CC BY
23
ж
УДК 621.785.377
А. В. Вершинин, М. В. Вершинина, Е. Г. Белякова, Е. В. Поляков, В. Г. Бамбуров, И. В. Волков
Исследование включений, выявляемых в процессе рентгеноконтроля заготовок и деталей из мелкозернистого графита марки МПГ-7
Методами рентгеноскопического анализа, растровой электронной микроскопии исследована структура мелкозернистого графита марки МПГ-7. Проведен структурный и локальный химический анализ неод-нородностей, встречающихся в заготовках графита. На основе полученной информации внесены изменения в техническую документацию при входном контроле качества заготовок и деталей, выполненных из графита марки МПГ-7.
Ключевые слова: графит марки МПГ-7, рентгеноскопический контроль, растровая электронная микроскопия, структура, структурные неоднородности.
Введение
Конструкционные материалы на основе графита получили широкое распространение в конструировании и производстве сопловых блоков ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) [1, 2]. Такой выбор материала обусловлен в первую очередь способностью графита выдерживать воздействие высокотемпературного газового потока эрозионно-агрессивных продуктов сгорания смесевого топлива. Наиболее теплонапряженным участком РДТТ является критическое сечение соплового блока. В конструкциях РДТТ в качестве материалов для изготовления вкладышей критического £ сечения используется поликристаллический графит [3]. Графит марки МПГ-7, исполь-ц зуемый в составе изделий ОКБ «Новатор», Т представляет собой мелкопористый матери-£ ал, полученный методом спекания спрессо-<1 ванных блоков [4]. Производство заготовок
м выполняется в соответствии с технологией л
| НИИГРАФИТ на заводе графитовых изделий » (г. Вязьма). К деталям соплового блока, сде-§ ланным из заготовок графита, предъявляются ся повышенные требования по однородности о и наличию дефектов в структуре материала.
В связи с этим осуществляются выбороч-
* ный рентгенографический контроль качества
=Е поступающих на производство заготовок и
« сплошной контроль деталей. В процессе проведения выборочного рентгенографического
™ контроля партии заготовок и сплошного кон-
с? троля сделанных из них деталей вкладышей ■ч-
ю _
см
ю © Вершинин А. В., Вершинина М. В., Белякова Е. Г.,
I! Поляков Е. В., Бамбуров В. Г., Волков И. В., 2017
критического сечения РДТТ на рентгеновских изображениях обнаружены области с различной рентгеноплотностью: участки со светлыми пятнами и разноплотностью. Из-за отсутствия данных о природе таких аномалий (включений) невозможно корректно разбраковывать заготовки и детали из графита при рентгеноконтроле.
Цель данной работы - установление природы выявленных аномалий (включений), наблюдаемых в заготовках и деталях вкладыша критического сечения РДТТ, с последующим занесением полученной информации в техническую документацию по рентгеноконтролю. Экспериментальная часть В качестве объектов исследования были выбраны два образца - пластины 30*80 мм толщиной 2 мм с областями разной рентгенокон-трастности, вырезанные из детали вкладыша критического сечения РДТТ (образец № 1) и из заготовки, представляющей собой полый цилиндр из графита марки МПГ-7 (образец № 2). Вырез образцов проводился по месту обнаружения дефектов вдоль оси. Рентгеноскопический анализ выполнялся на рентгеновском аппарате ISOVOLT-I6OHS c трубкой COMETMXR 160 и системой цифровой радиографии на базе плоскопанельного детектора PerkinElmer XRD 0822. Структурное исследование поверхности образца выполнено на растровом электронном микроскопе марки JEOL JSM-6390LA. Элементный анализ поверхности образца выполнен с помощью анализатора JED-2300. Съемка проводилась в двух режимах: режим вторичных (SEI) и отраженных (BEC) электронов.
