陶瓷表面缺陷无损检测

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1、陶瓷表面缺陷无损检测摘要：随着对工程陶瓷材料的广泛使用，对其表面和亚表面缺陷检测更显重要。 本文对就先进陶瓷材料无损检测技术和检测方法进行了论述，除了介绍几种常用 的无损检测方法外，对新型的无损检测方法作以评价。并且就当今最为关心的陶 瓷成像技术和预测裂纹问题作了阐述。关键词：无损检测 陶瓷 激光 缺陷0引言工程陶瓷是经过烧结形成的硬脆材料，因其独特的分子结构而具有高硬度、 高耐磨性、抗腐蚀性、高耐热性等优良的物理机械性能，在航空航天、化工等现 代工业和科学技术领域具有十分广阔的应用前景。其缺陷是在其制作及后处理等 生产过程中产生的，当表面或亚表面存在10um-60um数量级的缺陷，即可导致制

2、 品在工作时发生破坏。例如，碳化硅在承受686N / mm-980N / mm的负荷应力时， 如表面有30um50um数量级的缺陷存在，材料即可遭受破坏。因此，对陶瓷缺 陷进行检测十分重要。1无损检测的发展与应用近年来，随着人们对工业生产中的质量意识和在役设备寿命预测技术的要 求不断提高，以及复合材料和工程陶瓷等新材料的应用，传统的无损检测方法遇 到障碍，促使人们探索采用新的检测途径。如要求传统检测技术获得的结果更直 观可靠，还能方便地以二维或三维形式成像。特殊的构件还要求非接触性检测 等。这些促使产生了无损检测新技术，如超声显微镜技术、激光超声及超声成象 检测技术等。在先进工程陶瓷材料检测方

3、面，超声检测仍是一种国内外应用最广泛、发 展较快的无损检测技术。其发展经历了超声波无损探伤（NDI）、超声波无损检测 （NDT）、和超声无损评价（NDE）三个阶段。在国外，工业发达国家的无损检测技 术已逐步从NDI和NDT向NDE过渡。现在无损检测的发展是从一般无损评价向自 动无损评价和定量无损评价发展（即从NDE向ANDE和QNDE发展）。采用计算 机进行检测和分析数据，这将减少人为因素的影响，提高检测的可靠性。目前，国外采用人工智能、激光等技术与无损检测技术有机结合以实现复 杂形面复合构件的超声扫描成像检测，将现代数字信号处理与人工神经网络技术 用于超声检测。超声与断裂力学知识相结合，对材

4、料构件的强度与剩余寿命进行 评估等方面很有发展前景。2先进工程陶瓷材料的无损检测技术21陶瓷材料无损检测的具体目标陶瓷材料无损检测的具体目标是检出对性能不利的裂纹、气孔、结块、夹 杂等缺陷。它的难度在于需要检测的缺陷极其微小，一般比金属或复合材料小l 一2个数量级。典型的结构陶瓷，为防止材料快速破坏，需检出6o 一600um的缺 陷；对于缓慢裂纹生长需预测寿命的，要检出20200um的缺陷；为提高韧性而 控制材料组织，必须检出1O 一50um的缺陷；为对精密部件控制制造工艺，则需 检出l 一30um的缺陷。有些学者认为细晶陶瓷（如热压氮化硅）的临界尺寸小至25um以下；而粗晶陶瓷（如反应烧结氮

5、化硅）要高一些，可以是5OlOOum。 *基金项目：国家自然科学基金资助项目（50475114）；天津市科技发展计划项目 支持作者简介：程应科（1974-）,男，硕士，研究方向为机械制造及自动化。22陶瓷无损检测的方法近年来，用于陶瓷无损检测的方法有：表面浸透检测（荧光法、着色法），x 射线层析成像、红外热成像、超声A扫描及c扫描、声发射、微焦点x射线、超 声显微镜等。其中最常用的方法是超声检测。23超声检测原理和应用超声检测原理是当超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射， 发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来。使用它可以显 示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等，

