織物增強橡膠件的無損檢測

程麗君，錢黃海，董慧民，王占彬，劉 剛

(中國航發(fā)北京航空材料研究院,北京 100095)

無損檢測以不損傷被檢測對象的使用性能為前提，對各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件進行內(nèi)部質(zhì)量檢測，以評價他們的連續(xù)性、安全可靠性及某些物理性能。無損檢測可以應用在產(chǎn)品制造、產(chǎn)品檢驗以及服役的整個生命周期，具體包括生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制、產(chǎn)品的出廠檢驗、用戶的入廠復驗以及產(chǎn)品的在役檢查。無損檢測應用于生產(chǎn)過程中，可以剔除生產(chǎn)工序中的不合格品，把檢測結(jié)果反饋到生產(chǎn)工藝中去，可以指導和改進生產(chǎn)，改善產(chǎn)品質(zhì)量和加強過程控制。無損檢測應用于出廠檢驗、入廠復驗，可以檢驗產(chǎn)品是否達到設(shè)計要求，防止不合格品被使用。產(chǎn)品在服役期間，定期或不定期的進行無損檢測，可以動態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品的使用狀況，預判使用壽命。

超聲波無損檢測方法在橡膠材料領(lǐng)域的應用國內(nèi)外都有報導，大多集中在橡膠/金屬膠接中對脫黏缺陷的評價[1-4]，也有利用超聲波無損檢測技術(shù)測定橡膠材料物理量的相關(guān)報導[5-7][8]5758[9]547-548[10-11]。然而，超聲波無損檢測方法在橡膠材料工程應用上的報導相對較少。Tittmann等[12]探討了用空氣耦合法對汽車輪胎進行超聲無損檢測的工程實例。楊恒等[13]報導了用超聲檢測技術(shù)測量航空密封件接觸應力的方法，可以實現(xiàn)橡膠密封接觸應力的準確測量。同時這些工程應用缺乏相應的檢測標準，檢測結(jié)果的判斷在很大程度上也依賴于檢測人員的經(jīng)驗，針對具體的應用工況、具體的產(chǎn)品特性仍需要在檢測方法、結(jié)果判斷上進行不斷的探索和研究。本文旨在通過對織物增強橡膠件的無損檢測，借助對橡膠件的剖析，研究織物增強橡膠件聲能衰減信號不同區(qū)域的內(nèi)在差異以及造成差異的原因。本研究方法及結(jié)果對橡膠件、橡膠復合材料的超聲波無損檢測、檢測結(jié)果的分析判斷具有一定的參考價值和借鑒意義。

1 實驗部分

1.1 原料

織物增強橡膠件：北京航空材料研究院；含有人工預制缺陷的對比試塊：采用聚四氟乙烯制作人工缺陷，圓形，直徑分別為 10 mm、15 mm、20 mm，北京航空材料研究院。

1.2 儀器及設(shè)備

MASTERSCAN 380型超聲波探傷儀：英國聲納公司；GX51型金相顯微鏡：日本OLYMPUS公司；Leica DMS 1000型體視顯微鏡(SLM)：德國徠卡公司。

1.3 分析與測試

超聲波C掃描成像：采用MASTERSCAN 380型超聲波探傷儀，探頭頻率分別為5 MHz、1 MHZ，耦合劑為水；密度按照GB/T 533—2008進行測試；金相觀察：取樣，鑲嵌，先用23 μm砂紙粗磨，再用10 μm砂紙細磨，待無明顯劃痕時，再進行拋光，直至無顯微劃痕為止，然后清洗，采用GX51型金相顯微鏡進行逐行掃描；體視顯微鏡觀察：采用Leica DMS 1000體視顯微鏡進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物增強橡膠件超聲C掃描

采用5 MHz平探頭，首先在對比試塊上調(diào)整檢測靈敏度，保證對比試塊上的預制缺陷可以清晰顯示，結(jié)果如圖1所示。按照對比試塊確定的檢測參數(shù)對待檢零件進行超聲C掃描，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，零件中存在超聲波信號衰減顯著的區(qū)域，即圖2中藍色及深藍色對應的位置。在零件上對超聲波信號衰減不顯著的區(qū)域、衰減顯著的區(qū)域分別進行取樣，并做出對應標記1#、2#，測得密度分別為1.16 g/cm3、1.14 g/cm3。兩區(qū)域在密度上有所差異，超聲波信號衰減顯著的區(qū)域密度較小，衰減不顯著的區(qū)域的密度較大，和前期的研究結(jié)果一致[14]49。

