資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。摘要:隨著對工程陶瓷材料的廣泛使用,對其表面和亞表面缺陷檢測更顯重要。本文對就先進(jìn)陶瓷材料無損檢測技術(shù)和檢測方法進(jìn)行了論述,除了介紹幾種常見的無損檢測方法外,對新型的無損檢測方法作以評價(jià)。而且就當(dāng)今最為關(guān)心的陶瓷成像技術(shù)和預(yù)測裂紋問題作了闡述。關(guān)鍵詞:無損檢測陶瓷激光缺陷0引言工程陶瓷是經(jīng)過燒結(jié)形成的硬脆材料,因其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)而具有高硬度、高耐磨性、抗腐蝕性、高耐熱性等優(yōu)良的物理機(jī)械性能,在航空航天、化工等現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。其缺陷是在其制作及后處理等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的,當(dāng)表面或亞表面存在10um-60um數(shù)量級的缺陷,即可導(dǎo)致制品在工作時(shí)發(fā)生破壞。例如,碳化硅在承受686N／mm-980N／mm的負(fù)荷應(yīng)力時(shí),如表面有30um～50um數(shù)量級的缺陷存在,材料即可遭受破壞。因此,對陶瓷缺陷進(jìn)行檢測十分重要。[1]1無損檢測的發(fā)展與應(yīng)用近年來,隨著人們對工業(yè)生產(chǎn)中的質(zhì)量意識和在役設(shè)備壽命預(yù)測技術(shù)的要求不斷提高,以及復(fù)合材料和工程陶瓷等新材料的應(yīng)用,傳統(tǒng)的無損檢測方法遇到障礙,促使人們探索采用新的檢測途徑。如要求傳統(tǒng)檢測技術(shù)獲得的結(jié)果更直觀可靠,還能方便地以二維或三維形式成像。特殊的構(gòu)件還要求非接觸性檢測等。這些促使產(chǎn)生了無損檢測新技術(shù),如超聲顯微鏡技術(shù)、激光超聲及超聲成象檢測技術(shù)等。在先進(jìn)工程陶瓷材料檢測方面,超聲檢測仍是一種國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、發(fā)展較快的無損檢測技術(shù)。其發(fā)展經(jīng)歷了超聲波無損探傷(NDI)、超聲波無損檢測(NDT)、和超聲無損評價(jià)(NDE)三個(gè)階段。在國外,工業(yè)發(fā)達(dá)國家的無損檢測技術(shù)已逐步從NDI和NDT向NDE過渡?，F(xiàn)在無損檢測的發(fā)展是從一般無損評價(jià)向自動(dòng)無損評價(jià)和定量無損評價(jià)發(fā)展(即從NDE向ANDE和QNDE發(fā)展)。[2]采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測和分析數(shù)據(jù),這將減少人為因素的影響,提高檢測的可靠性。當(dāng)前,國外采用人工智能、激光等技術(shù)與無損檢測技術(shù)有機(jī)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形面復(fù)合構(gòu)件的超聲掃描成像檢測,將現(xiàn)代數(shù)字信號處理與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于超聲檢測。超聲與斷裂力學(xué)知識相結(jié)合,對材料構(gòu)件的強(qiáng)度與剩余壽命進(jìn)行評估等方面很有發(fā)展前景。