6、可判别密度差异、弹性模量、厚度 等特性和几何形状的变化方面。超声检测主要是应用超声波的声速和衰减这2个参量来获得有关材料微观 组织和力学性能的信息。声速可用于测定厚度、裂纹位置和体积、残留应力（应 变）。超声波衰减测量则可极其灵敏地指示出因材料微观组织的变化而引起内部 损耗。为了检出现代陶瓷中的微小缺陷，常用水浸探伤法和聚焦型探头。缺陷的 检出能力与所用超声波频率有关。频率越咼，波束越细，缺陷检出能力就越强。 但频率越高，超声波的衰减也越严重。根据散射理论，超声波有可能检出尺寸为波长1. 8%的缺陷。Reynolds等证 明25MHz聚焦探头能发现碳化硅陶瓷中直径为100um的空穴，而此时超声

7、波的波 长约400um。这些暗示了较低频率超声渡检测陶瓷的可行性。黎润民等用对氮化 硅陶瓷进行了检测，检出了距表面7mm的D0. 05mm的钨丝。在陶瓷气孔率的检测中，Kuner th等使用了直探头和聚焦探头（超声波频率 为100MHz,波长约为120um）,研究了碳化硅陶瓷中微米数量级直径的气孔对常规 纵波的背散射。结论是单个气孔的散射通常极小，并不能检测到.但可检测到群 气孔的散射。高频超声因有的大的衰碱和设备的昂贵，所以低频超声检测陶瓷倍 受关注.4Nagara和Panakkal等发现氧化锆陶瓷中声速和气孔率（或密度）是线性关 系。Klima发现在氮化硅和碳化硅陶瓷中，声速和密度呈线性关

8、系，微观组织如 晶粒尺寸、晶粒形状、空穴尺寸及分布对声速影响很小.然而对高频超声波衰减 的影响却很大.因此测量衰减更能有效地评价材料的微观组织和力学性能。Ro th 等用半经验模型解释了多晶材料中声速和气孔率的经验线性关系，推测材料的晶 粒尺寸、密度、气孔率等组织特征和力学性能。在陶瓷及陶瓷基复合材料微缺陷的超声检测中，通过人工缺陷试样的试验 得出，泄漏瑞利波法比纵波垂直入射法，对孔型及槽型人工缺陷均具有更好的检 测灵敏度，在层状结构陶瓷基复合材料中可检出直径115um的人工孔；在陶瓷材 料中，可检出直径为53um的人工孔和宽度为43um的人工槽。目前，采用智能、 激光等技术与无损检测技术有机

9、结合以实现复杂形面复合构件的超声扫描成像 检测，是近年来国外复合材料构件无损检测领域研究的前沿课题。183几种新型的无损检测技术在陶瓷材料的无损检测中，激光超声、扫描声显微镜、扫描激光声显微镜 (SLAM)及相关成像等新技术得到了长足的发展。31激光超声检测技术及其应用激光激发超声波原理和提高激发的超声信号强度参见文献。与传统的压 电换能器技术相比，激光超声最主要的优点是非接触检测，它消除了压电换能器 技术中的耦合剂的影响，可用于各种较复杂形貌试样的特性检测。它能以光波波 长为测量标准而精确测量超声位移如激光扫描式超声显微镜法，对内部缺陷也 有很强的检出能力，一般可检出尺寸在10um以上的气孔

10、缺陷。由于极短的激光脉冲可以激发出极短的超声脉冲，通过对衍射超声波渡越 时间差的分析，可以准确地确定各种缺陷、包括各种体缺陷和表面缺陷的位置， 其精度可优于0. 1mm。如美国斯坦福大学、加拿大的QeenS大学等将LGAP与光 探针相结合，很容易地探测到亚表面的缺陷，实现高精度无损检测。在洛克希 德马丁公司的激光超声检验技术中心的检验系统中，激光束可以从与轴线成45 度角入射而在形状复杂构件中产生超声，而传统的水浸系统，入射角必须保持在 3度内才能产生超声。激光超声微裂纹检测技术的发展，该技术不仅适用于对铝、陶瓷和钢在高 温下的材料特性测定和快速运动等需非接触检测的工件，而且为微结构和微小零

11、件的理论分析提供有力的手段,特别是对于物质表面和亚表面的物理化学特性的 研究起到了推动作用。国内同济大学的钱梦騄等首先将激光超声技术应用到对纳 米材料的分析上，得出了声速与制备纳米材料时的压力、温度的关系；可对纳 米陶瓷的声速及相应的杨氏模量进行测定；可以方便地评估弯曲表面试件的应力 状态等。但是，激光超声的不足是检测系统庞大以及检测环境要求较高(要隔振 等)。32超声波显微成像技术在陶瓷材料检测中的应用在现代无损检测技术中，超声成象技术是一种令人瞩目的新技术。它具有 检测一致性，可靠性、复现性高，检测结果自动比较，对缺陷做动态检测等优点。 目前已经使用和正在开发的成像技术包括B，C，D扫描成

