Патент на изобретение №2296982

(54) ПЕНЕТРАНТ ДЛЯ КАПИЛЛЯРНОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к капиллярной люминесцентной дефектоскопии и может быть использовано в авиационной, автомобильной, судостроительной и других отраслях машиностроения, а также энергетической, химической и атомной промышленности для выявления поверхностных дефектов, трещин, пор, расслоений, раковин, межкристаллитной коррозии и других дефектов типа несплошности материала, преимущественно с малыми размерами, при особо точном контроле изделий. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и надежности выявления дефектов, при одновременном снижении пожароопасности и токсичности используемого состава. Сущность изобретения: пенетрант включает органический люминофор, неионогенное поверхностно-активное вещество и растворитель, при этом в качестве органического люминофора использована смесь люминофоров из класса кумариновых красителей – смесь кумарина-донора и кумарина-акцептора, в качестве неионогенного поверхностно-активного вещества Синтанол АЛМ-10, а в качестве растворителя использована смесь дибутилфталата и пропиленкарбоната в массовом соотношении от 1:1,5 до 1:0,8. В качестве кумарина-донора может быть использован 4-метил-7-диэтиламинокумарин (К-47), а в качестве кумарина-акцептора, по крайней мере, один кумарин желто-зеленого свечения, при массовом соотношении от 1,1:1 до 1,8:1. 1 табл.

Изобретение относится к капиллярной дефектоскопии, в частности к составам индикаторных люминесцентных пенетрантов, применяемых для люминесцентного промышленного контроля изделий ответственного назначения из металла, непористой керамики и пластмасс с классом шероховатости поверхности Rz 20 и выше. Изобретение может быть использовано в авиационной, автомобильной, судостроительной и других отраслях машиностроения, а также энергетической, химической и атомной промышленности для выявления поверхностных дефектов, трещин, пор, расслоений, раковин, межкристаллитной коррозии и других дефектов типа несплошности материала, преимущественно с малыми размерами, при особо точном контроле изделий.

На современном уровне развития техники для повышения чувствительности индикаторных люминесцентных пенетрантов в составах используют несколько люминофоров, работающих по принципу “каскадной люминесценции” за счет межмолекулярного переноса энергии электронного возбуждения. При этом люминофор-донор поглощает излучение в области излучения УФ-лампы, используемой для осмотра деталей при контроле. Люминофор-акцептор, наряду с поглощением излучения УФ-лампы, поглощает также излучение люминофора-донора и излучает в области, наиболее чувствительной для человеческого глаза (желто-зеленая область спектра). Таким образом при использовании даже двух люминофоров повышается чувствительность метода по сравнению с использованием только одного люминофора. При использовании одного люминофора, с одной стороны, теряется много света за счет неполного перекрывания спектров излучения лампы и спектра поглощения люминофора, с другой стороны, не достигается оптимальная для человеческого глаза область излучения, так как Стоксовы сдвиги люминофоров в рассматриваемой спектральной области не превышают, как правило, 100 нм.

Известен пенетрант для люминесцентной дефектоскопии, включающий люминофор-донор и люминофор-акцептор, смачиватель – полиэтиленгликолевые эфиры моноэтаноламидов синтетических жирных кислот, дикумилметан, керосин и диметилфталат (SU 1633803 А1, 23.04.1993 г.). Известный пенетрант в качестве люминофора-донора содержит 4,4-дициан-2-дифторметилсульфонил-1,4-дистирилбензол, а в качестве люминофора-акцептора 1,5-дифенил-3-(4-дифторметилсульфонил)-пиразолин-², причем все указанные компоненты берут в определенном соотношении. Известный пенетрант позволяет выявлять дефекты с малым раскрытием до 0,5 мкм при смещении люминесценции в более благоприятную область спектра. Однако при его использовании, при высокой яркости свечения не обеспечивается достаточная надежность выявления дефектов, что обусловлено низкой воспроизводимостью получаемых результатов. Кроме того, известный состав имеет высокую токсичность и пожароопасность.