[3]2先進(jìn)工程陶瓷材料的無損檢測技術(shù)2·1陶瓷材料無損檢測的具體目標(biāo)陶瓷材料無損檢測的具體目標(biāo)是檢出對性能不利的裂紋、氣孔、結(jié)塊、夾雜等缺陷。它的難度在于需要檢測的缺陷極其微小,一般比金屬或復(fù)合材料小l一2個(gè)數(shù)量級。典型的結(jié)構(gòu)陶瓷,為防止材料快速破壞,需檢出6o一600um的缺陷;對于緩慢裂紋生長需預(yù)測壽命的,要檢出20—200um的缺陷;為提高韌性而控制材料組織,必須檢出lO一50um的缺陷;為對精密部件控制制造工藝,則需檢出l一30um的缺陷。有些學(xué)者認(rèn)為細(xì)晶陶瓷(如熱壓氮化硅)的臨界尺寸小至25um以下;而粗晶陶瓷(如反應(yīng)燒結(jié)氮化硅)要高一些,能夠是5O～lO0um。[4]-----------------------*基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50475114);天津市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目支持作者簡介:程應(yīng)科(1974-),男,碩士,研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化。2·2陶瓷無損檢測的方法近年來,用于陶瓷無損檢測的方法有:表面浸透檢測(熒光法、著色法),x射線層析成像、紅外熱成像、超聲A掃描及c掃描、聲發(fā)射、微焦點(diǎn)x射線、超聲顯微鏡等。其中最常見的方法是超聲檢測。2·3超聲檢測原理和應(yīng)用超聲檢測原理是當(dāng)超聲波進(jìn)入物體遇到缺陷時(shí),一部分聲波會產(chǎn)生反射,發(fā)射和接收器可對反射波進(jìn)行分析,就能異常精確地測出缺陷來。使用它能夠顯示內(nèi)部缺陷的位置和大小,測定材料厚度等,可判別密度差異、彈性模量、厚度等特性和幾何形狀的變化方面。[6]超聲檢測主要是應(yīng)用超聲波的聲速和衰減這2個(gè)參量來獲得有關(guān)材料微觀組織和力學(xué)性能的信息。聲速可用于測定厚度、裂紋位置和體積、殘留應(yīng)力(應(yīng)變)。超聲波衰減測量則可極其靈敏地指示出因材料微觀組織的變化而引起內(nèi)部損耗。為了檢出現(xiàn)代陶瓷中的微小缺陷,常見水浸探傷法和聚焦型探頭。缺陷的檢出能力與所用超聲波頻率有關(guān)。頻率越高,波束越細(xì),缺陷檢出能力就越強(qiáng)。但頻率越高,超聲波的衰減也越嚴(yán)重。根據(jù)散射理論,超聲波有可能檢出尺寸為波長1．8%的缺陷。Reynolds等證明25MHz聚焦探頭能發(fā)現(xiàn)碳化硅陶瓷中直徑為100um的空穴,而此時(shí)超聲波的波長約400um。這些暗示了較低頻率超聲渡檢測陶瓷的可行性。黎潤民等用對氮化硅陶瓷進(jìn)行了檢測,檢出了距表面7mm的D0．05mm的鎢絲。在陶瓷氣孔率的檢測中,Kunerth等使用了直探頭和聚焦探頭(超聲波頻率為100MHz,波長約為120um),研究了碳化硅陶瓷中微米數(shù)量級直徑的氣孔對常規(guī)縱波的背散射。結(jié)論是單個(gè)氣孔的散射一般極小,并不能檢測到．但可檢測到群氣孔的散射。高頻超聲因有的大的衰堿和設(shè)備的昂貴,因此低頻超聲檢測陶瓷倍受關(guān)注.[4]Nagara和Panakkal等發(fā)現(xiàn)氧化鋯陶瓷中聲速和氣孔率(或密度)是線性關(guān)系。Klima發(fā)現(xiàn)在氮化硅和碳化硅陶瓷中,聲速和密度呈線性關(guān)系,微觀組織如晶粒尺寸、晶粒形狀、空穴尺寸及分布對聲速影響很小．