SiC顆粒增強鋁基復合材料缺陷的無損檢測

楊平華，何方成，王倩妮，李 楠，郭廣平

(中國航發北京航空材料研究院 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

SiC顆粒增強鋁基復合材料缺陷的無損檢測

楊平華，何方成，王倩妮，李 楠，郭廣平

(中國航發北京航空材料研究院 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

針對粉末冶金工藝生產的擠壓態SiC顆粒增強鋁基復合材料(SiCp/Al)，對其超聲檢測檢出的典型缺陷開展了X射線照相檢測和工業CT檢測試驗，并進行金相解剖，得到了典型缺陷的無損檢測顯示特征，對比分析了缺陷實際尺寸與不同無損檢測方法定量結果的差異。結果表明，SiC顆粒團聚是SiCp/Al復合材料中的主要缺陷形式之一，工業CT檢測的定量結果更接近缺陷實際尺寸，超聲檢測定量結果仍存在一定誤差。分析結果對于顆粒增強鋁基復合材料制件的質量控制具有一定參考意義。

SiCp/Al復合材料；缺陷；無損檢測

SiC顆粒增強鋁基復合材料(SiCp/Al)具有比強度和比剛度高、耐高溫、耐疲勞、抗磨與阻尼性能好、熱膨脹系數小、導熱率高等優點，不僅具有較好的綜合性能，且因可采用粉末冶金工藝進行流水線形式的大規模生產，而使其同時具有成本較低的特點[1-3]。采用SiCp/Al(p指顆粒)復合材料可部分替代航空航天工業中使用的鈦合金和鋼等金屬部件，可以減重和降低成本，具有良好的應用前景。然而，由于制造工藝不完善，常常導致SiCp/Al材料內部出現孔洞、裂紋、夾雜、SiC顆粒分布不均勻等缺陷，嚴重削弱了材料的力學性能，大大降低了結構的使用性能，甚至造成災難性的后果[4-5]，因此有必要對其進行嚴格的檢測和質量控制。

常用的鋁基復合材料無損檢測方法有液體滲透法、超聲波檢測法、射線檢測法等[6-11]，不同檢測技術對于不同類型缺陷的敏感性差別很大，同時，檢測效果還會受到缺陷位置、取向等因素的影響。國內外研究者在鋁基復合材料無損檢測與評價方面進行了大量研究，并取得了一定成果。LIAW等[12]在對粉末冶金工藝制造的SiC顆粒增強6013鋁合金坯料進行超聲C掃描成像后，發現了最小直徑為1.6 mm的SiC顆粒團聚；ROHATGI[6]利用脈沖反射法對SiCp/Al復合材料的縱波聲速進行了測量，得到了縱波聲速與增強體體積分數之間的關系；魏勤等[13]建立了超聲波衰減系數與增強體體積分數之間的對應關系，并采用超聲波C掃描方法檢測出SiCp/Al復合材料中的團聚和孔洞。上述工作主要集中在SiCp/Al復合材料的不同聲學參量與SiC顆粒含量之間關系的研究，以及利用超聲C掃描方法檢測SiCp/Al復合材料內部缺陷等方面，涉及的檢測方法較為單一，對于典型缺陷的無損檢測顯示特征以及缺陷定量結果的準確性等方面的研究尚未涉及。

筆者針對SiCp/Al復合材料開展了超聲、X射線和工業CT無損檢測以及金相解剖試驗，得到了SiCp/Al復合材料中典型缺陷的無損檢測顯示特征，并對不同無損檢測方法的缺陷定量結果進行了對比分析，從而為SiCp/Al復合材料的無損檢測與研究工作提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗所使用的材料為粉末冶金法制備的SiCp/Al復合材料擠壓方坯。首先使用Masterscan 380M型超聲波探傷儀和V109型超聲波探頭(5 MHz接觸法平探頭，晶片直徑12.7 mm)，對SiCp/Al復合材料擠壓方坯進行超聲檢測，并對檢測到的直徑大于φ0.8 mm平底孔當量的缺陷進行精確定位。隨后選取8個典型缺陷部位，以缺陷為中心進行線切割取樣，制作了如圖1所示的SiCp/Al復合材料試樣，試樣規格(直徑×高)為φ10 mm×65 mm，分別將其編號為A～H。

圖1 SiCp/Al復合材料試樣

1.2 試驗方法與過程 使用ISOVOLT450型X射線探傷機，沿著擠壓變形方向對試樣A～H進行X射線透照；使用225 kV微焦點工業CT系統對上述試樣進行工業CT檢測，精確測量缺陷的深度位置和平面尺寸；最后，參考無損檢測方法確定缺陷的深度并保留約0.5 mm的余量，在缺陷所在深度附近對試樣進行線切割，經過反復研磨使缺陷暴露于試樣表面，采用CamScan3100型掃描電子顯微鏡對缺陷形貌和成分進行分析，并對比分析缺陷實際大小與不同無損檢測方法定量結果的差異。

