超聲無損檢測(cè)在工業(yè)陶瓷中的應(yīng)用

翟玲玉，邢政鵬，馮金齡，李樂正，姜立平，孫增光

（山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司，山東 淄博 255000）

0 引言

工業(yè)陶瓷是一種具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和耐沖刷等一系列良好性能的脆性材料，因其脆性大、抗沖擊性能和抗熱震性差等缺點(diǎn)，在產(chǎn)品、成品及在役產(chǎn)品檢測(cè)中，材料表面及亞表面缺陷常被作為關(guān)鍵的檢測(cè)項(xiàng)目。超聲波無損檢測(cè)作為一種常規(guī)的無損檢測(cè)技術(shù)，在工業(yè)陶瓷的檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。

1 工業(yè)陶瓷

工業(yè)陶瓷，即工業(yè)生產(chǎn)用及工業(yè)產(chǎn)品用陶瓷，是精細(xì)陶瓷中的一類，該類陶瓷因其優(yōu)越的材料性能，被廣泛用于替代金屬材料和有機(jī)高分子材料[1]。目前應(yīng)用較廣泛的有氧化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷和氧化鋰陶瓷等，各類工業(yè)陶瓷因其獨(dú)特的材料性能，在高溫爐爐管、內(nèi)燃機(jī)火花塞、火箭尾管噴嘴、汽輪機(jī)葉片和天線罩罩體等產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用，如圖1 所示。

圖1 工業(yè)陶瓷制品

2 工業(yè)陶瓷無損檢測(cè)的必要性

工業(yè)陶瓷根據(jù)其工藝方法的不同，材料內(nèi)部組織存在多孔或致密的狀態(tài)，孔隙率高的工業(yè)陶瓷在生產(chǎn)過程中需要剔除不符合要求的氣孔，較為致密的工業(yè)陶瓷則容易在表面或亞表面出現(xiàn)微裂紋等缺陷[2]。同時(shí)，隨著科技的發(fā)展，制造業(yè)技術(shù)水平不斷提高，越來越多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)陶瓷制品被不斷研制開發(fā)，新型幾何特征測(cè)量方法的開發(fā)也迫在眉睫。

工業(yè)陶瓷制品通常作為結(jié)構(gòu)件，在使用過程中對(duì)設(shè)備、產(chǎn)品組件起到保護(hù)、承載和傳遞信號(hào)的作用，因材料本身為脆性材料，抗沖擊性能、抗熱震性能較差，有研究表明，當(dāng)工業(yè)陶瓷表面或亞表面存在10～60μm數(shù)量級(jí)的缺陷時(shí)，即可導(dǎo)致制品在工作時(shí)發(fā)生破壞，影響了產(chǎn)品功能甚至直接造成報(bào)廢，這類缺陷限制了工業(yè)陶瓷的發(fā)展與使用。

超聲無損檢測(cè)作為目前應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)無損檢測(cè)技術(shù)，因非破壞性、穿透能力好、可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)、檢測(cè)成本相對(duì)較低、檢測(cè)效率高等特點(diǎn)，在工業(yè)陶瓷的材料組織分析、幾何特征測(cè)量、產(chǎn)成品質(zhì)量狀況及在役產(chǎn)品的使用及損耗檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[3]。

3 超聲無損檢測(cè)原理及過程

無損檢測(cè)技術(shù)即非破壞性檢測(cè)技術(shù)，就是在不破壞待測(cè)物質(zhì)原來的狀態(tài)、化學(xué)性質(zhì)等前提下，為獲取與待測(cè)物的品質(zhì)有關(guān)的內(nèi)容、性質(zhì)或成分等物理、化學(xué)情況所采用的檢查方法[4]。超聲無損檢測(cè)是常規(guī)無損檢測(cè)方法中的一種，它是由超聲波與試件相互作用，通過對(duì)產(chǎn)生的反射、透射和散射波的研究，對(duì)試件進(jìn)行缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的一項(xiàng)無損檢測(cè)技術(shù)，具有非破壞性、檢測(cè)全面性及全程性等特點(diǎn)。

超聲波無損檢測(cè)的基本工作原理如下：聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進(jìn)入被測(cè)件；超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；改變后的超聲波通過檢測(cè)設(shè)備被接收，并可對(duì)其進(jìn)行處理和分析。根據(jù)接收的超聲波的特征，評(píng)估試件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。

4 超聲無損檢測(cè)在工業(yè)陶瓷檢測(cè)中的應(yīng)用

4.1 超聲C 掃描

超聲無損檢測(cè)按顯示缺陷方式分為A 型、B 型和C 型，A 型掃描顯示的是某一點(diǎn)的缺陷情況，B 型掃描顯示的是缺陷在縱向截面的檢測(cè)情況，而C 型掃描顯示的是被掃描件整個(gè)橫向截面的掃描結(jié)果情況[5]。A 型及B 型掃描方式檢測(cè)結(jié)果顯示為波形圖，而C 型掃描檢測(cè)結(jié)果為成像圖，如圖2 所示。

