Studio della profondità efficace di cementazione … Del...Presentazione del programma di Dottorato XXXII Ciclo ... definizione di robusti algoritmi di inversione basati su algoritmi

Studio della profondità efficace di cementazione mediante tecnica di radiometria fototermica

Dottorando

Raffaello Del Vecchio

Presentazione del programma di Dottorato XXXII Ciclo

SCIENZE E TECNOLOGIE PER I SISTEMI COMPLESSI

Scuola di dottorato in Scienze e tecnologie per

l’innovazione industriale

1

Programma Triennale

Studio della Morfologia dell’acciaio

Conferme sperimentali della

anticorrelazione fra la durezza e diffusività termica

Progettazione, Realizzazione e Validazione

di un prototipo laser radiometrico

Progettazione, Realizzazione e Validazione

di un Programma Software per il calcolo della cementazione

R. Del Vecchio - Studio della profondità efficace di cementazione mediante tecnica di radiometria fototermica

2

Morfologia dell’acciaioReticoli cristallini e microstruttura di austenite e martensite


3

Morfologia dell’acciaioDurezza di un acciaio


4

CC

C

martensite

austenite

pro

fon

dità

Morfologia dell’acciaioDurometri – misurazione Vickers


5

mm

Misure di diffusività termica con tecniche laser per la calibrazione curva diffusività/durezza

Diffusività termica – definizione e tecnica dimisura


6

Misurazione attraverso deflessione fototermica

Misure di diffusività termica e anticorrelazione con la durezza

Misure di diffusività termica su un campione a gradini


7

Campione temprato e “tagliato” a gradini

Ogni gradino avrà durezza diversa

Diffusività termica diversa per ogni gradino

Misure di diffusività termica e anticorrelazione con la durezza

Anticorrelazione fra diffusività termica e durezza


8

Le misure effettuate precedentemente dimostrano che:

400

500

600

700

800

7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5Thermal Diffusivity x 106, m2/s

Har

dnes

s, H

V400

500

600

700

800

7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5Thermal Diffusivity x 106, m2/s

Har

dnes

s, H

V

Primo prototipo sviluppato con AVIO


9

Misure di radiometria

Trent 900

JSF

CT7-8 Growth

Marine One

Boeing 787 Dreamliner

GEnx

SaM146

A400M

TP400-D6

LMS100

“Measurements of the TOP”

R. Del Vecchio - Studio della profondità

efficace di cementazione mediante tecnica

di radiometria fototermica

12

Sintesi del programma di ricerca dei 3 anni di dottorato Premessa ed obiettivi Il programma di ricerca prevede il perfezionamento di un sistema per la determinazione di profili di durezza su acciai induriti, tramite tecniche di Radiometria Fototermica Laser (RFL). Il processo di indurimento dell’acciaio in generale consiste in una carburizzazione o nitrurazione della superficie di un componente in acciaio e in un successivo trattamento termico. Tale processo realizza una parzialetrasformazione strutturale dell’acciaio da austenite a martensite. Sono proprio i grani di martensiteprodotti nel processo a rendere l’acciaio più duro. Da un punto di vista termico, la presenza di grani di martensite inibisce il trasporto di calore a causa dell’elevata resistenza termica di contatto al bordo del grano. Il risultato macroscopico è che all’aumentare del contenuto di martensite corrisponde un aumento della durezza dell’acciaio ed una diminuzione di conducibilità e diffusività termica. Tali variazioni giustificano l’applicazione delle tecnica di RFL per discriminare se il processo di indurimento abbia avuto luogo correttamente. L’obiettivo è di utilizzare un sistema RFL in alternativa all’attuale metodologia che prevede la misuradella profondità efficace di cementazione E sia dopo il trattamento termico di cementazione onitrurazione sia a valle dell’operazione di rettifica finale dell’ingranaggio. Nel primo caso si determinano i profili di durezza (cuciture) tramite durometro sulla sezione centrale di un provino cilindrico che accompagna il lotto durante la cementazione o nitrurazione, mentre nelsecondo si esegue la sezionatura di un ingranaggio e si verifica che il residuo di profondità dicementazione dopo rettifica sia all’interno dei limiti voluti di disegno. Questa ricerca verrà effettuata in 3 anni. Essa si articola in 4 Work package (WP) distinti.




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1 ANNO Studio di Fattibilità All’inizio della prima fase vengono effettuate tutte le attività teoriche e sperimentali volte a dimostrare la reale fattibilità del progetto. Le principali attività del WP1 sono di seguito riassunte a) Viene studiato lo stato dell’arte sulle tecniche diagnostiche non distruttive b) Vengono discusse le specifiche tecniche del progetto, analizzandone problematiche attuali e rischieventuali c) Vengono studiate le proprietà termiche, ottiche, chimiche e meccaniche degli acciai di tipo PYROWEAR 53, AISI 9310, 18NiCr16, 32CDV13, ed di altri materiali usati per il rivestimento. d) Vengono effettuate delle misure fototermiche preliminari di calibrazione su campioni a cementazione controllata per dimostrare la anticorrelazione fra diffusività termica e durezza per ogni singola tipologia di acciaio.