2 試驗結果與分析

2.1 X射線照相檢測結果 圖2為SiCp/Al復合材料試樣的X射線透照結果，圖中自左向右依次為試樣A～H。由圖2可知，在試樣B、D、F、H上X射線照相檢測發現黑色線狀異常顯示，表明異常顯示的密度低于正常部位，其他試樣未見明顯異常。隨后對異常顯示的缺陷長度進行測量，試樣B、D、F、H上異常顯示的長度分別為10，1.5，3.2，4.0 mm。

圖2 SiCp/Al復合材料試樣的X射線透照結果

2.2 工業CT檢測結果 圖3為SiCp/Al復合材料試樣的工業CT圖像以及典型缺陷的尺寸(長×寬)測量結果，圖中所示為缺陷最大橫截面的CT圖像。由圖可見，不同試樣中缺陷的CT顯示特征類似，均為不連續的絮狀、條狀、片狀顯示，尺寸分布范圍(長度或寬度)由0.4～8.7 mm不等；由黑度的對比發現，異常部位的密度低于正常位置，與X射線檢測結果一致。

通過對比工業CT檢測與X射線照相檢測的結果，工業CT檢測對8個試樣上的缺陷均可檢出，X射線照相檢測僅發現了其中4個試樣上的缺陷，因此工業CT檢測的靈敏度高于常規X射線照相檢測方法；同時，CT檢測缺陷的顯示更為清晰直觀；然而，CT檢測需對試樣進行逐層掃描，不僅耗時長，且檢測成本較高。

圖3 SiCp/Al復合材料試樣工業CT圖像及典型缺陷的尺寸測量結果

2.3 金相解剖結果

圖4 試樣B中缺陷的SEM形貌

選取B、D、F、H 4個試樣進行缺陷解剖，研磨后觀察其顯微組織，并進行能譜分析。圖4為試樣B中缺陷的SEM形貌。其中圖4(a)為缺陷低倍形貌，呈片狀不連續分布，與試樣B的CT圖像(見圖3(b))中的缺陷形態具有很高的相似性；圖4(b)為缺陷高倍形貌，為大量不規則小顆粒聚集，組織不致密，伴有較多孔洞。對試樣上的缺陷部位和正常部位分別進行了能譜分析，能譜分析結果見表1。通過對比發現，異常部位小顆粒的主要成分為C、Si元素，而正常部位主要成分為Al元素，二者具有明顯的差異；綜合分析異常部位的形貌和成分特征，確定試樣B中的缺陷類型為SiC顆粒團聚，并因顆粒團聚而產生了較多孔洞。

圖5 試樣D中缺陷的SEM形貌

試樣D、F、H中缺陷的SEM形貌分別見圖5～7，能譜分析結果見表1。由圖5～7可見，試樣D、F、H中缺陷的低倍形貌均為條狀、絮狀不連續顯示，與缺陷的CT圖像具有較好的對應性；缺陷的高倍形貌均為大量小顆粒聚集，并含有較多孔洞，組織致密性差。試樣D、F、H的能譜分析結果與試樣B類似，即異常部位小顆粒的主要成分為C、Si元素。根據以上結果，可確定所有試樣中的缺陷均為伴有孔洞的SiC顆粒團聚。

金相解剖結果也解釋了CT圖像中缺陷部位密度低于正常部位的原因，雖然SiC顆粒的密度高于Al基體，但由于SiC顆粒團聚處組織不致密，并存在大量孔洞，導致顆粒團聚處的平均密度反而低于正常部位，在CT圖像中表現為黑色異常顯示；同時，由于SiC顆粒分布不均勻，將導致異常部位的密度也不均勻，因此CT圖像中缺陷的黑度深淺不一。

圖6 試樣F中缺陷的SEM形貌

圖7 試樣H中缺陷的SEM形貌

位置試樣編號質量分數/%COMgAlSiCuB37．282．380．2920．4638．481．12D35．9115．630．873．1544．43-缺陷部位F33．883．820．3616．6844．430．83H32．034．080．3422．8639．461．23正常部位-14．605．530．9755．4421．042．42

顆粒團聚是鋁基復合材料中特有的缺陷形式之一，通常是由于顆粒加入方式的不正確和攪拌工藝參數的不合理等引起的。由金相分析結果可見，顆粒團聚嚴重時還將引起材料內部孔洞。相關研究表明，顆粒團聚將降低材料的彈性模量，影響材料的延展性、斷裂韌性等，團聚導致的應力集中還會引起疲勞裂紋，從而降低制件的使用壽命[4]。因此，選擇適當的無損檢測方法，實現SiCp/Al復合材料中缺陷的有效檢出是保證制件使用安全性的重要環節。

