Возможность применения импульсных электронно-лучевых пушек для генерации акустических волн Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Секция «Сварка летательных аппаратов»

УДК 621.798.1-034

Е. А. Клипов1, В. В. Богданов2, А. Ш. Герюков1, А. С. Череватый2

Научный руководитель - М. А. Лубнин1 1ОАО «Красноярский машиностроительный завод», Красноярск 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПУШЕК ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

Рассмотрены принципы работы электронно-лучевых пушек, позволяющих реализовать радиационно-акустический метод НК изделий специального и аэрокосмического машиностроения.

При исследовании одного из современных методов неразрушающего контроля (НК) с использованием генерации акустических волн в металлах при помощи импульсных пучков электронов возникает вопрос, связанный с выбором ускорителя электронов, позволяющего эффективно осуществлять генерацию ультразвуковых колебаний в токопроводя-щих немагнитных материалах. Для решения данного вопроса были оценены возможности различных типов ускорителей электронов в качестве средства возбуждения акустических колебаний в конкретных материалах, например, в алюминии.

Подходящими по требуемым характеристикам являются такие ускорители как бетатрон, микротрон и линейный ускоритель. Но они обладают существенными для данного метода недостатками - достаточно большими габаритами, высокой стоимостью и сложностью эксплуатации. В то же время, для всех процессов электронно-лучевой технологии характерно применение электронно-лучевых пушек (ЭЛП). Поэтому будет логично, если для НК изделий, в процессе изготовления которых применяются электронно-лучевые технологии, в качестве генератора импульсных пучков электронов в радиационно-акустической аппаратуре будут использованы специализированные ЭЛП. Кроме того, большое число параметров электронного пучка, которыми можно задаваться (длительность импульса, ток в импульсе, удельная поверхностная мощность, диаметр пучка и др.) предоставляет широкие возможности управления характеристиками генерируемого акустического излучения [2].

В большинстве случаев в ЭЛП, предназначенных для электронно-лучевой технологии, генераторы пучков работают при ускоряющих напряжениях свыше 20 кВ и токах от долей единиц до десятков ампер. Чтобы получить в пучке необходимый ток, надо использовать массивные дисковые катоды с вогнутой эмиссионной поверхностью. При плотностях тока эмиссии около 5 А/см2 их диаметры лежат в пределах 5...40 мм. Необходимость в высокой плотности тока эмиссии требует создания высокой напряженности поля у катода, для чего расстояние между катодом и анодом приходится выбирать небольшим. Во избежание высоковольтных пробоев при этом нельзя допускать, чтобы вблизи от деталей генератора, находящихся под высоким напряжением, напряженность поля превосходила критические значения. Последние же ниже, чем пробивная на-

пряженность поля между двумя электродами в высоком вакууме: они определяются, кроме давления газов и паров в генераторе, еще и наличием на электродах адсорбировавшихся примесных слоев, наличием ионов в рабочем пространстве генератора и степенью шероховатости электродов. При ускоряющем напряжении 30 кВ верхний предел напряженности поля, при котором обеспечивается надежность работы генератора, составляет около 60 кВ/см. При более высоком ускоряющем напряжении этот предел снижается: например, при Пв = 150 кВ он равен 40 кВ/см. В целях обеспечения высокой надежности эксплуатации ЭЛП те участки поверхностей электродов, вблизи которых имеется высокая напряженность поля, по размерам должны быть как можно меньшими. При ускоряющем напряжении 20.40 кВ и больших токах пучка расстояние между катодом или фокусирующим электродом и анодом нужно выбирать в пределах 5.10 мм.

Управление током пучка и его мощностью у генераторов такого типа можно осуществлять, изменяя ускоряющее напряжение, а так же изменяя накал катода при постоянном ускоряющем напряжении [1]. Частичное управление мощностью возможно путем сообщения фокусирующему электроду регулируемого потенциала относительно катода. Таким путем можно регулировать мощность генератора в пределах от 15 до 60 кВт.

Для проведения пучка электронов к объекту контроля и управления им во времени необходимо использовать магнитные фокусирующие линзы, магнитные отклоняющие системы и управляющие электроды.

Назначение системы проведения пучка состоит в том, чтобы преобразовать параметры пучка, сформированного в генераторе, в такие его параметры в зоне действия пучка, которые необходимы для осуществления радиационной генерации акустических колебаний. Диаметром пучка, сформированным в генераторе необходимо управлять, чтобы в зоне взаимодействия с контролируемым изделием он имел определенный диаметр, необходимую плотность тока и определенную удельную поверхностную мощность.