KJ«;
Результаты
На первом этапе исследования были получены рентгеновские снимки образцов детали (образец № 1) и заготовки (образец № 2) в проекции, параллельной оси. Как видно из снимков, в образце № 1 (рис. 1, а) присутствует большое количество светлых областей, занимающих до половины всего объема и распределенных преимущественно в правой части образца. Такая повышенная рентгеноплотность может являться как следствием наличия металлических включений в образце, так и разностью плотностей наблюдаемых на снимке областей.
На рентгеновском снимке образца № 2 (см. рис. 1, б) наблюдается разноплотность с небольшими светлыми включениями в виде точек. Ранее такие светлые точки были идентифицированы как включения графита с более высокой степенью порядка [5]. Наблюдаемая разноплотность в графите марок МПГ в научной литературе не рассматривается, однако
можно предположить, что это связано с разной плотностью, различной ориентацией частиц (текстурой), получаемой при прессовании, либо присутствием микроструктурных неод-нородностей.
Для более детального исследования неоднородностей в образцах, выявленных рентгеновским методом, а также установления их природы было проведено фракто-графическое исследование. Изображения поверхности и торца образца № 1, полученные на электронном микроскопе в режиме ВЕС, представлены на рис. 2. Появление областей с разным контрастом (см. рис. 2) является основанием для предположения, что светлые пятна - это результат присутствия в матрице морфологических включений, вызванных наличием примесных химических элементов, отличающихся атомным номером от элемента основного материала (матрицы) -углерода.
а б
Рис. 1. Рентгеновские изображения образцов № 1 (а) и № 2 (б)
Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения поверхности (а) и торца (б) образца № 1, полученные
в режиме ВЕС
ф о о.
I-
Ü о
Ig
та
.
та m о ч
V ^
и о
о
<и
У S
s о о
0
о см
Ol
Для проверки сделанного предположения на обсуждаемых образцах одновременно с получением электронно-оптических изображений был проведен энергодисперсионный элементный анализ поверхности образца на основе характеристических спектров возбуждения рентгеновских линий. Участки, на которых проведен элементный анализ и были получены энергодисперсионные спектры, обозначены маркерами 001-007 (см. рис. 2). Согласно полученным спектрам, в светлых областях присутствуют элементы А1, Si, Т^ К, С1, Са и Fe с содержанием более 0,01 % (масс.) в количестве (локально) 2-20 % (масс.). Результаты локального элементного анализа участков 005, 006 и 007 свидетельствуют об отсутствии химических примесей в основе материала матрицы.
На рис. 3 в качестве примера приведены энергодисперсионные спектры, полученные на светлой области, отмеченной маркером 003 (рис. 3, а), и на участке, который не содержит светлых включений в зоне, отмеченной маркером 005 (см. рис. 3, б).
Стехиометрическое соотношение атомов примеси и их пространственное расположение в объеме образца № 1 позволяет высказать следующее предположение о его фазовом составе. Элемент-примеси, ответственные за наблюдаемые светлые области на рентгеновских и электронно-графических снимках, представляют собой, по-видимому, карбиды (А1, Т^
и/или оксикарбиды (Si-O-C), образовавшиеся в результате карботермического восстановления примесной фазы при формировании графитовых заготовок [6].
Электронно-микроскопические изображения исследуемой поверхности и торца образца № 2, полученные в режиме SEI, представлены на рис. 4. Видно, что поверхность образца однородная, без каких-либо включений.
На рис. 5, а приведено электронно-микроскопическое изображение поверхности образца № 2, полученное в режиме SEI. Химический анализ поверхности образца выполнен на участках, отмеченных маркерами 001- 004. Отсутствие разноконтрастных областей на электронно-микроскопическом изображении (см. рис. 5, а) свидетельствует и об отсутствии примесных элементов в основной матрице графита, что подтверждают энергодисперсионные спектры его поверхности. Пример энергодисперсионного спектра для области, отмеченной маркером 002, приведен на рис. 5, б.