然而對高頻超聲波衰減的影響卻很大．因此測量衰減更能有效地評價(jià)材料的微觀組織和力學(xué)性能。Roth等用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒忉屃硕嗑Р牧现新曀俸蜌饪茁实慕?jīng)驗(yàn)線性關(guān)系,推測材料的晶粒尺寸、密度、氣孔率等組織特征和力學(xué)性能。在陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料微缺陷的超聲檢測中,經(jīng)過人工缺陷試樣的試驗(yàn)得出,泄漏瑞利波法比縱波垂直入射法,對孔型及槽型人工缺陷均具有更好的檢測靈敏度,在層狀結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料中可檢出直徑115um的人工孔;在陶瓷材料中,可檢出直徑為53um的人工孔和寬度為43um的人工槽。[17]當(dāng)前,采用智能、激光等技術(shù)與無損檢測技術(shù)有機(jī)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形面復(fù)合構(gòu)件的超聲掃描成像檢測,是近年來國外復(fù)合材料構(gòu)件無損檢測領(lǐng)域研究的前沿課題。[18]3幾種新型的無損檢測技術(shù)在陶瓷材料的無損檢測中,激光超聲、掃描聲顯微鏡、掃描激光聲顯微鏡(SLAM)及相關(guān)成像等新技術(shù)得到了長足的發(fā)展。3·1激光超聲檢測技術(shù)及其應(yīng)用激光激發(fā)超聲波原理和提高激發(fā)的超聲信號強(qiáng)度參見文獻(xiàn)。[7][20]與傳統(tǒng)的壓電換能器技術(shù)相比,激光超聲最主要的優(yōu)點(diǎn)是非接觸檢測,它消除了壓電換能器技術(shù)中的耦合劑的影響,可用于各種較復(fù)雜形貌試樣的特性檢測。它能以光波波長為測量標(biāo)準(zhǔn)而精確測量超聲位移.如激光掃描式超聲顯微鏡法,對內(nèi)部缺陷也有很強(qiáng)的檢出能力,一般可檢出尺寸在10um以上的氣孔缺陷。由于極短的激光脈沖能夠激發(fā)出極短的超聲脈沖,經(jīng)過對衍射超聲波渡越時(shí)間差的分析,能夠準(zhǔn)確地確定各種缺陷、包括各種體缺陷和表面缺陷的位置,其精度可優(yōu)于0．1mm。如美國斯坦福大學(xué)、加拿大的QeenS大學(xué)等將LGAP與光探針相結(jié)合,很容易地探測到亞表面的缺陷,實(shí)現(xiàn)高精度無損檢測。在洛克希德·馬丁公司的激光超聲檢驗(yàn)技術(shù)中心的檢驗(yàn)系統(tǒng)中,激光束能夠從與軸線成45度角入射而在形狀復(fù)雜構(gòu)件中產(chǎn)生超聲,而傳統(tǒng)的水浸系統(tǒng),入射角必須保持在3度內(nèi)才能產(chǎn)生超聲。激光超聲微裂紋檢測技術(shù)的發(fā)展,該技術(shù)不但適用于對鋁、陶瓷和鋼在高溫下的材料特性測定和快速運(yùn)動(dòng)等需非接觸檢測的工件,而且為微結(jié)構(gòu)和微小零件的理論分析提供有力的手段,特別是對于物質(zhì)表面和亞表面的物理化學(xué)特性的研究起到了推動(dòng)作用。國內(nèi)同濟(jì)大學(xué)的錢夢騄等首先將激光超聲技術(shù)應(yīng)用到對納米材料的分析上,得出了聲速與制備納米材料時(shí)的壓力、溫度的關(guān)系[8];可對納米陶瓷的聲速及相應(yīng)的楊氏模量進(jìn)行測定;能夠方便地評估彎曲表面試件的應(yīng)力狀態(tài)等?？