Известен пенетрант для люминесцентной капиллярной дефектоскопии, включающий органический люминофор, состоящий из люминофора-донора и люминофора-акцептора, неионогенное поверхностно-активное вещество (ПАВ) и растворитель (SU 1221891 А1, 20.01.1997 г.). В известном составе использованы следующие компоненты при приведенном ниже соотношении (мас.%):

Минимальный размер выявляемых дефектов 1-2 мкм. Недостатком указанного состава является не очень высокая интенсивность и яркость свечения пенетранта на дефектах после нанесения проявителя, что обусловлено недостаточно высоким квантовым выходом люминесценции люминофора-акцептора. Как следствие, обеспечивается недостаточная чувствительность и надежность выявления дефектов и, кроме того, низкая воспроизводимость получаемых результатов, особенно при выявлении дефектов различных размеров. В состав пенетранта входит ПАВ, содержащий фенольные фрагменты, что обуславливает его токсичность, в частности при разложении стоков. Кроме того, наличие в его составе керосина обуславливает его пожароопасность, что ограничивает его применение в промышленности.

На современном уровне развития техники необходимы дефектоскопические материалы особо высокого уровня чувствительности, т.е. позволяющие надежно выявлять дефекты раскрытием 1 мкм и менее. Кроме того, актуальной также является задача снижения пожароопасности и токсичности как используемых в составе пенетранта материалов, так и самого пенетранта в целом.

Задачей изобретения является разработка индикаторного пенетранта для люминесцентной дефектоскопии, не имеющего указанных выше недостатков.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и надежности выявления дефектов, при одновременном снижении пожароопасности и токсичности используемого состава.

Технический результат достигается тем, что согласно изобретению пенетрант для люминесцентной капиллярной дефектоскопии включает органический люминофор, неионогенное поверхностно-активное вещество и растворитель, в качестве органического люминофора использована смесь люминофоров из класса кумариновых красителей – смесь кумарина донора и кумарина акцептора, в качестве неионогенного поверхностно-активного вещества – Синтанол АЛМ-10 при следующем соотношении компонент (мас.%):

при этом в качестве растворителя использована смесь дибутилфталата (ДБФ) и пропиленкарбоната (ПК) в массовом соотношении от 1:1,5 до 1:0,8.

Только предложенный выше состав пенетранта для люминесцентной дефектоскопии, охарактеризованный выше приведенной совокупностью существенных признаков, при его использовании в дефектоскопии обеспечивает повышение чувствительности и надежности выявления дефектов, а также снижает пожароопасность и токсичность,

В качестве кумарина-донора может быть использован 4-метил-7-диэтиламинокумарин (К-47), а в качестве кумарина-акцептора, по крайней мере, один кумарин желто-зеленого свечения при оптимальном массовом соотношении от 1,1:1 до 1,8:1.

Меньшее количество кумариновых красителей снижает чувствительность пенетранта; большее количество, с одной стороны, не растворяется в смеси растворителя и ПАВа, с другой стороны (в случае растворения), приводит к неполному удалению фона при смывке избытка пенетранта при контроле, что не обеспечивает получение указанного технического результата заявляемого изобретения.

В качестве поверхностно-активного вещества (ПАВ) выбран Синтанол АЛМ-10 (ТУ 2483-064-05015207-99), представляющий собой оксиэтилированную фракцию спиртов C₁₂-С₁₄ со средней степенью оксиэтилирования, равной 10. Синтанолы по степени воздействия на организм относятся к 3 классу опасности по ГОСТ 12.1.007. В отличие от моноалкилфениловых эфиров полиэтиленгликоля (используемых в прототипе), они не содержат фенольных фрагментов, что делает их менее токсичными, в частности при разложении стоков. Температура вспышки в открытом тигле 220°С; температура воспламенения не ниже 240°С.

