Multi-radioisotopes technique for wear investigation of engineering alloys

Abstract

The thesis presents a development of the technique based on radio-isotopes for wear measurements.<br />The technique consists in a beam of accelerated charged particles, such as protons, deuterons, 3He or alpha particles, from an accelerator in the MeV energy range onto a metal surface, in which a radioactive layer of several hundreds micrometers is produced; such procedure is called Thin Layer Activation (TLA).<br />Wear of this activated layer is measured by means of a radiation detector, such as a scintillation detector or a high-resolution semiconductor detector directly on-line, while the wear process is taking place.<br />The activation process was performed on different multi-phases alloys for engineering application: an hyper-eutectic Aluminium-Silicon- Copper alloy in the form of cylinder liner for internal combustion engines, and two different Iron-Chromium carbides alloys in the form of balls for ball bearings or piston rings.<br />The main enhancement in this technique here discussed comprises the activation and wear measurement simultaneously of 2 elements in the same material, allowing an investigation of wear behaviours of those different elements independently.<br />A MATLAB® code specifically developed for processing the output of the radiation detector and then calculating the experimental wear parameters is presented and discussed.<br />

La tesi presenta uno sviluppo della tecnica basata su isotopi radioattivi per misurare l'usura di materiali e/o componenti d'uso ingegneristico.<br />La tecnica consiste nell'uso di un fascio di particelle cariche (es.<br />protoni, deutroni, elio-3 o particelle alfa) accelerate provenienti da un ciclotrone. Le particelle vengono collimate su di una superficie metallica dove viene prodotto uno strato radioattivo di poche centinaia di micrometri. Tale tecnica si definisce Thin Layer Activation.<br />L'usura della superficie cosi' attivata viene misurato con un detettore di radiazioni direttamente in-linea.<br />Tale tecnica e' applicata in questa tesi su diversi materiali di uso ingegneristico quali una lega di alluminio-silicio-rame per cilindri di motori a combustione e due differenti acciai al cromo (1,5% e 18% Cr) per cuscinetti a sfere o anelli di tenuta per pistoni. Lo sviluppo della tecnica qui descritta consiste principalmente nelle misurazioni dell'usura contemporaneamente di 2 elementi (es. Fe e Cr) costitutivi della stessa lega. Un codice in Matlab per analizzare l' output del detettore di radiazioni e' fornito in appendice alla tesi.