По данным исследования образца № 2, его состав не содержит примесных элементов в виде локальных областей с неоднородностью плотности (оптического контраста). Следовательно, светлые точки, наблюдаемые на рентгеновских изображениях, не отличаются по элементному составу от основной углеродной матрицы, что подтверждает ранее полученные результаты в работе [5].
<
I
(0 та
г
о ^
ой та г о. ф
£
и
V
со
см
■Clin 9 см
■Clin см
(П (П
Counts
003
Counts
1800 1500 1200 900 600 300
*
ig
.4
S
Iii. If ¿J Li" й
11 р 1 £ р 1
3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400
—
■ 1 \ -Й —
Г 0 — 1
0 0,8 1,6 2,4 3,2 4,0 4,8 5,6 кеУ а
Рис. 3. Энергодисперсионные спектры, полученные на поверхности участков образца № 1 (маркеры 003 и 005)
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 keV
б
Рис. 4. Электронно-микроскопические изображения поверхности (а) и торца (б) образца № 2, полученные
в режиме SEI
Counts 001
л d
Ü- " 5 а О
J и* W SKb ^ й о о "Г-
1 а VI и о й i 1 i
III III JL 1 1 II 1 1 1
8 9 keV
Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение поверхности образца № 2 (а) и энергодисперсионный
спектр для выбранной области (маркер 002) (б)
Таким образом, светлые области на рентгеновских снимках можно классифицировать как посторонние включения (например, окси-карбиды), растворенные или выделившиеся в основной матрице графита. Появление таких включений, как известно, существенно меняет теплофизические свойства графита, которые необходимо дополнительно исследовать. Анализ морфологии образца № 2 не позволяет получить дополнительной информации о природе разноконтрастности, наблюдаемой на рентгеновском изображении.
В связи с предположениями о фазовом составе образца № 1 и недостаточности информации о неоднородностях структуры образца № 2 в дальнейшем будут проведены
физико-химические исследования локальной структуры, фазового и элементного состава матрицы графита. Очевидно, что для решения вопроса о влиянии обнаруженных аномалий на работоспособность вкладышей критического сечения, выполненных из графита, новых перспективных изделий АО «ОКБ «Новатор» будут проведены стендовые испытания деталей с присутствующими дефектами. Заключение
В результате проведенных исследований было выявлено, что в заготовках графита МПГ-7, используемых в изделиях АО «ОКБ «Новатор», присутствуют области с аномальной рентгеноплотностью, которые характеризуются высоким - до 20 % (масс.) - содержа-
ф о о.
I-
Ü о
Ig
та
.
та m о
ч
ф
^
и о
о
<и
У S
s о о
0
нием элементов-примесей. Наблюдаемая на рентгенограмме разноплотность в графите М111-7 гомогенна по химическому составу и не идентифицируется как примесная фаза методом электронной микроскопии. На основании полученных данных внесены изменения в техническую документацию входного контроля качества заготовок и деталей из графита МПГ-7, уточняющие природу выявляемых включений.
Работа выполнена по договору №125-2016-НТС от 12 декабря 2016 г. между АО «ОКБ «Новатор» и ИХТТ УрО РАН. Список литературы
1. Виницкий А. М. Ракетные двигатели на твердом топливе. М.: Машиностроение, 1973. 347 с.
2. Ершов А. М. Создание тугоплавких материалов соплового блока твердотопливных ракетных двигателей: Дисс. ... канд. техн. наук. Екатеринбург: УрФУ, 2008. 135 с.
3. Ершов А. М., Иванов В. М., Полухин Е. О., Мельников В. Н. Графит ПРОГ-2400С - материал нормированного уноса массы // Оборонная техника. 1979. Т. 10. С. 67-70.
4. O'Driscoll W. G. Features and behaviour of carbon // Nuclear Engineering. 1958. Vol. 3. No. 32. Pp. 479-485.
5. Вершинина М. В., Белякова Е. Г. Структурные особенности волокнистых наполнителей углепластиков // Материалы XX межрегион. отрасл. научн.-техн. конф. «Люльевские чтения», ЮУрГУ, Екатеринбург, 2016. С. 155-156.