圖2 超聲掃描圖

由圖2 可知，超聲C 掃描顯示結(jié)果可以較為直觀地反映材料缺陷的形狀、大小及具體位置，且可以清晰地顯示出所有的夾雜物，包括對(duì)X 射線不靈敏的非鐵夾雜物。在工業(yè)陶瓷檢測(cè)過程中，因其需要耦合劑或產(chǎn)品需要浸漬在設(shè)備容器中，需要考慮耦合劑及浸漬是否會(huì)對(duì)工業(yè)陶瓷材料制品本身產(chǎn)生影響[6]。其優(yōu)點(diǎn)是能檢測(cè)多層層疊整個(gè)深度內(nèi)的裂紋和不連續(xù)性，在對(duì)某些高氣孔率的工業(yè)陶瓷進(jìn)行超聲C 掃描時(shí)，一般使用高頻來檢測(cè)小缺陷。

4.2 激光超聲無損檢測(cè)

激光超聲無損檢測(cè)技術(shù)是利用激光束照射被測(cè)樣件表面，激發(fā)出超聲波后利用光學(xué)方法對(duì)超聲波進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品進(jìn)行無損檢測(cè)的一種方法，其原理如圖3 所示。此種方法當(dāng)激光的功率較大時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)ablation，即表面會(huì)被打出東西來，對(duì)被測(cè)樣件產(chǎn)生損傷，因此對(duì)熱和沖擊敏感的材料難以應(yīng)用。

圖3 激光超聲無損檢測(cè)原理

目前，激光超聲無損檢測(cè)常被用來檢測(cè)工業(yè)陶瓷材料的熱學(xué)性質(zhì)如熱導(dǎo)率、比熱容和熱膨脹系數(shù)等，因此類檢測(cè)均為采用試樣檢測(cè)，因此不會(huì)對(duì)產(chǎn)品本身產(chǎn)生影響。

4.3 空氣耦合式超聲波無損檢測(cè)

空氣耦合式超聲波無損檢測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)類似，可以通過對(duì)已有檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)，它具有非接觸、非侵入和完全無損的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)超聲無損檢測(cè)方法使用專門耦合劑或水浸漬的不足[7]。它的反射方式有表面反射法、遙測(cè)法和底面反射法，如圖4。其檢測(cè)過程中超聲波的傳播主要受3 個(gè)方面的影響：超聲波在空氣中的衰減、超聲波的大量反射和超聲換能器的轉(zhuǎn)換效率。前兩者在空氣耦合式超聲波檢測(cè)條件下為自然現(xiàn)象，無法改變，因此空氣耦合式無損檢測(cè)主要技術(shù)在于研究超聲換能器。對(duì)工業(yè)陶瓷中聲阻抗超高的材料來說，空氣耦合式很難實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，對(duì)這些材料的空氣耦合式無損檢測(cè)必須采用與其相匹配的超聲換能器等特殊機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。

圖4 空氣耦合無損檢測(cè)法

目前，空氣耦合式超聲波無損檢測(cè)技術(shù)在國(guó)際上已完成了航空用復(fù)合材料膠粘情況的檢測(cè)、在役潛艇用復(fù)合材料損傷及退化情況檢測(cè)、紡織品涂層的不規(guī)則性檢測(cè)等試驗(yàn)，并都取到了較好的效果。隨著工業(yè)陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對(duì)工業(yè)陶瓷裸樣進(jìn)行涂層、組裝粘接等，已成為其較為普遍的一個(gè)應(yīng)用發(fā)展方向。隨著國(guó)內(nèi)及國(guó)際上該技術(shù)的研究及突破，未來空氣耦合式無損檢測(cè)技術(shù)會(huì)在工業(yè)陶瓷應(yīng)用中得到更好的應(yīng)用與發(fā)展[8]。

4.4 超聲掃描顯微鏡

超聲掃描顯微鏡是一種將高頻超聲波發(fā)射并傳遞到樣品內(nèi)部，通過采集到反射或穿透的超聲波能量信息或者相位的變化信息，來檢查樣品內(nèi)部出現(xiàn)的分層、裂縫或者孔洞等缺陷的超聲掃描方法[9]。它的分辨率較高，對(duì)樣品厚度沒有限制，但其受設(shè)備及工作方式限制，不適合完成在線檢測(cè)，常規(guī)超聲掃描顯微鏡設(shè)備如圖5。

圖5 超聲掃描顯微鏡

在工業(yè)陶瓷檢測(cè)中，超聲掃描顯微鏡常被用來檢測(cè)材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，也常用于檢測(cè)粘接界面的成像工作。利用超聲掃描顯微鏡可以獲得材料缺陷在不同深度層面上的超聲C 掃描圖像，二維聲學(xué)圖像可以顯示出缺陷在一定深度處的剖面圖像[10]。三維圖像可以得到缺陷的立體圖像、三維幾何尺寸和相對(duì)空間分布。

5 結(jié)語(yǔ)

超聲無損檢測(cè)克服了傳統(tǒng)耦合法難以適應(yīng)在線檢測(cè)的缺點(diǎn)，從工業(yè)陶瓷內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、制品的生產(chǎn)質(zhì)量控制到在役產(chǎn)品的質(zhì)量狀況監(jiān)測(cè)，在工業(yè)陶瓷各個(gè)研制生產(chǎn)階段都得到了廣泛應(yīng)用，隨著工業(yè)陶瓷材料應(yīng)用的不斷擴(kuò)展以及超聲技術(shù)的不斷發(fā)展與優(yōu)化，超聲無損檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)陶瓷檢測(cè)和評(píng)價(jià)方面仍將繼續(xù)發(fā)展。