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2 ANNO Realizzazione della testa di misura sperimentale. Nel WP.2 vengono effettuate tutte le attività teoriche e sperimentali volte alla progettazione e realizzazione di prototipi di sistemi IR per il controllo di qualità. Queste attività perdurano per tutta la durata del progetto e sono proposte sia nella fase1 che nella fase 2. Di seguito si riporta l’elenco delle principali attività: a) Vengono individuate le condizioni operative di funzionamento di sistemi IR per controllo di qualità. Vengono discussi i regimi temporali o in frequenza per la generazione delle onde termiche e per la loro rivelazione. b) Viene individuata la sorgente a diodo laser alla lunghezza d'onda (808 nm) con potenza massima e relativa fibra ottica per massima flessibilità nell’indirizzamento del fascio. Viene discusso l’utilizzo di fascio pilota He-Ne coassiale con fascio di pompa per soddisfare eventuali requisiti di sicurezza. c) Viene individuato il sensore IR ideale nella banda 3ım- 5ım con raffreddamento Peltier d) Viene ergonomizzato il circuito ottico di eccitazione con quello IR di rivelazione in modo da realizzare un setup compatto unico, portabile ed integrabile con altri strumenti. e) Viene programmata una unica scheda lock-in integrata in PC per il controllo del laser di pompa e per l’acquisizione dati




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3 ANNO Validazione dei prototipi Nel WP.3 vengono effettuate tutte le attività sperimentali volte alla validazione dei sistemi IR per il controllo di qualità. Queste attività di seguito riportate iniziano nella fase 2 dopo i primi 12 mesi a) Test radiometrici su campioni in acciaio con indurimento certificato a geometria piana b) Test radiometrici su ingranaggi in acciaio cementato e nitrurato a geometria conica e ad evolventesferica, con diverse profondità di cementazione (da 0,20 mm a 2,50 mm per gli acciai cementati) e (da 0.15 mm a 1.70 mm per gli acciai nitrurati) c) Test radiometrici su componenti meccanici verniciati. Stima dello spessore delle vernici. WP.4. Algoritmi di calcolo degli spessori efficaci di cementazione e dei rivestimenti. Il WP.4 riassume le attività teoriche necessarie per determinare gli spessori. Tutte le attività inizianonella fase 1 del primo anno e continuano nel secondo anno nella fase 2. a) definizione di robusti algoritmi di inversione basati su algoritmi genetici, reti neurali, SVD; b) determinazione di procedure teoriche di trattamento dati per la stima dello spessore efficace di cementazione e dello spessore dei rivestimenti. Procedura con calibrazione e/o riferimento. c) studio delle problematiche connesse a componenti a geometria non planare e/o con effetti di bordo.Studio dei correttivi da apportare alla teoria. d) implementazione di un software di analisi dei dati sperimentali integrabile nel dispositivo.

INTERNATIONAL SCHOOL OF QUANTUM ELECTRONICSFifth Mediterranean International Workshop on

Photoacoustic & Photothermal PhenomenaFocus on Biomedical and Nanoscale Imaging and NDE

ERICE-SICILY-ITALY: SEPTEMBER 6 th-12th - 2018

DIRECTORS OF THE COURSE: R. LI VOTI - A. MANDELIS

Session A : Biomedical and Biological PA & PT1.Instrumentation design, software and signal generation techniques for biomedical photoacoustics and imaging. 2.Clinical applications of biomedical photoacoustics3.Microscopy, spectroscopy and endoscopy4.Animal imaging5.Dyes, nanoparticles and other contrast agents 6.Biothermophotonics and biomedical photothermal methodologies7. Agricalutural and Food applications in photoacoustics and photothermics

Session B : Nanoscale Heat Transfer and Imaging8.Ultrafast thermoelastic phenomena9.Thermal and elastic properties on nanoscale10.Picosecond photoacoustics11. Phonon Transport

Session C : Non Destructive Evaluation & Testing12.Infrared Thermography and Thermophotonic Imaging13.Non-destructive testing and industrial applications14.Depth profiling of materials and inverse problems15.Semiconductors, Photovoltaics, MEMS, NEMS and phononic bandgap materials16.Environmental sensors, biosensors, new instrumentation, and methodology

Session D: Thermophysical Properties17.Complex fluids, phase transitions and glass transitions18.Spectroscopy, analytical chemistry, nonlinear optics and photochemistry19.PA & PT Thermodynamics

International Conferences on PhotoAcoustic & PhotoThermal ScienceChair of Conferences at Centro Ettore Majorana Erice, Italy EMFCSC1 International Workshop on Photoacoustic & Photothermal Phenomena 2010 July 11-182 International Workshop on Photoacoustic & Photothermal Phenomena 2012 April 19-26 3 International Workshop on Photoacoustic & Photothermal Phenomena 2014 October 5-12 4 International Workshop on Photoacoustic & Photothermal Phenomena 2016 October 19-26

Session of PA&PT Phenomena @ Boulder Colorado 15 Symposium on Thermophysical Properties 2003 June 25-30 16 Symposium on Thermophysical Properties 2006 July 30- Aug 417 Symposium on Thermophysical Properties 2009 June 21-26 18 Symposium on Thermophysical Properties 2012 June 24-2919 Symposium on Thermophysical Properties 2015 June 22-26

International Conferences on PA&PT Phenomena” 14 ICPPP - Cairo Egypt 2007– Jan 6-9 15 ICPPP – Leuven Belgium 2009 - July 19-23 16 ICPPP – Merida Mexico 2011 - Nov 27 Dec 117 ICPPP – Suzhou - China 2013 - Oct 20-24

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