В общем случае пучок должен воздействовать на объект контроля, расположенный в плоскости зоны действия, не только в точке пересечения оси генератора с этой плоскостью, но и в других точках плоскости. Зоны взаимодействия электронного пучка с из-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

делием могут быть расположены даже в разных плоскостях. Поэтому система проведения пучка должна обеспечивать возможность программирования отклонения пучка для того, чтобы управлять пространственным и временным воздействием пучка на объект контроля. Во времени пучком можно управлять с помощью управляющего электрода либо с помощью электростатических запирающих пластин [1].

Оценочные значения величины амплитуд акустических импульсов, генерируемых с помощью ЭЛП, мощность которых лежит в пределах 20...100 кВт и длительностью импульса от единиц до десятков мкс, что соответствует условиям квазиадиабатического нагрева характерного для термоупругого режима

генерации УЗ колебаний в материалах, дают следующее: Рэлп = 4 ■ 104 = 20 ■ 105 Па.

Библиографические ссылки

1. Шиллер 3., Гайзик Н., Панцер 3. Электроннолучевая технология /Пер. с нем. М. : Энергия, 1980.

2. Богданов В. В. Акустический метод неразру-шающего контроля с радиационным возбуждением упругих колебаний и электромагнитным формированием информативного сигнала. Дис. ... канд. техн, наук. Томск, 1995.

© Клипов Е. А., Богданов В. В., Герюков А. Ш., Череватый А. С., Лубнин М. А., 2010

УДК 621.791.4: 539.378.3

С. В. Морозов, С. В. Прокопьев, Г. Ю. Юрьева Научный руководитель - А. А. Михеев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ И ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ НАНОПОРОШКОВ

С применением в авиационной и космической промышленности новых материалов созданных на основе нанотехнологий. Возникла необходимость получения надежных, соединений, получаемых при пониженных температурах (около 550 °С) для сохранения исходных свойств материалов. В то же время прочность соединения должна быть на уровне прочности основных материалов. Решить такую задачу возможно с применением способа диффузионной сварки.

Ультрадисперсные кристаллические окиси и гидроокиси алюминия нанометровых размеров обладают рядом уникальных свойств, отличных от свойств крупнодисперсных соединений того же химического состава, что привлекают большое внимание специалистов в области высоких технологий.

Получение ультрадисперсных материалов разделяют на химические, физические и механические методы [1].

Разнообразие свойств наноструктурированных материалов позволяет использовать их для качественно новых приложений в различных отраслях промышленности. Все известные на сегодняшний день области применения нанопорошков можно условно разделить на две группы:

- использование нанопорошков в диспергированном состоянии: пигменты для красок, различные виды наполнителей каучука и резины, магнитные порошки, носители биологически активных препаратов, катализаторы, присадки к смазочным маслам и др.;

- использование нанопорошков в качестве исходного сырья для изготовления консолидированных объемных высокоплотных нанокристалличе-ских материалов: твердые сплавы, керамико-металлические материалы, стали,

- материалы для электрических контактов, инструментальная керамика и др., а так же пористых консолидированных материалов (компактов): фильтров, полировальных материалов (в виде суспензий, полимерных материалов с наполнителем, например, в виде кругов) и др.

Заметен рост в технологии газотермического напыления: высокоскоростные, газопламенные, плазменное напыление. С их помощью на поверхности изделий из порошков размером 20.100 мкм получают покрытия с необходимыми свойствами. Особенностями данных покрытий являются слоистая структура, пористость, ограниченные величины адгезии и коге-зии. Уменьшение размера частиц, формирующих покрытия, существенно улучшает качество покрытия.

Одновременно широко применяются следующие способы, такие как, электродуговое металлизацион-ное напыление, газопорошковая наплавка, плазменная наплавка, суперфинишная обработка.

Обычные методы неразъемного соединения металлов сваркой плавлением или высокотемпературной пайкой, неизбежно вызывающие рекристаллизацию, разрушают наноструктурные состояния в зоне соединения и вблизи нее, снижая механические свойства до уровня традиционных структурных состояний. Таким образом, проблема соединения на-ноструктурных материалов серьезно ограничивает их практическое применение, а без ее принципиального решения само создание таких материалов в значительной степени потеряло бы смысл.

Способы сварки плавлением непригодны для соединения металлов с нанопорошками из-за низкой температуры разложения нанопорошков. Использование клеевых соединений также ограничено из-за сокращенного срока службы изделий, недостаточной прочности и термостойкости.

Особый интерес представляет использование для соединения порошков с металлами, неметаллами, а