Синтанол АЛМ-10, с одной стороны, способствует лучшему растворению люминофоров, с другой – снижает краевой угол смачивания. Краевой угол смачивания смеси ПК – ДБФ в соотношении 1:1 по объему составляет ˜30°. Краевой угол смачивания указанной смеси с добавлением 10 мас.% Синтанола АЛМ-10 составляет ˜18°.

Вязкость указанной смеси составляет примерно 6,5 сП при 20°С.

Количество Синтанола АЛМ-10 в пенетранте меньшее, чем 10 мас.%, и большее, чем 15 мас.%, не позволяет обеспечить указанный выше технический результат.

Смесь дибутилфталата и пропиленкарбоната берут в массовом соотношении от 1:1,5 до 1:0,8. Указанные соотношения, а также приведенное выше значение количества неионогенного поверхностно-активного вещества – Синтанола АЛМ-10 в пенетранте, согласно изобретению, позволяют, с одной стороны, поддерживать необходимое поверхностное натяжение пенетранта, соответственно обеспечивает необходимую растекаемость, и, с другой стороны, обеспечивают возможность растворять необходимое количество люминофоров. Именно при указанном соотношении обеспечивается достижение указанного технического результата.

Органические растворители, используемые для пенетрантов, должны иметь высокую температуру кипения (выше 200°С), низкую летучесть, относительно низкую токсичность, в нужной степени растворять используемые органические люминофоры, вязкость 2-6 сП при 20°С и поверхностное натяжение примерно 20 дн/см. Последние два параметра обусловливают растекаемость (угол смачивания) и необходимые проникающие свойства пенетранта. Учитывая вышеуказанные требования, в качестве органического растворителя была и выбрана смесь дибутилфталата и пропиленкарбоната.

Пропиленкарбонат (ТУ 2435-378-05742746-2001) высококипящий органический растворитель с хорошей растворяющей способностью по отношению к органическим люминофорам. Температура кипения 241°С. По степени воздействия на организм пропиленкарбонат относится к 3 классу опасности по ГОСТ 12.1.007. Температура вспышки 126°С. Температура самовоспламенения 485°С. Краевой угол смачивания ˜40°.

Дибутилфталат (ГОСТ 8728-88) – высококипящий органический растворитель: температура кипения 340°С (с разложением). По степени воздействия на организм дибутилфталат относится ко 2 классу опасности по ГОСТ 12.1.007. Однако высокая температура кипения и низкая летучесть делают возможным его применение в заявляемых пентерантах. Температура вспышки 164°С; температура самовоспламенения 400°С. Краевой угол смачивания ˜20°.

Массовое соотношение смеси люминофора-донора и люминофора-акцептора выбирают, используя известные спектральные свойства люминофоров доноров и акцепторов и учитывая требуемые характеристики получаемого пенетранта. Для люминофоров доноров и акцепторов из класса кумариновых красителей оптимальным с точки зрения межмолекулярного переноса энергии является соотношение от 1,1:1 до 1,8:1, которое получено экспериментально. Предлагаемые кумарины-акцепторы желто-зеленого свечения имеют высокий квантовый выход люминесценции и яркое желто-зеленое свечение. Их комбинация с кумарином-донором (К-47) еще больше усиливает яркость свечения на носителе в УФ-свете после нанесения проявителя при проведении капиллярного контроля, что увеличивает чувствительность метода. Высокий коэффициент поглощения (_макс.=5·10⁴) и интенсивность свечения (квантовый выход люминесценции =0,6-0,8) по сравнению с ранее использованными в люминофорами (производными нафталимида), имеющими соответственно значения _макс.=5·10³ и =0,4-0,5, позволяет использовать в составе меньшие количества люминофоров. За счет различной комбинации люминофоров можно варьировать концентрацию люминофоров, область свечения и чувствительность пенетранта.

Кумарин 47 и кумарины желто-зеленого свечения по степени воздействия на организм относится к 3 классу опасности по ГОСТ 12.1.007.

