Ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) разработали автоматизированный измеритель теплопроводности для микродуговых оксидных (МДО) покрытий. Устройство, основанное на методе стационарного теплового потока, адаптировано специально для тонких пластин с покрытием и позволяет проводить экспресс‑контроль качества защитных и функциональных слоев. Разработка призвана ускорить отработку технологических режимов нанесения покрытий и повысить конкурентоспособность отечественных изделий в машиностроении, аэрокосмической промышленности и силовой электронике. На программное обеспечение для прибора получено государственное свидетельство о регистрации.
МДО‑покрытия — это керамикоподобные слои толщиной 10–300 мкм, которые наносят на алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, чтобы повысить износостойкость, коррозионную стойкость и придать деталям дополнительные функциональные свойства. Теплопроводность таких покрытий — ключевой параметр, от него зависит, насколько эффективно деталь будет отводить тепло или, наоборот, защищать чувствительные элементы от перегрева.
В одних случаях низкая теплопроводность защищает детали от перегрева, в других, напротив, мешает эффективному отводу тепла и снижает ресурс изделия. Например, в двигателестроении МДО‑покрытия на поршнях из алюминиевых сплавов должны обеспечивать оптимальный теплоотвод, а в силовой электронике — надежную теплоизоляцию чувствительных элементов, — пояснил один из разработчиков, студент кафедры «Информационно‑измерительная техника и метрология» ПГУ Никита Шалаев.
Существующие методы измерения теплопроводности плохо подходят для тонких покрытий и небольших образцов. Многие из них требуют сложной пробоподготовки, а такие техники, как метод лазерной вспышки, отличаются высокой стоимостью и жесткими требованиями к геометрии и качеству поверхности образцов. Коммерческие приборы, ориентированные на строительные и изоляционные материалы, не адаптированы для МДО‑слоев, а при уменьшении размеров образцов погрешности измерений существенно растут.
В ПГУ предложили решение, позволяющее обойти эти ограничения. В разработанном измерителе образец (пластина с МДО‑покрытием) помещают между двумя медными пластинами. Тепло от нагревателя на базе мощного полевого транзистора проходит через верхнюю пластину к образцу, а затем к нижней пластине‑радиатору. Температуру фиксируют на обеих сторонах образца с помощью кремниевых диодов, обеспечивающих высокую чувствительность и стабильность показаний.
После выхода системы на стационарный режим (когда температура перестает меняться во времени) коэффициент теплопроводности рассчитывают по перепаду температур и известной мощности нагревателя. Ключевую роль здесь играет тепловая модель, построенная на основе электротепловой аналогии, — рассказал Никита Шалаев.
Эта модель помогает учесть тепловые потери и контактные сопротивления, которые способны сильно исказить результаты.
Для повышения точности ученые внедрили двухэтапную процедуру калибровки. Она сочетает детерминированную физическую модель и эмпирическую регрессию. По словам разработчиков, такой подход позволяет компенсировать систематические погрешности и добиться общей погрешности измерений не более пяти процентов без необходимости создавать идеально точную физическую модель или использовать сверхточные эталоны. Оригинальный алгоритм управления нагревом минимизирует градиент температур в образце и сокращает время выхода на стационарный режим, что особенно важно для материалов с низкой теплопроводностью. Автоматизация управления, сбора и обработки данных исключает субъективные погрешности, связанные с человеческим фактором
На базе Студенческого конструкторского бюро «Элтран» кафедры «Информационно‑измерительная техника и метрология» ПГУ создан и протестирован действующий лабораторный макет прибора, включающий измерительный блок и измерительную камеру. Кроме того, коллектив разработал макеты автоматизированных программно‑аппаратных комплексов микродугового оксидирования, которые позволяют получать оксидные покрытия в разных технологических режимах и с различными свойствами.
Применение нового измерителя позволит в машиностроении и двигателестроении оперативно оценивать качество теплозащиты поршней и других деталей, напрямую влияя на ресурс и надежность двигателей. В аэрокосмической отрасли прибор поможет анализировать теплофизические свойства покрытий на титановых и алюминиевых сплавах, где критичны износостойкость и контролируемая теплопроводность. В электронике и силовой технике контроль покрытий на деталях с критичным отводом тепла повысит долговечность изделий.
Сейчас ПГУ сотрудничает с предприятиями и университетами, заинтересованными в предложенном методе.
Фото: ПГУ
Источник: Минобрнауки России
