвавших отклонение по геометрическим параметрам [11–13].

Материалы и методы

Для деталей, изготовленных из УУФМ, помимо расслоений, характерны специфические дефекты в виде уплотнений, которые сопровождаются «потемнением» на поверхности изделия. Специфика таких дефектов заключается в том, что они не всегда связаны с несплошностью, т. е. потемнения могут быть вызваны особенностью материала. На рис. 1 представлена поверхность изделия с несполошностью, значительная глубина которой подтверждена результатами рентгеновской компьютерной томографии. Данная заготовка не соответствовала требованиям нормативной документации по величине плотности. На рис. 2 представлена поверхность изделия c «потемнением» без несплошности.

Рис. 1. Несплошность на поверхности изделия (а) и рентгеновская компьютерная томограмма с определением глубины дефекта (б). Цветом выделена область несплошности

Рис. 2. «Потемнение» на поверхности (а) и рентгеновская компьютерная томограмма, подтверждающая отсутствие несплошности (б). Цветом выделена область «потемнения»

Попадание подобных несплошностей в чистовой контур готовой детали недопустимо, в связи с этим задача оценки их линейной глубины является актуальной. На рис. 3 показан фрагмент образца с несплошностью глубиной t, которую требуется оценить.

Рис. 3. Фрагмент образца с несплошностью глубиной t, которую требуется оценить

Поскольку УУФМ являются электропроводящими, а подобные дефекты поверхностные, их оценка возможна вихретоковым методом неразрушающего контроля [14].

Вихретоковый метод основывается на использовании электромагнитных полей для обнаружения дефектов и измерения характеристик материала [15, 16]. Приближение вихретокового преобразователя к электропроводящему материалу приводит к возникновению в нем вихревых токов. Наличие дефектов влияет на направление и интенсивность вихревых токов, вызывая изменение напряжения измерительной катушки преобразователя. Данный метод чувствителен к дефектам типа «трещина» и широко применяется для измерения их параметров, в том числе для материалов с низкой электропроводностью.

Дефекты глубиной >10 мм обычно затруднительно оценить с помощью вихретокового метода неразрушающего контроля, так как глубина проникновения вихревых токов ограничивается электропроводимостью материала σ. Глубину проникновения δ можно определить по формуле

где σ – удельная электропроводимость, См/м; μ_а – абсолютная магнитная проницаемость материала, Гн/м; f– частота возбуждающего тока, Гц.

Однако электропроводимость УУФМ мала [17], поэтому оценка дефектов глубиной >10 мм теоретически возможна. В данной работе анализируется возможность применения вихретокового метода неразрушающего контроля для оценки глубины несплошностей, возникающих в УУФМ.

Сигнал, регистрируемый вихретоковым дефектоскопом при перемещении преобразователя над дефектом, зависит от многих факторов: частоты возбуждающего тока, диаметра вихретокового преобразователя, зазора, геометрических параметров и ориентации дефекта относительно преобразователя и т. п. [16–19]. Для анализа возможности оценки глубины дефекта и влияния различных параметров систем контроля разработана конечно-элементная модель распределения электромагнитных полей в зоне контроля [19, 20]. В качестве вихретокового датчика в модели применяли абсолютный трансформаторный накладной преобразователь, дефект (трещина) ориентирован перпендикулярно поверхности образца. Требуемыми свойствами при моделировании являются магнитная проницаемость и электропроводимость материала. УУФМ является немагнитным, электропроводимость фрагмента исследуемого образца оценена с помощью вихретокового метода в диапазоне от 70 до 100 кСм/м в зависимости от участка контроля.

По итогам численного моделирования получены зависимости относительного изменения сигнала вихретокового преобразователя от глубины дефекта. Зависимости построены относительно максимальной глубины дефекта (28 мм). Возможность оценки глубины определяется наклоном зависимости относительного изменения сигнала (производной приращения) от размера дефекта.

На рис. 4 представлены зависимости относительного изменения сигнала преобразователя диаметром 8 мм от глубины дефекта для разных значений частоты возбуждающего тока, а также наклон зависимости, по которому определяется возможность оценки глубины.