В таблице 1 приведены составы заявляемых пенетрантов и прототипа и результаты контроля. В таблице приведены обозначения кумаринов согласно Справочнику лабораторных реактивов и оборудования “Aldrich”, за исключением К 8. К 8 представляет собой 7-диэтиламино-3-(бензоксазол-2-ил)кумарин.

Заявленные пенетранты получают смешением компонент состава при 35-45°С.

Пример осуществления

Для контроля было взято 4 металлических образца с искусственно нанесенными дефектами, соответствующими первому классу чувствительности по ГОСТ 18442-80, где

1-й образец с дефектами шириной раскрытия 0,5 мкм, глубиной 10 мкм;

2-й образец с дефектами шириной раскрытия 1,0 мкм, глубиной 20 мкм;

3-й образец с дефектами шириной раскрытия 1,5 мкм, глубиной 30 мкм;

4-й образец с дефектами шириной раскрытия 2,5 мкм, глубиной 50 мкм.

Образцы с искусственными дефектами с шириной раскрытия 2; 3; 5; 7; 8; 9; 10, глубиной 30-60 мкм, фрагменты деталей с естественными дефектами с шероховатостью поверхности R_z 20.

Контроль проводили следующим образом.

На предварительно очищенную поверхность образцов наносили пенетрант и выдерживали в течение определенного времени для проникания его в дефекты; затем избыток пенетранта с поверхности смывали водой. Образцы погружали в ванну с очищающей жидкость ОЖ-7А (ТУ 2662-009-73057924-2004) и после этого снова промывали в воде. Последние операции необходимы для полного удаления пенетранта с поверхности деталей. Образцы протирали досуха сухой неворсистой тканью, проверяли под УФ-светом полноту удаления избытка пенетранта (отсутствие желто-зеленой флуоресценции) и с помощью краскораспылителя наносили проявитель ПР-15А (ТУ 2662-011-73057924-2004) тонким слоем. Находящийся в составе проявителя сорбент способствует тому, что оставшийся в дефектах пенетрант под действием капиллярных сил выходит на поверхность и образует индикаторные рисунки, люминесцирующие в УФ-лучах. Указанные рисунки соответствуют дефектам, имеющимся на поверхности деталей. Через 30-40 минут проводили осмотр образцов в затемненном помещении под УФ-светом и оценку чувствительности. Следы дефектов светились ярким желто-зеленым цветом. После контроля проявитель удаляли с поверхности деталей промывкой водой при температуре 30-35°С.

Результаты контроля показывают, что предлагаемый люминесцентный пенетрант для капиллярной дефектоскопии обладает пониженной летучестью и пониженной пожароопасностью (температура вспышки выше 126°С), меньшей токсичностью, особо высокой чувствительностью, обеспечивает яркое желто-зеленое свечение в дефектах (в области, наиболее чувствительной для человеческого глаза), обеспечивает воспроизводимость результатов контроля на 99%, при этом минимальная ширина выявляемых дефектов составляет 0,5-1 мкм. В технологии контроля с заявляемыми пенетрантами используют более легко удаляемый проявитель. Все приведенные данные позволяют расширить область применения пенетранта, делают его использование более технологичным.

Таким образом, приведенная и обоснованная совокупность признаков предлагаемого изобретения является необходимой и достаточной для получения технического результата при реализации заявленного изобретения.

Формула изобретения

Пенетрант для люминесцентной капиллярной дефектоскопии, включающий органический люминофор, неионогенное поверхностно-активное вещество и растворитель, отличающийся тем, что в качестве органического люминофора использована смесь люминофоров из класса кумариновых красителей – смесь кумарина-донора и кумарина-акцептора, в качестве кумарина-донора использован 4-метил-7-диэтиламинокумарин (К-47), а в качестве кумарина-акцептора, по крайней мере, один кумарин желто-зеленого свечения, при массовом соотношении от 1,1:1 до 1,8:1, в качестве неионогенного поверхностно-активного вещества Синтанол АЛМ-10, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при этом в качестве растворителя использована смесь дибутилфталата и пропиленкарбоната в массовом соотношении от 1:1,5 до 1:0,8.