無損檢測技術在陶瓷材料檢測中的應用

李明科，陳衛民，李衛東，楊長明

河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南鄭州 450016

0 引言

眾所周知，陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、密度小等優良性能，在燃氣輪機、汽車、內燃機、熱交換器等各種工作機械或精密工具中制成各種零部件以取代傳統材料，應用前景十分廣闊。然而，陶瓷是典型的脆性材料，由于陶瓷材料制造工藝復雜工序多，即使在同樣的工藝條件下，各零件的強度差異也很大，成批生產時質量不易準確控制。

用于陶瓷材料無損檢測的方法除表面浸透檢測外，主要有：X射線層析成像、紅外熱成像、超聲A掃描及C掃描、聲發射、微焦點X射線、超聲顯微鏡等。近年來，這些方法已在自動化技術、探測器技術、信息處理和資料存儲等方面取得很大的進展，特別是用于航天航空領域的陶瓷基復合材料構件的制造中發揮著極為重要的作用。

1 無損檢測技術在陶瓷材料檢測中的應用

1.1 X射線層析成像法（X-CT）

（X-CT）的特點是：1）高的空間分辨率和密度分辨率（通常＜0.5%）；2）高檢測范圍（1mm～106mm）；3）成像的尺寸精度高，可實現直觀的三維圖像；4）在有足夠的穿透能量下，可不受試件幾何結構的限制等。局限性表現為：檢測效率低、檢測成本高、雙側透射成像，不適于平板薄件的檢測以及大型構件的現場檢測。基于它的特點，其用途主要歸結為以下幾個方面：1）非微觀缺陷的檢測；2）密度分布的測量；3）內部結構尺寸的精確測量；4）裝配結構和多余物檢測；5）三維成像與CAD/CAM等制造技術結合而形成的所謂反饋工程。

1.2 紅外熱成像法

在紅外無損檢測中，當物體受到熱激發時，熱量將在其內部進行傳遞。當物體內部存在缺陷時，就會改變物體表面的熱傳導特性，熱傳導特性的改變將會導致熱分布發生變化，從而使物體表面的溫度發生差異。用紅外熱像儀檢測出物體表面的這種溫度差異，即可判斷被測試樣中是否存在缺陷以及缺陷存在的情況。

紅外無損檢測是在非接觸、可遠距離操作條件下進行，它具有以下優點：1）靈敏度高，速度快；2）檢測儀器結構較簡單；3）使用安全，信號處理速度高，可建立自動檢測系統；4）受工件表面光潔度影響小；5）檢測用途廣泛。

1.3 超聲檢測

在陶瓷材料的無損檢測中，超聲檢測是應用最廣泛的技術，它不僅能檢測分層、氣孔、裂縫和夾雜等缺陷，而且在判別密度差異、彈性模量、厚度等特性和幾何形狀的變化方面也具有一定的能力。

激光超聲陶瓷無損評價，克服了傳統耦合法難以適應在線檢測及高溫、高濕條件下的陶瓷檢測的缺點，具有非接觸性、寬帶、定量、多波型（能同時激發縱波、橫波、表面波）、時空分辨率高等優點，使其既適于陶瓷制作過程監測，又能對成品進行質量評價。SLAM應用于重要部位陶瓷材料檢測，如航空、航天構件。它對面型、體積缺陷有很好的檢測能力，而且對內部裂紋及表面空穴的檢測也有較好的效果，但是構件的表面狀況對檢測可靠性有很大的影響。

陶瓷的超聲C掃描是檢測陶瓷內部缺陷位置、大小和分布狀態的有效方法，能檢測氣孔、裂紋、夾雜和孔隙率等，特別是可以清晰地顯示出所有的夾雜物，包括對X射線不敏感的非鐵夾雜物，可根據成像圖形測定缺陷的大小。超聲波掃描檢測精度高，但需要耦合劑和與部件兩面接觸，其優點是能檢測多層層疊整個深度內的裂紋和不連續性。常規C掃描受到陶瓷材料氣孔率的限制，在陶瓷檢測中，一般使用高頻來檢測小缺陷。掃描聲顯微鏡（SAM）比常規C掃描應用更為廣泛，它的工作頻率可達20mHz～200mHz，此時對表面及亞表面的檢測可分辨率可達1μm～2μm。SAM的特點如下：1）橫向分辨率高，縱向分辨率低，適用于測量與聲速垂直的面狀缺陷；2）可檢測曲面工件；3）靈敏度與檢測深度有關；4）對表面光潔程度需求較高；5）水中聲速和陶瓷中聲速差異使焦點變形大。信號處理技術應用于C掃描成像會更明顯改善成像效果，如信號平均、濾波技術、合成孔徑聚焦、時間渡越衍射、頻譜分析等都能改善散射或衰減造成的影響。

1.4 聲發射（AE）檢測

AE是對陶瓷材料進行無損檢測的一種有效的方法。它與超聲密切相關，被視為是一種很有潛力的檢測方法，特別是監測材料的固化和粘結情況，損傷程度定位以及預測最終強度方面很有發展前景。AE檢測具有以下特征：可檢測微裂紋；能檢測裂紋位置，可適用于復雜形狀的構件；由分析可得到微斷裂面積、開裂時間的定量資料。

1.5 微焦點X射線

微焦點X射線檢測有3種方法：1）接觸顯微射線照相，即按常規幾何射線照相，然后以光學或高倍放大射線照片；2）使用很小焦點的X射線設備，在射線照相過程中進行幾何放大；3）非對稱衍射，實際上是X射線透鏡，放大低能X射線圖像。

陶瓷顯微X射線照相檢驗可以揭示表面和內部的小尺寸缺陷，可以檢測的缺陷尺寸決定于在樣品厚度上出現的對比度和由檢測器的不清晰度及系統幾何結構決定的系統的空間分辨率特征。

2 結論

無損檢測技術（NDT）在檢測和評價陶瓷材料結構損傷和控制生產質量方面，仍將繼續發展。在陶瓷材料領域，NDT將逐漸成為全面質量管理中的重要一環，這對保證陶瓷材料在工作中安全運行將起到十分重要的作用。隨著儀器自動化程度以及數據處理技術水平的不斷提高，NDT不僅對缺陷探測愈加重要，而且將成為工藝控制的更有效的方法。

[1]沈建中.努力推進我國無損檢測事業的發展[J].無損檢測，2004(1).

[2]朱志芳.高儲能能陶瓷電容器電氣性能的研究[D].華中科技大學，2005.