再制造零件質量超聲無損評價研究進展*

(①北京工商大學材料與機械工程學院，北京 102488；②裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072)

再制造[1]是以優質、高效、節能、環保為主要目標，統籌考慮零件整個壽命周期的再制造策略，使退役產品在對環境的負面影響最小、資源利用率最高的情況下，重新達到最佳的性能要求。有關資料表明：再制造后零件的強度可達到原強度的90%以上，其修復費用不到重置價格的1/5，性價比極高。但實踐表明，再制造零件的殘余應力、缺陷以及內部顯微組織的形態和分布是影響再制造零件服役性能和服役壽命的關鍵因素[2-4]。缺陷的存在,會使零件在服役過程中出現疲勞、磨損和腐蝕等破壞形式。殘余應力是影響再制造涂層與基體的結合強度、韌性的重要因素，為了提高涂層與基體的結合強度和韌性，中國科學院力學研究所的馬維、潘文霞[3]等人對涂層的失效形式進行了調查，調查表明:由殘余應力引起的界面“層離”是涂層失效的主要形式。因此，采用無損檢測技術對再制造零件質量進行評價非常必要，這樣可以為再制造工藝優化提供有效的指導，從而保證再制造零件的質量。多年來針對再制造零件的質量和性能，主要靠再制造材料和工藝參數的優化[5]來保證，并且對再制造零件進行著色或滲透、磁記憶等探傷檢測，檢測表層是否存在氣孔、裂紋等缺陷。有時采用超聲波、射線檢查再制造零件內部缺陷，采用鉆孔法或X光衍射法、超聲波法檢測再制造零件殘余應力。采用光學顯微(OM)和掃描電鏡(SEM)檢查材料內部組織特征。雖然每種檢測方法都有其特色和優缺點，但所測量的結果仍有其局限性，如鉆孔法為破壞性檢測方法，在工程實踐中無法對每個零部件進行檢測。光學顯微(OM)和掃描電鏡(SEM)不適合檢查實際零部件內部的顯微組織分布與特征。利用X光衍射法僅能測量表面殘余應力。超聲波無損檢測[5]是國內外應用最廣泛、使用頻率最高且發展較快的一種無損檢測技術，與其他無損檢測技術(如射線檢測、渦流檢測、磁粉檢測等)相比，具有檢測對象范圍廣、靈敏度高，成本低，對人體無害以及便于現場使用等優點，因此超聲波檢測技術在再制造產品質量評價中得到了廣泛應用。

1 超聲波檢測技術在再制造零件缺陷檢測中 的應用及研究現狀

超聲波探傷按原理來分類，有脈沖反射法、穿透法和共振法[6]。脈沖反射法是目前運用最廣泛的一種超聲波探傷法。當超聲波遇到由聲阻抗不同的介質構成的界面時，將會發生反射現象。采用一個探頭兼作發射和接收器件，接收信號在探傷儀的熒光屏上顯示，并根據缺陷及底面發射波的有無、大小及其在時基軸上的位置來判斷缺陷的有無、大小和方位。利用超聲波(縱波、橫波)檢測零件內部缺陷，當缺陷位于淺表層時，由于探傷儀阻塞時間和始脈沖寬度的影響，存在著檢測盲區[7-8](盲區是指從探測面到能夠發現缺陷的最小距離，表征系統的近距離分辨能力)。對于近表面缺陷的檢查,表面波[9-10]十分有效。1885年瑞利首先對表面波給予理論上的說明，故表面波又稱為瑞利波。正如理論論述的那樣,由于表面波的能量集中于表面下2個波長之內,檢查表面裂紋靈敏度極高。 因此，要想同時檢測出零件淺表層和內部缺陷，就需要更換檢測探頭，非常不方便。

針對上述問題，國內外很多學者提出了各自的解決方案，北京航天材料及工藝研究所的吳時紅、陳穎等[11]人針對特種涂層內部缺陷的檢測設計了涂層專用超聲顯微檢測系統，該套系統的表面/亞表面成像原理如圖1所示，內部成像原理如圖2所示[11]。采用此系統對特種涂層的內部質量進行了檢測。結果表明:該系統能檢測出涂層內部的裂紋、氣孔、涂層與基體脫粘等缺陷。采用超聲瑞利波聲透鏡,可有效檢測出涂層表面及亞表面的缺陷。清華大學的姜宇、張華堂[12]等人利用可調節聚焦深度的超聲顯微成像技術，將聚焦聲束投射到物質表面或穿透到內部，從而實現對材料表層、亞表層和內部缺陷的檢測。