2.4 不同方法檢測結果的比較

將超聲、工業CT、金相3種方法分別對B、D、F、H 4個試樣中缺陷的檢測結果進行比較，不同檢測方法對缺陷的定位、定量結果見表2。由于X射線照相檢測對缺陷的定量結果為沿擠壓變形方向，與其他方法垂直于擠壓變形方向的定量結果不具有可比性，因此不列入表2中?？紤]到實際檢測中通常采用超聲方法進行缺陷深度定位，因此將重點關注超聲檢測對埋深定位結果的準確性，對于其他方法的缺陷埋深定位結果暫不列入。表2中超聲當量由缺陷反射幅度近似換算得到。

表2 不同檢測方法對缺陷的定位、定量結果

由表2可知，超聲檢測方法的缺陷埋深定位結果與實際深度(金相結果)差異不大(誤差0.6 mm以內)，但無損檢測方法的缺陷定量結果則與實際缺陷大小(金相結果)有一定差異。就缺陷大小定量結果而言，工業CT檢測與金相結果更為接近，超聲與金相的差異相對大一些，試樣B、H中的缺陷在不同方向的實際長度均大于超聲定量結果，從而缺陷實際面積也遠大于超聲定量面積；試樣D、F的實際面積則與超聲定量結果較為接近。

分析引起超聲定量誤差的原因如下：① 缺陷形狀及取向的影響。實際缺陷的形狀不規則，且缺陷的反射面與聲束軸線并不一定完全垂直，將導致缺陷反射回波幅度降低，從而使缺陷的當量尺寸(直徑)小于實際大小。② 缺陷性質的影響。對于氣孔類缺陷，缺陷的聲阻抗與基體差異大，因此缺陷回波幅度高；對于SiCp/Al復合材料中的顆粒團聚類缺陷，缺陷與基體的聲阻抗差異比氣孔類缺陷小，會導致缺陷回波幅度降低，引起定量結果偏小。③ 探頭近場區的影響。規則反射體回波聲壓公式適用于遠場區缺陷大小的等效計算，試驗中發現的缺陷埋深均位于近場區(所使用探頭的近場長度約為34 mm)，進行缺陷大小等效計算時會產生一定的定量誤差。④ 取樣位置的影響。雖然試樣D、F的金相測量面積與超聲面積定量結果較為接近，但由于超聲定量是在未取樣前進行的，試樣D、F取樣時可能只取到了缺陷的一部分，這將導致金相測量尺寸偏小。

綜上所述，超聲檢測、X射線檢測、工業CT檢測方法對SiCp/Al復合材料中缺陷的檢出和定量能力不同。在進行無損檢測方法的選擇時，應充分考慮檢測對象特征、主要缺陷類型及取向、檢測要求、檢測效率及成本等因素，選擇最合適的方法進行檢測。

3 結論

(1) SiC顆粒團聚是SiCp/Al復合材料中的主要缺陷形式之一，并可能因顆粒團聚而引起內部孔洞。

(2) 對于SiCp/Al復合材料中的顆粒團聚缺陷，采用工業CT檢測方法的檢測靈敏度高于X射線照相檢測，且工業CT定量結果較超聲檢測更接近缺陷實際大小。

(3) 缺陷形狀、取向、性質，以及探頭近場區、取樣位置等因素的綜合影響，導致超聲檢測對于SiC顆粒團聚缺陷的定量結果普遍小于缺陷實際大小。

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Nondestructive Testing of Defects in SiCp/Al Composites

YANG Ping-hua, HE Fang-cheng, WANG Qian-ni, LI Nan, GUO Guang-ping

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

Experiments were performed by X-ray, CT and ultrasonic methods on the defects which were detected in SiCp/Al composite. Characteristics of defects were determined on the basis of metallography and NDT results. The difference between quantitative results and real sizes was analyzed. The results show that particle aggregation is one of the main defect types in SiCp/Al composite. The quantitative results of CT are closer to the real size than that of ultrasonic testing. The study results are of great reference value to the quality control of SiCp/Al composite components.

SiCp/Al composite；Defect；NDT

2016-09-11

國防科技工業技術基礎科研資助項目(JSZL2016205C002)

楊平華(1985-)，女，碩士，工程師，主要從事材料無損檢測與評價技術研究工作。

楊平華，E-mail:yangpinghua@126.com。

10.11973/wsjc201703004

TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0013-05