6. Соединения переменного состава и их твердые растворы / Г. П. Швейкин, С. И. Алямов-ский, Ю. Г. Зайнулин и др. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1984. 291 с.
Поступила 31.01.18
о см
Вершинин Александр Вадимович - кандидат физико-математических наук, ведущий инженер Акционерного общества «Опытное конструкторское бюро «Новатор», г. Екатеринбург. Область научных интересов: структура и свойства углеродных материалов.
Вершинина Марина Вадимовна - начальник отдела Акционерного общества «Опытное конструкторское бюро «Новатор», г. Екатеринбург. ц Область научных интересов: неразрушающий контроль.
'о Белякова Елена Германовна - доктор технических наук, начальник бюро Акционерного общества «Опытное ^ конструкторское бюро «Новатор», г. Екатеринбург.
1 Область научных интересов: химия и технология неметаллических материалов. со
г
Поляков Евгений Валентинович - доктор химических наук, главный научный сотрудник Института химии £ твердого тела УрО РАН, г. Екатеринбург.
ш Область научных интересов: сорбция, термодинамика, кинетика, микроэлементы, радионуклиды, формы состояния. та
0 Бамбуров Виталий Григорьевич - доктор химических наук, профессор, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник Института химии твердого тела УрО РАН, г. Екатеринбург.
Область научных интересов: физикохимия редких и редкоземельных элементов, процессы и аппараты получения
1 химических соединений.
ей
Волков Илья Владимирович - кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии твердого тела см УрО РАН, г. Екатеринбург.
¡^ Область научных интересов: элементный и изотопный анализ растворов, электронная микроскопия, аналитическое ^ приборостроение.
£
ю см
(П (П
Investigation of impurities detected in X-ray inspection of MPG-7 fine-grained graphite blanks and details
The purpose of the research was to study the structure of MPG-7 fine-grained graphite by X-ray inspection
and scanning electron microscope investigation methods. We carried out a structural and local chemical
analysis of inhomogeneities occurring in graphite blanks. According to the data obtained, we changed technical
documentation for the incoming quality control of MPG-7 graphite blanks and details.
Keywords: MPG-7 graphite, X-ray inspection, scanning electron microscope investigation, structure, structural
inhomogeneities.
Vershinin Aleksandr Vadimovich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Leading Engineer, Novator Design Bureau, Joint Stock Company, Ekaterinburg.
Science research interests: structure and properties of carbon materials.
Vershinina Marina Vadimovna - Head of Department, Novator Design Bureau, Joint Stock Company, Ekaterinburg. Science research interests: nondestrucitve inspection.
Belyakova Elena Germanovna - Doctor of Engineering Sciences, Bureau Chief, Novator Design Bureau, Joint stock company, Ekaterinburg.
Science research interests: chemistry and technology of non-metallic material.
Polyakov Evgeniy Valentinovich - Doctor of Chemical Sciences, Chief Research Fellow of Federal State government-financed research institution, Institute of Solid State Chemistry of the UB RAS, Ekaterinburg. Science research interests: sorption, thermodynamics, kinetics, microelements, radionuclides, forms of state.
Bamburov Vitaliy Grigor'evich - Doctor of Chemical Sciences, Professor, Corresponding member of RAS, Chief Research Fellow, Federal State government-financed research institution, Institute of Solid State Chemistry of the of the UB RAS, Ekaterinburg.
Science research interests: physicochemistry of rare and rare-earth elements, processes and equipment for obtaining chemical compounds.
Volkov Il'ya Vladimirovich - Candidate of Chemical Sciences, Research Fellow, Federal State government-financed research institution, Institute of Solid State Chemistry of the of the UB RAS, Ekaterinburg.
Science research interests: element and isotope analysis of solutions, electron microscopy, analytical instrument engineering.