Рис. 4. Зависимости относительного изменения сигнала преобразователя диаметром 8 мм от глубины дефекта для разных частот возбуждающего тока

При частоте возбуждающего тока 1 МГц и глубине дефекта >15 мм наклон зависимости напряжения существенно сокращается. С уменьшением частоты возбуждающего тока производная приращения напряжения снижается при больших значениях глубины дефекта. Незначительное влияние частоты возбуждающего тока на сигнал вызвано низкой проводимостью материала. В металлах влияние частоты будет значительнее, однако максимально возможная глубина оценки дефекта существенно уменьшится [19]. Проанализировав результаты, представленные на рис. 4, можно сделать вывод, что для оценки дефектов требуется уменьшение частоты. Однако вихретоковые преобразователи с небольшим диаметром работают только в диапазоне высоких частот.

На рис. 5 показаны зависимости относительного изменения сигнала преобразователя с разными диаметрами от глубины дефекта при частоте возбуждающего тока 500 кГц.

Рис. 5. Зависимости относительного изменения сигнала преобразователя с разными диаметрами от глубины дефекта при частоте возбуждающего тока 500 кГц

При оценке глубины дефекта преобразователем диаметром 1 мм производная приращения напряжения снижается при глубине дефекта >5 мм. С увеличением диаметра преобразователя наклон зависимости уменьшается при больших значениях глубины, следовательно, чем больше диаметр преобразователя, тем большую глубину дефекта возможно оценить.

Для объективного анализа влияния частоты возбуждающего тока и диаметра вихретокового преобразователя требуется оценить чувствительность к изменению глубины дефекта. Чувствительность рассчитывали по формуле

где S – чувствительность, ед.; U – относительное изменение сигнала, ед.; t – глубина дефекта, мм.

На рис. 6 показаны зависимости чувствительности преобразователя с разными диаметрами от глубины дефекта при частоте возбуждающего тока 500 кГц.

Рис. 6. Зависимости чувствительности преобразователя с разными диаметрами от глубины дефекта при частоте возбуждающего тока 500 кГц

С увеличением диаметра преобразователя повышается чувствительность к оценке более глубоких дефектов, однако уменьшается чувствительность к обнаружению и оценке небольших дефектов. При небольшом диаметре преобразователя увеличивается чувствительность к небольшим дефектам, однако оценка размеров большой глубины становится невозможна.

На рис. 7 показаны зависимости чувствительности преобразователя диаметром 8 мм от глубины дефекта при разных частотах возбуждающего тока.

Рис. 7. Зависимости чувствительности преобразователя диаметром 8 мм от глубины дефекта при разных частотах возбуждающего тока

С уменьшением частоты преобразователя увеличивается чувствительность к оценке глубины больших дефектов, однако уменьшается возможность обнаружения и оценки дефектов малых размеров. Обратная картина зафиксирована при увеличении частоты возбуждающего тока: повышается чувствительность к обнаружению и оценке неглубоких дефектов, однако уменьшается чувствительность при оценке крупных дефектов.

Дефекты естественного происхождения отличаются от смоделированных углом наклона γ относительно поверхности образца (естественный дефект показан на рис. 1), что предположительно может сильно изменить сигнал преобразователя и привести к неправильной оценке глубины дефекта. На рис. 8 продемонстрированы угол наклона γ и линейная глубина дефектаt, которая оценивается в данной работе. Для анализа влияния угла наклона дефекта в модели скорректирован угол γ. Зависимости сигнала преобразователя от угла наклона дефекта представлены на рис. 9. Данные определяли с помощью преобразователя диаметром 8 мм при частоте возбуждающего тока 500 кГц для дефектов линейной глубины 4, 6, 8 и 10 мм относительно дефекта, направленного под углом γ = 90 градусов.

Сигнал от преобразователя при критическом значении угла наклона γ = 35 градусов и линейной глубине дефекта t = 4 мм изменяется не более чем на 20 % относительно дефекта, перпендикулярного поверхности. При этом с увеличением линейной глубины дефекта этот показатель уменьшается: при глубине дефекта 10 мм максимальное изменение сигнала не превысило 9 % (при γ = 55 градусов). Таким образом, при расчете глубины естественного дефекта установлено незначительное влияние угла наклона дефекта, что в свою очередь позволяет калибровать показания на образцах-имитаторах с дефектами, перпендикулярными поверхности.