再制造零件內部小缺陷的發現對提高零部件的服役壽命非常重要，對于處于萌芽狀態的淺表層缺陷及時采用表面工程技術進行修復可顯著提高零部件的服役壽命。當缺陷比較小時，缺陷的反射、散射信號較弱，就會出現漏檢現象。近年來，國內外已經有采用非線性檢測方法檢測微裂紋、微小缺陷以及膠接層質量的報道[13-16]，利用超聲波的非線性效應能夠提高系統的檢測精度，并且提高系統對微小缺陷的檢測能力。美國RITEC RAM-5000 SNAP非線性高能超聲測試系統是世界上第一套專門用于材料無損評估的非線性效應研究的超聲測試系統，性能非常優越。

針對再制造零件內部缺陷的超聲無損檢測，近年來，隨著科技的進步，出現了許多新的檢測方法和手段。如：相控陣、TOFD、激光超聲、電磁超聲等。相比于傳統的超聲檢測方法，這些檢測方法有許多優點，得到了國內外無損檢測領域的廣泛關注。激光超聲技術是R.M.White于1963年首次提出的。利用激光產生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類。直接式是使激光與被測材料直接作用，通過熱彈性效應(圖3所示)或燒蝕作用(圖4所示)等激發出超聲波；間接式則是利用被測材料周圍的其他物質作為中介來產生超聲波。與傳統的壓電換能器相比，激光超聲技術具有非接觸、激發源高保真及點源/點接收等優點,非常適用于常規壓電檢測技術難以檢測的薄膜、復合材料以及材料的高溫特性研究等的研究。法國的G. Rosa[16-17]利用激光超聲檢測技術分析了氧化物涂層與金屬基體的結合強度。英國的J.B.HoyesQ.Shan等利用波長為1.6 μm的Q 開關Nd:YAG 激光器作為激光光源(功率2 MW、脈寬2 ns)在樣品表面產生超聲波，用共焦的法布里-珀羅標準具接收，對鋁板中的人工缺陷進行了檢測，得到了令人滿意的缺陷圖像。針對普通單晶探頭對處在不利位置或遠離聲束軸線位置的缺陷容易漏檢的問題，筆者所在課題組采用相控陣技術，用扇掃方法實現了對再制造曲軸R角處裂紋缺陷的檢測。圖5為發動機曲軸的結構示意圖，曲軸內部結構較復雜，并且曲軸連桿軸頸處存在R角(曲軸斷裂的危險區域)，常規超聲檢測方法需要更換多個檢測探頭，且很容易漏檢和誤判，相控陣技術可以在不移動探頭或盡量少移動探頭的情況下，掃查厚大工件和形狀復雜工件的各個區域。圖6為相控陣掃查示意圖。文獻[18]介紹了電磁超聲檢測技術在材料內部缺陷檢測方面的應用。相比于傳統的超聲檢測方法，這些檢測方法優點很明顯，但由于設備比較昂貴，使用條件受限制等原因，使得這些檢測方法的推廣和普及受到一定程度的限制。

