Ученые подведомственного Минобрнауки России Пензенского государственного университета (ПГУ) запатентовали оригинальное устройство и способ автоматизированных измерений толщины микродуговых оксидных покрытий непосредственно во время технологического процесса. Из-за особой прочности и износостойкости микродуговые оксидные покрытия широко применяют в машино- и приборостроении, авиационной, радиоэлектронной и других отраслях промышленности. Запатентованный учеными ПГУ способ позволит езе и сократить затраты, как временные, так и финансовые. Изобретение является составной частью интеллектуальной системы получения прочных и долговечных покрытий. Разработкой заинтересовано несколько крупных предприятий Пензенской области.
В настоящее время вентильные металлы и сплавы (к ним относятся алюминий, титан, магний, тантал и некоторые редкоземельные металлы, в том числе цирконий, ниобий) используются во многих отраслях промышленности - от авиации и машиностроения и до медицинских имплантов. Такой интерес к ним обусловлен уникальными физико-химическими свойствами. Управлять вентильными металлами стало проще благодаря интеллектуальной системе, созданной учеными ПГУ. Оксиды этих металлов образуют пленки с сильно различающейся проводимостью в противоположных направлениях — вентильное свойство.
Общеизвестно, что методом микродугового оксидирования оксидный слой (МДО-покрытие) формируют в гальванической ячейке — емкости, заполненной электролитом с погруженными в нее электродами: катодом и анодом — обрабатываемой деталью из вентильного металла.
Во время технологического процесса при анодном (положительном) полупериоде технологического тока происходит рост покрытия. В катодный (отрицательный) полупериод — его растворение. Варьирование соотношений анодного и катодного тока позволяет управлять свойствами оксидных покрытий: их пористостью, твердостью и другими необходимыми свойствами.
Требования к таким свойствам диктуются областью применения изделий с покрытиями. Например, детали для машиностроительной или авиационно-космической отрасли должны обладать высокой твердостью и устойчивостью к агрессивным средам. Поэтому важно при процессе их покрытия свести пористость к минимуму.
Отличительной особенностью процесса микродугового оксидирования (МДО) является наличие микродуговых разрядов, возникающих на поверхности анода. Под действием этих разрядов происходит фазовый переход сформированного аморфного оксида алюминия в кристаллический (корунд). Он придает покрытию специальные свойства.
Ученые кафедры «Информационно-измерительная техника и метрология» Пензенского госуниверситета предлагают новый способ измерения толщины МДО-покрытий на изделиях из любых вентильных металлов и сплавов. Им удалось предложить новый метод измерения толщины оксидного слоя в процессе его роста на основе анализа оптических параметров микродуговых разрядов непосредственно во время технологического процесса.
«Мы стремились найти корреляцию между оптическими параметрами микроразрядов (яркость, количество, средний размер, отношение площадей ярких и темных участков поверхности) и толщиной формирующего покрытия», — пояснила завкафедрой «Информационно-измерительная техника и метрология», доктор технических наук Екатерина Печерская.
Новаторам, чтобы измерить толщину покрытия, нужно было понять, как связаны эти оптические параметры с толщиной покрытия.
«Во время процесса микродугового оксидирования на поверхности обрабатываемой детали вспыхивает и гаснет множество микроразрядов. Причем их яркость, количество, средний размер, отношение площадей ярких и темных участков поверхности меняется как со временем оксидирования, так и в пределах одного периода синусоидального технологического тока», — рассказал доцент кафедры «Информационно-измерительная техника и метрология», кандидат технических наук Павел Голубков.
Для измерения оптических параметров микроразрядов в ПГУ разработали специальный модуль, который подключается к гальванической ячейке и к блоку управления установкой МДО. Высокоскоростная цифровая фотокамера в определенные моменты времени формирует изображения поверхности образца с микроразрядами. Причем моменты съемки равномерно распределены по половине периода синусоиды технологического тока.
«Для того, чтобы понять, какой части полупериода соответствует тот или иной кадр, в поле зрения камеры вместе с изображением покрываемой детали помещается цифровой индикатор. Его сегменты загораются по очереди через равные промежутки времени в пределах полупериода. Так реализуется метод оптической синхронизации», — поделилась тонкостями работы Екатерина Печерская.
Измерительные процедуры осуществляются до завершения процесса микродугового оксидирования. Полученная серия снимков обрабатывается программой распознавания изображений. Она определяет, сколько было микроразрядов, какая у них яркость и размер, какую площадь занимают микроразряды по отношению к площади образца в каждом интервале времени. На основе измеренных временных зависимостей электрического напряжения гальванической ячейки, соотношений площадей засвеченных и незасвеченных участков поверхности образца, а также заряда, прошедшего через гальваническую ячейку, научные сотрудники вывели формулу для косвенного определения толщины МДО-покрытия в режиме реального времени.
«После обработки партии образцов МДО-покрытий с разными технологическими параметрами мы получаем набор статистических данных. С их помощью можно описать зависимости толщины МДО-покрытия от оптических параметров микроразрядов в виде математических выражений. Достигнуто повышение точности косвенного измерения толщины микродуговых оксидных покрытий», — рассказал Павел Голубков.
Запатентованный способ показал свою эффективность. Уникальным является то, что толщина МДО-покрытий измеряется в режиме реального времени. Это позволяет скорректировать технологические параметры, то есть управлять процессом нанесения покрытий.
«Изобретение способствует созданию интеллектуальной технологии микродугового оксидирования, позволяющей получать покрытия с требуемыми свойствами в зависимости от области их применения», — добавила Екатерина Печерская.
Источник: Минобрнауки России