墒?激光超聲的不足是檢測系統(tǒng)龐大以及檢測環(huán)境要求較高(要隔振等)。3·2超聲波顯微成像技術(shù)在陶瓷材料檢測中的應(yīng)用在現(xiàn)代無損檢測技術(shù)中,超聲成象技術(shù)是一種令人矚目的新技術(shù)。它具有檢測一致性,可靠性、復(fù)現(xiàn)性高,檢測結(jié)果自動(dòng)比較,對缺陷做動(dòng)態(tài)檢測等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前已經(jīng)使用和正在開發(fā)的成像技術(shù)包括B,C,D掃描成像、超聲顯微術(shù)、P掃描成像、ALOK超聲成像技術(shù)、合成孔徑聚焦技術(shù)SAFI、超聲全息成像、超聲CT成像等技術(shù)。成像分析中采用了數(shù)字信號處理的最新技術(shù),包括時(shí)間渡越衍射技術(shù)、倒譜分析與相關(guān)分析等。幾種常見的掃描超聲成像系統(tǒng)包括用戶除使用信號處理算法或圖像顯示外,有時(shí)須借助于專家系統(tǒng)等技術(shù)的支持。[10]3·2·1超聲成像無損檢測系統(tǒng)以電器開關(guān)檢測的專用設(shè)備為例。超聲成像無損檢測系統(tǒng)超聲成像無損檢測系統(tǒng)如下圖。采用水浸超聲C掃描成像原理是以水為耦合劑,應(yīng)用水浸點(diǎn)聚焦探頭,使發(fā)射的超聲波束垂直于試樣的被測面,并聚焦于被測面,對試樣進(jìn)行逐點(diǎn)逐行掃描,同時(shí)將每一點(diǎn)反射回波的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并保存及進(jìn)行信號處理,最后將信號對應(yīng)地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上,顯示成二維偽彩色的圖像。其原理如圖1所示,其中圖1(a)表示C掃描路徑,圖1(b)表示C掃描時(shí)試樣探頭和精密掃查器的相對位置。(a)C掃描路徑(b)C掃描時(shí)探頭和掃查器的位置圖1水浸超聲C掃描成像無損檢測系統(tǒng)示意圖圖2計(jì)算機(jī)輔助的超聲波顯微鏡對陶瓷墊片的檢查經(jīng)過對大量開關(guān)電器電觸頭的檢測,將后處理的試樣用掃描儀掃描成像,與本系統(tǒng)超聲C掃描圖像對比,結(jié)果表明,本系統(tǒng)缺陷檢測結(jié)果與實(shí)際缺陷界面基本一致。[11]圖2是利用計(jì)算機(jī)輔助的超聲波顯微鏡對3個(gè)碳化硅墊片的檢查情況。掃描形成的圖象具有高放大率和高分辨率。能夠由法向入射的聲波束或者從不同的角度或者相對表面不同的方向的聲波束成象。這樣便于分析加載或機(jī)械加工對材料的影響。能夠明顯看出,圖中左邊和中間兩圖反映無磨損墊片的情況。右圖表示墊片具有磨損,因而有一定量的反向散射回聲,能夠看出,圖象明顯不同于無磨損墊片的。[123·2·2陶瓷的超聲c掃描由計(jì)算機(jī)輔助的超聲波顯微鏡(C型掃描)適用于表面的檢測、或者因機(jī)械加工或處理損壞的陶瓷材料表面的檢查、薄的試件和較厚試件限定區(qū)的容量檢查。在對工程陶瓷材料的內(nèi)部缺陷的檢測中,傳統(tǒng)的工程陶瓷的內(nèi)部缺陷大多采用水浸探傷法,以水浸縱波垂直探傷法檢測缺陷時(shí),波束路程能夠直接讀出。為檢出微小缺陷而采用高頻率探頭時(shí),因超聲波衰減大,往往檢不出缺陷,這時(shí)改用較低頻率的探頭反而能夠檢出缺陷,最低頻率的范圍為20kHz～2o0kHz。