基于高溫EMAT鐵磁性材料的聲速變化規律研究

趙帥杰， 張吉堂， 周俊峰， 岳雯溁， 周進節， 鄭 陽

(1. 中北大學機械工程學院，山西 太原 030051; 2. 中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

0 引 言

目前鍋爐、反應堆、高溫高壓管道等在工業中的應用十分廣泛。利用超聲波無損檢測技術對高溫設備進行壁厚在線監測和內部損傷檢測是確保其安全運行至關重要的方法，不僅可以盡早檢測出腐蝕缺陷，而且可以節省檢測成本，提高檢測效率。超聲檢測中最關鍵的問題之一是待檢材料中超聲波傳播速度的確定，可以直接影響超聲測厚和探傷定位的結果。EMAT檢測技術因無需耦合劑、非接觸、檢測速度快、易激發各種超聲波等特點，特別適合在高溫下進行檢測工作[1-5]。

在線監測管道和其他高溫設備表面的壁厚以及其他缺陷是許多工業無損檢測要求的關鍵，例如發電業和核工業等。在監測管道內部結構腐蝕缺陷的情況下需要重點考慮其經濟成本，因此非常需要一種高溫在線監測方法。Baba A[6]采用鈮酸鋰作為高居里溫度壓電材料，可以在1000 ℃下進行工作。但壓電換能器在高溫環境下存在耦合劑涂抹難、易揮發問題。而電磁聲換能器（EMAT）克服了以上缺點，且非接觸、對試樣表面的要求不高。Hernandez-Valle F[5-8]不僅在250 ℃的低碳鋼上使用EMAT進行檢測，而且進一步在不使用任何主動冷卻系統的情況下在高達600 ℃的溫度下進行樣品檢測，結果表明600 ℃范圍內超聲波聲速隨溫度上升而逐漸 降 低。Burrows S E[9]研 究 了 徑 向 極 化 橫 波EMAT和激光水冷式EMAT技術，發現使用激光系統可以在900 ℃下產生超聲波并被EMAT接收，而徑向極化橫波的EMAT只研究了700 ℃之前的聲速變化規律。

在力學方面，Ribochini R[10-11]的研究結果表明非接觸式EMAT檢測鐵磁性材料時，在非氧化鐵磁鋼中，洛倫茲力機制占主導地位，而磁致伸縮作用較小。而對于有氧化層的鋼，磁致伸縮機制可以增加整體信號水平，提高信號幅值。Masayuki J[12]和Cole PT[11]研究得出鋼樣品表面有一層薄的鐵磁氧化物層能提高磁致伸縮機制在高溫下的性能。Vasilii V D[14]的研究表明鋼在居里溫度(770 ℃)以后磁致伸縮機制隨溫度的升高逐漸占據主導地位。Trushkevych O[13]研究表明，磁致伸縮機制在磁相變（鐵磁轉變為順磁）附近的效率達到峰值，這與材料中的磁性和磁相變化相關，因此可使用電磁超聲作為研究磁性合金相變的方法。

目前超聲速度和溫度之間關系的研究還不夠，且高溫下材料的一些波形變化及變化參數還有不足。目前高溫承壓設備常用溫度逐步到700 ℃以上，迫切需要針對從室溫到700 ℃以上進行聲速變化規律研究。為此，本文采用工業上常用的幾種金屬材料，在室溫到850 ℃范圍內用無主動冷卻EMAT進行電磁超聲檢測。驗證了鐵磁性材料的橫波波速隨溫度升高在逐漸減小，這主要與材料彈性模量的減小有關；建立了在居里溫度點之后橫波消失，縱波出現的力學模型，對此現象進行理論解釋，為超聲檢測在高溫下的應用提供了數據支撐和理論基礎；研究了縱波波速和幅值隨溫度變化規律以及鐵磁性材料在居里溫度點之后超聲波消失的原因。

1 電磁超聲體波激發原理

電磁超聲體波激發機理主要包括：洛倫茲力機理、磁致伸縮力機理以及磁化力機理。在非鐵磁性材料中，超聲波的產生主要基于洛倫茲力機理，而本文研究的對象是鐵磁性材料（如鐵、鋼），超聲波是在洛倫茲力、磁致伸縮力和磁化力三力共同作用下產生。如圖1所示為EMAT的構成及換能原理[16]。從圖中可以看出，EMAT主要有三部分構成，分別是永磁鐵、導電線圈及待測試件。