2.2 顯微觀察和分析

在超聲波信號衰減顯著的區(qū)域和超聲波信號衰減不顯著的區(qū)域分別取樣進行體視顯微鏡下的對照觀察，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：超聲波信號衰減顯著區(qū)域、衰減不顯著區(qū)域均不存在孔洞、界面分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷；超聲波信號衰減顯著區(qū)域?qū)南鹉z層平均厚度為1.337 mm，而超聲波信號衰減不顯著區(qū)域?qū)南鹉z層平均厚度為1.109 mm，兩個區(qū)域橡膠層的平均厚度相差0.228 mm。與前期的研究結(jié)果一致，進一步印證，超聲波信號顯著衰減是由橡膠的衰減系數(shù)大及此區(qū)域橡膠層厚度較厚引起。

(a) 1#衰減不顯著區(qū)域

(b) 2#衰減顯著區(qū)域圖3 體視顯微鏡下觀察圖像

將試樣再在金相顯微鏡下進行金相觀察，結(jié)果如圖4所示。

(a) 1#衰減不顯著區(qū)域

(b) 2#衰減顯著區(qū)域圖4 金相觀察圖

從圖4可以看出，超聲波信號衰減顯著區(qū)域、衰減不顯著區(qū)域均不存在孔洞、界面分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷；同時兩個區(qū)域在橡膠層厚度上有所差異。這和體視顯微鏡下的觀察結(jié)果一致。

2.3 不同測試頻率下的超聲C掃描

聲波的吸收是由介質(zhì)的導熱性、黏滯性和彈性滯后造成的，聲波的吸收隨聲波頻率升高而增加[15]。橡膠材料導熱性差，具有黏滯性、高彈性，這些特性導致橡膠材料的吸收較大。丁腈橡膠在5 MHz下的衰減系數(shù)為5.6 dB/mm[14]51，而一般樹脂基復合材料的衰減系數(shù)僅為1.6～2.4 dB/mm[16]33，是一般樹脂基復合材料衰減系數(shù)的2～3.5倍。因此考慮降低超聲波的頻率來降低橡膠的吸收。根據(jù)GJB 1038.1A-2004《纖維增強復合材料無損檢驗方法 第1部分 超聲波檢驗》[17]，模壓件推薦采用的平探頭頻率為0.1～5 MHz。常俊杰等[8]57利用超聲回波法測試橡膠材料(丁苯橡膠、乙丙橡膠、順丁橡膠)的損耗角正切值(tanδ)時，所用縱波超聲探頭的中心頻率為1 MHz；用超聲無損檢測評價乙丙橡膠的動態(tài)黏彈性時[9]547，所用探頭頻率選用的也為1 MHz。因此，這里也選擇頻率為1 MHz的探頭進行研究。將被解剖零件、預制缺陷對比試塊再次進行超聲C掃描，結(jié)果如圖5所示。

圖5 被解剖零件、預制缺陷對比試塊在不同測試頻率下的超聲C掃描圖像

從圖5可以看出，原來用5 MHz探頭掃描顯示超聲波衰減顯著的區(qū)域，換用1 MHz平探頭進行掃描后，超聲波信號衰減已不再顯著，而對比試塊中的預制缺陷無論在5 MHz，還是1 MHz下的超聲C掃描均清晰顯示為顯著吸收。這也充分說明，用5 MHz掃描顯示超聲波信號衰減顯著的區(qū)域，并不存在真的孔洞、界面分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷。

超聲波頻率在很大程度上決定了超聲波對缺陷的探測能力，頻率高時，波長短、擴散角小、能量集中，因而發(fā)現(xiàn)小缺陷能力強，分辨力好，缺陷定位準確[16]27。但聲波的吸收隨頻率升高而增加，對聲波吸收大的橡膠制品來說，檢測頻率不應該是越高越好，應根據(jù)要求檢出的最小缺陷、成型工藝、產(chǎn)品厚度、材料聲衰減特性事先研究后再謹慎選定。因此在實際的產(chǎn)品檢測過程中，需要根據(jù)被檢測對象的特性，合理的選擇探頭頻率，以免造成誤判，對檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷，應核實缺陷的存在及缺陷尺寸大小。

3 結(jié) 論

采用頻率為5 MHz 的探頭對織物增強橡膠件進行無損檢測，發(fā)現(xiàn)存在超聲波聲能衰減顯著的區(qū)域，但此區(qū)域不存在孔洞、分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷，采用SLM、金相觀察也未發(fā)現(xiàn)孔洞、分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷。此區(qū)域橡膠厚度較厚、橡膠的衰減系數(shù)大共同導致了超聲波聲能的顯著衰減。換用頻率為1 MHz 的探頭進行超聲波C掃描后，發(fā)現(xiàn)原來超聲波信號衰減顯著的區(qū)域已不再顯著。因此對橡膠制品來說，適當降低檢測用探頭頻率，可以減少由此帶來的誤判。