當(dāng)采用水浸斜角探頭而使用橫波時(shí),其聲速比縱波聲速小,以此提高探傷的分辨能力。多晶片散射波法是檢測工程陶瓷內(nèi)部缺陷的有效方法。如圖5所示,在探頭內(nèi)的透聲楔周邊排列多個(gè)晶片,使縱波垂直地射到被檢工件上,以斜角接收反射波時(shí),由散射波的圖像,利用反波恩(InveresBorn)近似,可推定缺陷尺寸。以橢圓體缺陷為例,如果使接收晶片的數(shù)目N=25左右,能夠較高的精度推定X、Y、z軸方向的缺陷尺寸。如表1所示。[16]現(xiàn)在使用C掃描法能方便地檢測工程陶瓷內(nèi)部缺陷的位置、大小和分布狀態(tài)。用25MHz的探頭對常壓燒結(jié)的氮化硅進(jìn)行C掃描,可發(fā)現(xiàn)表面下2mm深處10um～75um的線狀缺陷。以15MHz的探頭對氮化硅進(jìn)行C掃描,能夠檢出30um的氣孔。以30MHz的聚焦型超聲波對氧化鋯進(jìn)行C掃描,可清晰地檢出尺寸在20um以上的所有氣孔。實(shí)驗(yàn)參數(shù)半軸(um)N°25394010150172627119549262812353619012256真值479747圖5多晶片散射波法表1橢圓缺陷尺寸的推定精度相比常規(guī)的超聲波檢測方法,超聲波顯微照相術(shù)能夠提供較高的橫向和深度方向的分辨度,可實(shí)現(xiàn)非常小的不連續(xù)點(diǎn)的檢測,精確地定位,對細(xì)小裂紋可形成逼真的圖象,提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。但這受到訊號衰減、被檢零件的深度、穿透度等因素影響。當(dāng)前,c掃描的發(fā)展方向是提高檢測范圍、能力和分辨率。超聲C掃描成像可分為常規(guī)和顯微成像c掃描兩種。1、C掃描能夠檢測試樣中的氣孔、裂紋、夾雜和孔隙率等,特別是能夠清晰地顯示出所有的夾雜物,包括對x射線不敏感的非鐵夾雜物,可根據(jù)成像圖形測定缺陷的大小。c掃描成像的分辨率較高,用10MHz對氮化硅陶瓷進(jìn)行檢測,能夠檢出直徑30mm的氣孔。常規(guī)c掃描:常規(guī)c掃描工作頻率較低,一般在l0MHz以下,也有用到50MHz的高頻。Frlant等用常規(guī)c掃描進(jìn)行了碳化硅纖維強(qiáng)化的玻璃陶瓷復(fù)合材料的檢測,發(fā)現(xiàn)c掃描中透過的超聲波能量和材料的動(dòng)態(tài)彈性模量有定量關(guān)系。常規(guī)掃描受到陶瓷材料氣孔率的限制。陶瓷檢測中一般使用高頻來檢測小缺陷,但同時(shí)也使來自氣孔的散射大大增強(qiáng)。Borwer研究了氣孔率對c掃描成像的影響,同時(shí)對比了x射線、c掃描、SLAM技術(shù)在陶瓷檢測中各自的優(yōu)勢。2、顯微成像c掃描(如SAM)比常規(guī)c掃描應(yīng)用更為廣泛,它的工作頻率可達(dá)20—200MHz,此時(shí)對表面及亞表面的檢測分辨率可達(dá)l一2um。Nonaka等用100MHz的探頭檢測出了預(yù)埋在碳化硅陶瓷中的直徑為10—200um的鎢絲,鎢絲距上表面1．5mm。此時(shí),由于高頻導(dǎo)致的大衰減,儀器的增益需要很大,但需要圖像處理技術(shù)來增強(qiáng)圖象。Stelwagen等用使用的是10—100MHz的低頻SAM技術(shù),檢出了氧化鋁陶瓷中500um深處直徑為130um的體積型缺陷和l0一l5um寬的表面裂紋以及4OOum的氧化鋯涂層的分層缺陷。[9]SAM的主要特點(diǎn)有:橫向分辨率高,縱向分辨率低,適于測量與聲束垂直的面狀缺陷;可測曲面樣品;對表面耦合狀況很是敏感,對表面光潔程度要求較高;水中聲速和陶瓷中聲速的差異使焦點(diǎn)變形大。