圖1 EMAT的基本原理及基本組成

永磁體產生豎直向下的靜態磁場BS，線圈中通入電流密度為Jc的激勵信號，會在下方試塊表面的集膚深度內感生出渦流Je，感生渦流與磁場的相互作用產生洛倫茲力。而當被測材料為鐵磁性材料時，在洛倫茲力f(L)、磁致伸縮力f(fms)和磁化力f(M)三力的共同作用下，試件表面集膚深度內的質點會產生振動形成超聲波。

2 實 驗

2.1 高溫實驗系統

實驗系統主要由計算機、電磁超聲檢測儀、高溫EMAT、高溫爐等組成，如圖2所示。計算機運行軟件控制信號的激勵與接收并將數字信號轉化成時域信號，電磁超聲檢測儀用于放大激勵與接收信號。高溫EMAT如圖3所示，主要包括永磁鐵、線圈和特殊隔熱層等。如圖4所示為高溫EMAT所用環形線圈，內徑為2.25 mm，外徑為18.25 mm，繞線22圈。

圖2 高溫實驗系統

圖3 高溫電磁超聲換能器結構

圖4 高溫 EMAT 環形線圈

具體實驗過程如下：

1）計算機控制電磁超聲檢測儀激勵中心頻率為3.25 MHz的2周期漢寧窗調制正弦波信號。高溫EMAT接收檢測信號，通過電磁超聲檢測儀放大以數字信號的方式被計算機接收。

2）高溫爐對被檢試樣從室溫25 ℃加熱到850 ℃，并在試樣周圍包裹高溫石棉以減少熱量的散失。嚴格控制升溫速率，使得整個試塊加熱均勻。

3）在特定的溫度點進行超聲波檢測，每個溫度點檢測3次以減少實驗誤差，將實驗數據導入Matlab程序，繪制出超聲波信號與溫度變化曲線。

2.2 電磁超聲體波變化規律

本文對采集的原始信號進行濾波處理，得到了不同溫度下的超聲波信號，如圖5所示。從圖中可以看出鐵磁性材料從25 ℃到700 ℃，隨著溫度的升高，二次回波信號時間向后延長，聲速逐漸降低。

圖5 鐵磁性材料從25 ℃到800 ℃的超聲波信號圖

本文重點研究了鐵磁性材料12CrMo和Cr25Mo3Ti在700 ℃到850 ℃的溫度范圍內的電磁超聲信號，其結果如圖6、圖7所示，超聲波信號在居里溫度點前，橫波幅值隨著溫度的升高在逐漸減小，在達到居里溫度點時橫波消失，縱波出現（圖中紅圈表示橫波，藍圈表示縱波）。在居里溫度點之后，縱波持續出現，直到溫度繼續升高達到800 ℃之后，最終縱波消失。

圖6 12CrMo在居里溫度點的橫波消失，縱波出現現象圖

圖7 Cr25Mo3Ti在居里溫度點的橫波消失，縱波出現現象圖

3 實驗結果分析

3.1 橫波聲速變化

通過從電磁超聲信號圖中計算出相鄰回波間的時間差及已知被檢試件厚度，利用公式（1）計算出橫波聲速

式中：V——材料的橫波聲速；

R——材料的厚度；

t1、t2——相鄰回波時間。

繪制出溫度與橫波聲速變化曲線圖，如圖8所示。從圖中可以看出橫波聲速隨著溫度的升高在逐漸減小，而這一變化與本文所研究鋼材料的彈性模量、熱膨脹、質量密度有關，而熱膨脹和質量密度所產生的變化非常小，對聲速的影響可以忽略不計，故彈性模量是造成聲速變化的主要因素[6,17]。

圖8 鐵磁性材料橫波聲速變化圖

3.2 橫波消失，縱波出現

超聲波在洛倫茲力、磁致伸縮力和磁化力三者共同作用下產生，圖1為鐵磁性材料在高溫下的超聲波產生機理。

在居里溫度點以下，只有橫波發生反射，描述此現象的方程為：

洛倫茲力為：

磁化力為：

公式（6）（7）中，洛倫茲力和磁化力作用力方向相反，磁化力與大部分z方向的洛倫茲力相互抵消，因此，洛倫茲力和磁化力在豎直方向上無法產生縱波。只有x軸 的洛倫茲力和磁化力發揮作用，而x軸和z軸上的磁致伸縮力很小，所以只產生橫波。而在達到居里溫度點時，洛倫茲力的效率降低，而磁致伸縮力發生劇烈變化[14]，從而產生縱波。圖9所示為Cr25Mo3Ti在700 ℃及以下溫度的橫波信號；圖10所示為Cr25Mo3Ti在居里溫度點附近，洛倫茲機制產生的超聲波效率降低，出現了主要由磁致伸縮機制產生的縱波信號。