Из результатов моделирования следует:

– удельная электропроводимость УУФМ достаточна для оценки дефектов;

– из-за низкой электропроводимости УУФМ возможна оценка глубины крупных дефектов;

– чем больше диаметр преобразователя, тем больше будет сигнал, по которому возможна оценка глубины дефекта;

– при увеличении частоты возбуждающего тока уменьшается глубина проникновения вихревых токов в материал, в результате повышается чувствительность к выявлению и оценке небольших дефектов, но оценка глубины больших дефектов становится невозможной;

– угол наклона дефекта оказывает незначительное влияние на оценку линейной глубины.

Результаты и обсуждение

Для подтверждения результатов математического моделирования при оценке глубины дефектов в УУФМ проведены испытания на образце-имитаторе, выполненном из УУФМ, с дефектами разной глубины. Искусственные дефекты № 1–4 выполнены в форме пропила глубиной 5, 10, 15 и 20 мм соответственно, раскрытие не превышает 0,4 мм (рис. 10).

Рис. 10. Искусственные дефекты № 1–4 разной глубины

Опробование проводили с использованием вихретокового преобразователя диаметром 5 мм. После отстройки от мешающих факторов [20] выполнено сканирование участков с пропилами, результаты которого представлены на рис. 11.

Рис. 11. Результаты сканирования участков с пропилами № 1–4 преобразователем диаметром 5 мм

На рис. 12 представлена зависимость максимума огибающей сигнала, полученной при прохождении преобразователя над пропилом, от глубины дефекта. Применение преобразователя диаметром 5 мм позволяет получить сигналы, по которым можно определить глубину дефекта.

На рис. 13 представлены результаты сканирования образца-имитатора дефектов преобразователем диаметром 0,5 мм (зависимость сигнала преобразователя от времени прохождения над пропилом).

Рис. 12. Зависимость максимума сигнала преобразователя диаметром 5 мм от глубины пропилов № 1–4

Рис. 13. Результаты сканирования участков с пропилами № 1–4 преобразователем диаметром 0,5 мм

Перемещение преобразователя диаметром 0,5 мм над дефектом также приводит к резкому изменению сигнала, который обозначает обнаружение дефекта, но величина максимального отклонения не зависит от размера пропила. Аналогичный результат получен при использовании преобразователя диаметром 1 мм.

При проведении испытаний с применением преобразователя диаметром 5 мм выявлено, что приближение к краю образца на расстояние ~10 мм влияет на сигнал, из-за искажений которого могут возникнуть проблемы с точностью определения глубины. Это означает, что при проведении испытаний требуется применение автоматических систем контроля.

Заключения

Разработана конечно-элементная модель абсолютного трансформаторного накладного вихретокового преобразователя для анализа влияния параметров контроля (диаметр преобразователя, частота возбуждающего тока) и геометрических параметров (глубина, ориентация относительно поверхности) дефекта типа «трещина».

На основе результатов математического моделирования и испытаний на образце-имитаторе показана принципиальная возможность оценки глубины дефекта, возникающего в УУФМ, с помощью вихретокового метода неразрушающего контроля. Установлено, что для оценки глубоких дефектов рекомендуется использовать преобразователи большого диаметра (>6 мм) при низкой частоте возбуждающего тока (<100 кГц в зависимости от типа датчика). В свою очередь, при обнаружении неглубоких дефектов чувствительность будет выше у датчиков небольшого диаметра (<2 мм) при высокой частоте возбуждающего тока (>1 МГц в зависимости от типа датчика). Полученные результаты также справедливы для оценки дефектов типа «трещина».

Проанализирована чувствительность к дефектам различной глубины для разных вариаций диаметров преобразователя и частоты возбуждающего тока. Установлено незначительное влияние угла наклона дефекта на оценку его линейной глубины.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.