2 超聲波無損檢測在再制造零件涂層性能評 價中的應用及研究現狀

隨著無損檢測方法的不斷進步，無損檢測也正朝著無損評價的方向發展。國內外很多學者進行了相關的研究工作[19-20]，Lian D、Suga Y等利用超聲反射波強度或超聲在涂層中的傳播速度來評價界面結合強度，結果表明反射波強度越高，界面結合強度越低，建立了超聲波反射強度和界面強度之間的關系。Kawas和Cox[21]等研究了超聲波在涂層中傳播時的衰減，發現涂層組織結構、氣孔率與衰減系數之間有一定的相關性。Haines[22]等對鋁表面噴涂的環氧樹脂層進行了研究，借助反射系數譜得出了涂層中的聲速、密度和衰減系數。大連理工大學的林莉、李喜孟、趙揚采[23]用強流脈沖離子束(HIPIB)輻照方式獲得了特性(孔隙率、微裂紋及致密度)不同的Cr2O3陶瓷涂層，對原始試樣和輻照次數不同的試樣，分別進行超聲無損檢測，試驗結果表明：隨著輻照次數的增加，聲速越來越大，聲速提高表明涂層彈性性能增強。涂層經輻照后孔隙及裂紋減少，涂層變得致密，同時其表面顯微硬度提高。超聲試驗結果與理論分析一致，因此利用聲速能夠對HIPIB改性的Cr2O3陶瓷涂層進行超聲表征。

再制造零件的涂層厚度不僅是表征涂層本身幾何尺寸的一個參量，而且與涂層的使用壽命、涂層材料消耗及再制造的生產成本等問題直接相關，因而對涂層厚度的無損測量就成為再制造涂層質量評價中至關重要的參數之一。由于超聲波無損檢測技術在測量涂層厚度中的優勢，國內外很多研究人員采用該項技術進行了涂層厚度的檢測。意大利的Fereydoun, Lakestani[24]等人利用表面波法測量了等離子噴涂金屬涂層的厚度;Eduardo、Moreno[25]等人利用蘭姆波法實現了復合材料表面薄層的厚度測量。目前涂層厚度的超聲波測量方法大體上可分為脈沖反射法、共振法、干涉法3種。3種方法在涂層測厚中都有各自的局限性，如:脈沖反射法不適合測量比較薄且界面不規則的涂層厚度，因為這種情況下，超聲波在涂層內發生多重反射，基體/涂層界面產生的回波相互干涉疊加，難以從接收的回波信號中分離出涂層界面回波信號；共振法不適合測量涂層厚度變化超過20%或聲波半波長的情況；超聲干涉法可以用來檢測薄涂層厚度，但由于基體及涂覆層種類繁多，基體與薄層之間的性質可能彼此接近，也可能相差懸殊，某些情況下會導致干涉信號幅度變化過小、反射系數譜極值位置難以判斷，從而造成薄層厚度測量誤差偏大。

隨著計算機、數字信號處理技術以及人工智能的發展，采用數字信號處理與人工智能結合的方法測量涂層厚度在實際應用中越來越普及。大連理工大學的徐志輝、林莉[26]等人為了解決脈沖反射法測量薄涂層厚度時，表面涂層介質中不同界面的超聲回波相互疊加，無法直接讀取對應界面回波的時間延遲這一問題，他們通過對混疊信號干涉規律的分析，利用歸一化功率譜分析技術實現對鎳基高溫合金基體上Zr02涂層的厚度測試，并通過金相分析驗證了該方法的有效性；北京工業大學的杜晶晶、李曉延[27]等人選用Mexh小波對采集到的超聲波回波信號進行連續小波變換對熱噴涂涂層厚度進行了測量，并通過試驗驗證了理論結果。采用上述這些信號處理方法雖然可以解決涂層厚度測量中的許多問題，但也有許多問題需要進一步探索，例如:小波變換雖然具有對信號的自適應處理及良好的時頻分析能力，特別適用于非平穩信號(超聲波)的檢測，但目前對小波基的選擇還沒有嚴格的準則和成熟的方法，只是依靠經驗來選取，而不同的小波基選取會極大地影響超聲波信號分析的結果。因此，提高小波函數的理論水平并拓展其在超聲無損中的應用將是需要進一步探索、研究的問題。

3 超聲波無損檢測在再制造零件殘余應力檢 測中的應用及研究現狀

研究結果表明:引起再制造零件殘余應力的原因主要有以下4個方面[28]：失配應力、淬火應力、熱梯度效應和材料的非彈性機制。因此，對再制造零件中殘余應力進行無損檢測就成為再制造零件質量評價的重要指標之一。