圖9 700 ℃時Cr25Mo3Ti的橫波信號

圖10 760 ℃時Cr25Mo3Ti的縱波信號

在固體介質中，縱波聲速可以用式（8）來表示：

式中：E——介質的彈性模量；

G——介質的剪切彈性模量；

ρ——介質的密度；

σ——介質的泊松比。

橫波消失后，縱波持續出現一段時間，所以就縱波的電磁超聲信號變化進行了研究，得到幅值和聲速隨溫度變化曲線。圖11為鐵磁性材料的縱波幅值隨溫度的變化圖，在居里溫度點以上，縱波幅值隨著溫度的升高先逐漸上升，達到一定的峰值后又急劇下降。出現這種現象的原因是：氧化層形成之前洛倫茲力貢獻超過磁致伸縮力，由于高溫的影響且被檢材料暴露在空氣中，從而生成氧化層，此時磁致伸縮力發揮主導作用，磁致伸縮系數的非線性變化導致信號幅值升高[18]，隨著溫度繼續升高，由于頻繁檢測，EMAT溫度升高，進而永磁體溫度升高，其偏置磁場會減弱。同時，材料的導電性會隨著溫度的升高而降低，故信號的幅值線性減小。圖12為鐵磁性材料的縱波聲速隨溫度變化圖，由于縱波出現的溫度范圍為50 ℃左右，其變化范圍較小，故材料的彈性模量基本保持不變，因此縱波聲速隨溫度升高而沒有明顯變化，最大變化范圍不超過4%。

圖11 鐵磁性材料縱波幅值變化圖

圖12 鐵磁性材料縱波聲速變化圖

3.3 超聲波信號消失

鐵磁性材料的磁化程度和溫度有關，隨著溫度的升高，分子運動激烈，其磁化能力逐漸減小。當溫度升高到某一溫度時，鐵磁性完全消失，鐵磁性材料中自發磁化區域因劇烈的分子熱運動而遭破壞，磁疇也隨之被破壞，鐵磁質退化成順磁質。

當試塊處于順磁狀態時，洛倫茲機制和磁致伸縮機制產生的超聲波效率很低，盡管它們仍然可以被檢測，但出現的溫度范圍很小。對于洛倫茲產生機制，線圈內的電流將在試塊的電磁集膚深度內產生一個反向渦流，該渦流反作用于偏置磁場，在垂直于渦流和偏置磁場的自由電子上產生一個力F。傳導電子與晶格之間的動量交換通過碰撞在試塊中產生超聲波。該力與感應渦流密度Je和偏置磁通量密度B成正比：

偏置磁場通常由EMAT中的永磁體提供，并且由于順磁性樣品表面的偏置磁通密度顯著低于鐵磁性樣品表面的偏置磁通密度，洛倫茲力分量將相應降低，因此超聲信號的幅值變弱。感應渦流還將通過相同的洛倫茲機制與EMAT中線圈產生的動態磁場相互作用，稱為自磁場產生機制[19]。對于磁致伸縮產生機制，能量耦合取決于與外加磁場方向一致的有序疇產生的機械應變，鐵磁性材料在居里溫度點之后，鐵磁性完全轉變成順磁性，磁疇處于無序狀態，不會產生應變，因此不會產生超聲波。

4 結束語

本文采用非主動式冷卻系統的電磁超聲傳感器從室溫到850 ℃的溫度范圍內進行了樣品檢測，得到了鐵磁性樣品在不同溫度范圍內的超聲波聲速變化規律。最后得到以下結論：

1）通過實驗和研究驗證，鐵磁性材料在居里溫度點之前橫波聲速隨溫度升高而減小且聲速變化主要與材料的彈性模量有關。實驗得到的聲速溫度曲線可以為高溫在線檢測提供參考價值，提高檢測效率。

2）通過建立居里溫度點之后的力學模型，對材料在達到居里溫度點時，橫波消失，縱波出現進行解釋。這是因為洛倫茲力的效率降低，而磁致伸縮力發生劇烈變化，從而產生了縱波，并且縱波幅值在一定溫度范圍內隨溫度增大而增大，達到峰值后急劇下降，而縱波波速沒有明顯變化。

3）鐵磁性材料在居里溫度點之后鐵磁性完全轉變成順磁性，橫波和縱波完全衰減，不會看到超聲波信號，這主要與磁疇的無序狀態有關。