Физика / 2.Физика твердого тела

Д.ф.м.н. Ларионов В.В., к.ф.м.н. Лидер А.М., к.т.н. Лисичко Е.В.

Томский политехнический университет

Разночастотный метод определения водорода в титане с учетом диффузионных процессов

Для определения содержания водорода в изделиях из титана в слоях по глубине образца величину вихревого тока определяли на различных частотах, при этом на каждой частоте находили максимальное значение вихревого тока в зависимости от углового расположения датчика, измеряли сопротивления R₁ и R₂ на частотах, соответствующих разности глубин а₁ и а₂. Это позволяет вычислить электропроводность для заданной глубины а_х = а₂ – а₁. Если известна градуировочная эталонная зависимость (рис.1) электропроводности от концентрации водорода в титане, то по ней можно определить содержание водорода в слое по глубине титанового изделия (образца). Временной фактор изменения показаний датчика при его перемещении вдоль образца позволяет исследовать диффузионные процессы. Эталонную зависимость содержания концентрации H_x по слоям находили независимым способом (рис.2) по измерениям на спектрофотометре Profiler-2 (метод оптической спектроскопии высокочастотного тлеющего разряда). При этом учитывали фактор давления в камере прибора и

Рис. 1. Эталон для определения содержания водорода по глубине (цифры со стрелками указывают концентрацию водорода в % ppm, 1– положение датчика вихретокового прибора ЗМА–II для изучения диффузионных процессов)

мощность разряда. Давление в камере является критическим параметром для профилирования по глубине (рис. 2). Посредством изменения давления от 400 – 500 Па (один гладкий пик) до 550 – 700 Па можно выделить два пика водорода. Параметры (P= 550 – 700 Па и N = 45 Вт) в пределах времени 5с являются оптимальными для исследования системы титан-водород методом оптической спектроскопии высокочастотного тлеющего разряда.

Рис. 2. Профили распределения водорода по глубине титанового сплава ВТ1-0 в зависимости от давления газа

Применение вихретокового метода позволяет наряду с масс-спектрометрическим [1] методом исследовать диффузионные процессы, сопровождающие насыщение титана водородом [2]. На рис. 3 показана динамика распределения водорода в бесконечной пластине титана (расчет) от времени для разных глубин. С ростом глубины максимум функции распределения концентрации водорода от времени (t₁) смещается в область больших времен.

Рис. 3. Зависимость перераспределения концентрации водорода в образце титана с линейным начальным профилем при постоянной температуре (Т=300 К)

Из рис. 3 следует, что на всех глубинах со временем наблюдается постепенный спад концентрации Н. Очевидно, что можно подобрать такой термический режим обработки, при котором водород в образце перераспределиться равномерно. Равномерное распределение водорода может быть полезно для подготовки образцов для механических испытаний, исследования физических свойств наводороженных материалов и др., т. е. в тех случаях, когда неравномерное распределение водорода может существенным образом сказываться на результатах измерений.

Таким образом, появляется возможность послойного исследования содержания водорода в легких сплавах на основе титана с применением токов различной частоты в условиях диффузионного перераспределения водорода в титане, т.к. диффузионные процессы приводят к выравниванию концентрации водорода в титане. Метод может быть использован для контроля материалов, изначально свободных и защищенных от водорода для космических аппаратов, активных зон водоохлаждаемых ядерных энергетических установок (ЯЭУ), вентиляторов двигателей самолетов, дисков турбин высокого и низкого давления, их планетарных редукторов и других изделий, подвергаемых наводороживанию в процессе производства и эксплуатации.

Литература

1. Tyurin Yu.I., Larionov V.V., Nikitenkov N.N. Ionizing Radiation–Stimulated Diffusion and Desorption of Hydrogen from Metals // Russian Journal of Physical Chemistry А, 2011 Vol. 85, № 6, pp.1047–1053.

2. Евтеева Н.А., Черданцев Ю.П., Лидер А.М. и др. Моделирование процессов термостимулированной десорбции водорода в металлах и сплавах численными методами // Известия Томского политехнического университета. – 2010.– Т. 317. – №2. – С. 147–152.