3·2·3激光掃描顯微成像技術(shù)當(dāng)前,在上述用于先進(jìn)陶瓷的檢測方法中,激光掃描顯微成像(SLAM)法在缺陷檢出能力、現(xiàn)場實(shí)用性及容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等方面都有著明顯的優(yōu)勢。在先進(jìn)陶瓷材料表面缺陷的檢測中,同一形狀和尺寸的表面缺陷比內(nèi)部缺陷更容易引起破壞,因此表面缺陷的檢測特別重要。傳統(tǒng)的水浸表面波法檢測表面缺陷實(shí)驗(yàn)證明,采用水浸表面波法用15MHz水浸探頭對表面有激光加工傷痕的氮化硅進(jìn)行探傷時(shí),最低能夠檢測到缺陷直徑是65um。用此法對含有人工缺陷的氧化鋁試塊進(jìn)行水浸表面波法探傷時(shí),能夠全檢出直徑40um、深50um以上的人工缺陷。另外,根據(jù)表面波的分辨率高于橫波和縱波的關(guān)系,使用12MHz的表面波,采用液浸法,檢出了位于表面以下1～2mm處、大小為40um的缺陷。Reynolds用25MHz和50MHz表面波探測表面開口裂紋,發(fā)現(xiàn)表面波探動(dòng)時(shí),表面光潔度對探傷影響很大,似乎和最佳頻率有關(guān)。但沒有找到光潔度和最佳探傷頻率的關(guān)系。梳形電極探頭法是一種直接接觸表面波法,用貼有梳形電極的鈮酸鋰探頭和100Hz的高頻對氮化硅制造的渦輪葉片探傷,可檢查出深度為50um～2o0um的裂紋。而超聲顯微鏡法采用的是100MHz,1GHz的高頻超聲波,其分辨能力高,可正確把握缺陷的形狀。當(dāng)采用700MHz時(shí),可檢出氮化硅表面深度為20um的凹痕。激光掃描式超聲顯微鏡法是透過試樣的超聲波在試樣表面形成動(dòng)態(tài)脈動(dòng)圖樣時(shí),以激光將其檢出的方法,對表面線狀缺陷的檢出能力很強(qiáng),寬20um、深10um的微裂紋亦能檢出。[15]當(dāng)前,關(guān)于找到限制會造成裂紋的缺陷和在斷裂試驗(yàn)前預(yù)測裂紋的報(bào)道很少。Sun,J.G.等人使用激光掃描技術(shù)檢測裝置對氮化硅表面和亞表面的缺陷和機(jī)加工損傷的檢測提供了二維的數(shù)字圖象。提出了高的去除率和粗的研磨會形成激光散射下粗糙的表面,而且機(jī)械損傷更加嚴(yán)重。在對試件進(jìn)行不同深度的研磨和測量后,表明在激光所描述的缺陷特征和顯微鏡下觀察的表面/亞表面的固有缺陷有關(guān)。這為描敘裂紋作了基礎(chǔ)。[13]J.M.Zhang等使用基于激光掃描的NDZ裝置,在斷裂實(shí)驗(yàn)前分析了8個(gè)長拄狀氮化硅試件表面。如圖3為激光掃描系統(tǒng)圖。圖3激光掃描系統(tǒng)圖圖4表明了試件在顯微相片和激光掃描圖象下,試件2裂紋形成之間的區(qū)別。使用激光掃描圖象檢驗(yàn)了斷裂實(shí)驗(yàn)前裂紋起因。結(jié)合激光掃射技術(shù)和斷裂實(shí)驗(yàn)可得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果:裂紋的產(chǎn)生一般是固有缺陷,但有時(shí)機(jī)加工也是形成的原因之一。裂紋產(chǎn)生于最大尺寸的缺陷和激光掃描圖象中缺陷密度最大的地方。這項(xiàng)研究表明激光掃描技術(shù)能夠在斷裂實(shí)驗(yàn)前預(yù)測裂紋的起因,具有十分廣闊的前景。[14]圖4(a)顯微鏡下斷裂區(qū)域圖4(b)激光掃描下斷裂圖像圖4(c)激光掃描下斷裂起因SLAM(掃描激光聲顯微鏡)技術(shù)主