目前，零件內部殘余應力檢測理論研究方面，所建立的理論分析模型往往只考慮造成零件內部殘余應力的某一因素，如雙層材料模型只考慮了再制造涂層與基體材料熱膨脹系數差異造成的失配應力，增層模型只考慮了再制造涂層沉積冷卻過程中由于相變和狀態的變化引起的淬火應力。而再制造零件內部的殘余應力通常是由多種因素引起的，因此上述理論分析模型并不具有典型應用價值。現有的涂層殘余應力檢測方法主要有彎曲法、鉆孔法、X射線衍射法、超聲波法等。每種檢測方法的檢測原理、特點及使用范圍都各不相同。

彎曲法檢測殘余應力的特點是不破壞原有涂層，但只能測量厚度方向上的平均殘余應力。英國劍橋大學的Tsui、Doyle、Clyne等人采用原位曲率檢測法實現了對等離子噴涂層全過程應力的監測[29]。鉆孔法的特點是檢測方法簡單、可靠，缺點是由于要在被測零件上鉆孔，破壞零件的整體結構。另外，鉆孔過程中常常會引起材料的損傷和屈服，影響測量效果。清華大學工程力學系的戴福隆教授等人將云紋法與鉆孔法相結合，在殘余應力檢測方面做了大量有效的工作。X射線衍射法檢測的特點在于檢測的非破壞性，理論成熟，測量精度高；但由于X射線對金屬的穿透深度有限，只能無破壞性地檢測表層應力，將X射線衍射法與剝層法結合可以測定涂層沿厚度方向的殘余應力分布, 采用此方法可以檢測深層應力，但需破壞零件。

超聲波檢測技術是非破壞性檢測方法，具有穿透力強、聲束方向性好等優點，成為國內外無損檢測領域很多學者研究的重點。 超聲波檢測殘余應力的原理是利用超聲波在材料中傳播時引起的聲彈效應，即材料內部應力的變化會引起的超聲波傳播速度的變化，通過測定超聲波在材料內部傳播速度的變化可得出應力的大小。實際中采用的超聲波檢測殘余應力方法主要有：聲雙折射法、表面波法、反射縱波法、電磁超聲法、激光超聲法和臨界折射縱波法。關于這方面的理論和實驗研究，國內外的報道逐漸增多。如Husson[30]等人研究了在一定聲程內表面波速度的變化和應力之間的關系；M.Duquennoy[31]從彈性波理論出發研究建立了表面波傳播相位變化與應力的線性關系,但實驗研究還不夠。同濟大學的李勇攀、王寅觀等人采用反射縱波法對鋼軌中的殘余應力進行了檢測。超聲法檢測應力的結果為超聲波在試樣內部穿越一定路徑的平均值，雖然沒有破壞性，但無法得到結構整體的應力分布。而實際中零件往往是在最大應力處斷裂或失效，因此如何通過超聲波無損檢測得到零件結構整體的應力分布，將是需要進一步探索、研究的問題。

在超聲波應力檢測技術中,由于應力引起的速度變化很微弱，100 MPa應力導致的速度變化約為0.1%(鋁)和0.001%(鋼)[32],因此速度差的精確讀取是超聲無損檢測方法的關鍵技術。解決這一問題，可以從兩方面著手：一方面提高檢測儀器的精確度、靈敏度及信號分析技術的理論水平及精確度，即超聲檢測朝著數字化、自動化和人工智能的方向發展；另一方面，認真分析實驗過程中各種影響因素(如表面的粗糙度、耦合劑的種類、厚度、材料晶粒的粗細等)對實驗結果的影響趨勢，排除不利因素，使實驗結果更可靠。

4 結語

目前，超聲無損檢測在再造制造零件的缺陷檢測分析、殘余應力檢測分析、再制造涂層性能評價等方面已經取得了許多研究成果，但同時也有許多問題亟待解決，如：包含再制造涂層及基體的復合材質中缺陷的定性評價和定量困難如何解決？材料的微觀組織結構對超聲波的傳播有何影響？怎樣從低信噪比超聲波信號中提取有用的信息？解決這些問題對超聲無損檢測在再制造零件質量評價中的應用顯得尤為重要。隨著計算機及人工智能的不斷發展，超聲無損檢測的靈敏度、分辨率將會不斷提高，信息技術發展中的智能化、自動化、圖像化、系列化、多功能化，也是超聲無損檢測技術方向和應用的方向。

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