12、像、超声显微术、P扫 描成像、ALOK超声成像技术、合成孔径聚焦技术SAFI、超声全息成像、超声CT 成像等技术。成像分析中采用了数字信号处理的最新技术，包括时间渡越衍射技 术、倒谱分析与相关分析等。几种常见的扫描超声成像系统包括用户除使用信号 处理算法或图像显示外，有时须借助于专家系统等技术的支持。a321超声成像无损检测系统以电器开关检测的专用设备为例。超声成像无损检测系统超声成像无损检 测系统如下图。采用水浸超声C扫描成像原理是以水为耦合剂，应用水浸点聚焦 探头，使发射的超声波束垂直于试样的被测面，并聚焦于被测面，对试样进行逐 点逐行扫描，同时将每一点反射回波的模拟信号转换成数字信号，并

13、保存及进行 信号处理，最后将信号对应地显示在计算机屏幕上，显示成二维伪彩色的图像。 其原理如图1所示，其中图1(a)表示C扫描路径，图1(b)表示C扫描时试样探头 和精密扫查器的相对位置。（a） C扫描路径（b） C扫描时探头和扫査器的位置图1水浸超声C扫描成像无损检测系统示意图图2计算机辅助的超声波显微镜对陶瓷垫片的检査通过对大量开关电器电触头的检测，将后处理的试样用扫描仪扫描成像， 与本系统超声C扫描图像对比，结果表明，本系统缺陷检测结果与实际缺陷界面 基本一致。in图2是利用计算机辅助的超声波显微镜对3个碳化硅垫片的检查情况。扫描 形成的图象具有高放大率和高分辨率。可以由法向入射的声波束

14、或者从不同的角 度或者相对表面不同的方向的声波束成象。这样便于分析加载或机械加工对材料 的影响。可以明显看出，图中左边和中间两图反映无磨损垫片的情况。右图表示 垫片具有磨损，因而有一定量的反向散射回声，可以看出，图象明显不同于无磨 损垫片的。1232 2陶瓷的超声c扫描由计算机辅助的超声波显微镜（C型扫描）适用于表面的检测、或者因机械加 工或处理损坏的陶瓷材料表面的检查、薄的试件和较厚试件限定区的容量检查。在对工程陶瓷材料的内部缺陷的检测中，传统的工程陶瓷的内部缺陷大多 采用水浸探伤法，以水浸纵波垂直探伤法检测缺陷时，波束路程可以直接读出。 为检出微小缺陷而采用高频率探头时，因超声波衰减大，往

15、往检不出缺陷，这时 改用较低频率的探头反而可以检出缺陷，最低频率的范围为20kHz2o0kHz。当 采用水浸斜角探头而使用横波时，其声速比纵波声速小，以此提高探伤的分辨能 力。多晶片散射波法是检测工程陶瓷内部缺陷的有效方法。如图5所示，在探头 内的透声楔周边排列多个晶片，使纵波垂直地射到被检工件上，以斜角接收反射 波时，由散射波的图像，利用反波恩（InveresBorn）近似，可推定缺陷尺寸。以 椭圆体缺陷为例，如果使接收晶片的数目N=25左右，可以较高的精度推定X、Y、 Z轴方向的缺陷尺寸。如表1所示。16现在使用C扫描法能方便地检测工程陶瓷内部缺陷的位置、大小和分布状 态。用25MHz的探

16、头对常压烧结的氮化硅进行C扫描，可发现表面下2mm深处 10um75um的线状缺陷。以15MHz的探头对氮化硅进行C扫描，可以检出30um 的气孔。以30MHz的聚焦型超声波对氧化锆进行C扫描,可清晰地检出尺寸在20um 以上的所有气孔。实验参数 半车由（um）N珞 叫 萤25394010150172627119549262812353619012256真值479747图5多晶片散射波法表1椭圆缺陷尺寸的推定精度相比常规的超声波检测方法，超声波显微照相术可以提供较高的横向和深 度方向的分辨度，可实现非常小的不连续点的检测，精确地定位，对细小裂纹可 形成逼真的图象，提高了实验数据的可靠性。但这受到讯号衰减、被