超聲檢測技術在坭興陶材料檢測中的研究

潘紹祥，劉 春

（廣西壯族自治區(qū)特種設備檢驗研究院欽州分院，廣西 欽州535000）

欽州坭興陶是欽州最名著名的特產(chǎn)之一，也被認定為目前廣西最具民族特色的二寶之一。坭興陶是硬脆材料，具備優(yōu)良的耐熱性能、耐磨性能和抗腐蝕性能等物理機械性能。坭興陶制品加工工序復雜，在制作或者后處理的工序中都可能會產(chǎn)生影響性能的缺陷，當表面存在10μm至60μm數(shù)量級的缺陷或者氣孔，就可能導致坭興陶制品在工作時發(fā)生破壞。例如，碳化硅材料在承受的負荷應力為686 N/mm~980 N/mm時，若表面存在30μm至50μm數(shù)量級的缺陷，材料就會遭受破壞[1]。因此，采用靈敏度較高的檢測技術對坭興陶材料缺陷進行全面檢測十分重要。

超聲檢測技術具有不改變陶瓷制品使用性能的前提下評價材料連續(xù)性和完整性，并且根據(jù)其特性可以較為全面地檢測坭興陶材料中存在的裂紋、夾雜、氣孔、凹坑等微觀缺陷及其形狀、大小和位置等信息。因此，超聲檢測技術適用于坭興陶材料檢測加工效率低而成本較高的缺陷情況。

1 超聲檢測的發(fā)展簡史和現(xiàn)狀

無損檢測技術經(jīng)歷一個世紀，盡管無損檢測技術本身并非一種生產(chǎn)技術，但其技術水平卻能反映該部門、該行業(yè)、該地區(qū)甚至該國的工業(yè)技術水平。超聲檢測技術作為五大常規(guī)檢測技術之一，由于其與其他常規(guī)無損技術相比，具有：被測對象范圍廣，檢測深度大；缺陷定位準確，檢測靈敏度高；成本低，使用方便，速度快，對人體無害以及便于現(xiàn)場使用等特點，因此世界各國都對超聲無損檢測給予高度的重視。目前，國外工業(yè)發(fā)達的國家的無損檢測技術已逐步從NDI和 NDT向NDE過渡。無損探傷（NDI）、無損檢測（NDT）和無損評價（NDE）是無損檢測發(fā)展的三個階段[2]。超聲波無損探傷是階級階段，他的作用僅僅是在不損零部件的前提下，發(fā)展其人眼不可見的內(nèi)部缺陷，以滿足工業(yè)設計中的強度要求。超聲波無損檢測是近20年來應用最廣泛的術語，它不僅是檢測最終產(chǎn)品，而且還要對生產(chǎn)過程的有關參數(shù)進行檢測。超聲無損評價是超聲波檢測發(fā)展的最高界，不但要求探測缺陷的有無，還要給出材質(zhì)的定量評價，也包括對陶瓷材料和缺陷的物理和力學性能的檢測及其評價。

2 超聲檢測的工作原理

超聲波是頻率高于（20×103）Hz的機械波。在超聲探傷中常用的頻率為（0.5×106~25×106）Hz.這種機械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面（如缺陷或被測物件的底面等）就會產(chǎn)生反射，這種反射現(xiàn)象可被用來進行超聲檢測[3]。超聲檢測就是先用發(fā)射探頭向被檢物內(nèi)部發(fā)射超聲波，再用接收探頭接受從缺陷處發(fā)射回來或穿過被檢工件后的超聲波，并將其在顯示儀表上顯示出來，通過觀察與分析發(fā)射波或透射波的時延與衰減情況，即獲得物體內(nèi)部有無缺陷以及缺陷的位置、大小和性質(zhì)等方面的信息。

以脈沖反射法為例。當采用脈沖反射法進行探傷時，脈沖振蕩器發(fā)出的電壓加在探頭上，探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過聲耦合介質(zhì)進入材料并在其中傳播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上。根據(jù)缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度，即可測定缺陷的位置和大致尺寸（其工作原理見圖1）[3]。除脈沖反射法外，還有用另一探頭在工件另一側(cè)接受信號的衍射時差法（TOFD）和穿透法。利用超聲法檢測材料的物理特性時，還經(jīng)常利用超聲波在工件中的聲速、衰減和共振等特性。

圖1 脈沖反射法工作原理示意圖

3 坭興陶材料缺陷的檢測

由于超聲檢測技術具有不改變坭興陶材料使用性能的前提下，判別出材料的彈性模量、密度差異、厚度等特性，并且根據(jù)其特性可以較為全面地檢測坭興陶材料中存在的裂紋、夾雜、氣孔、分層和凹坑等微觀缺陷及其形狀、大小和位置等信息。因此，超聲檢測是應用在坭興陶材料檢測的無損檢測方法中最廣泛的技術。

超聲C掃描利用超聲波在材料內(nèi)部的傳播特性，通過脈沖掃描采樣方法獲取不同層深位置的超聲特征信號，能較好地再現(xiàn)坭興陶材料或結構內(nèi)部的缺陷（氣孔、裂紋、夾雜和孔隙率等）分布或結構變化，從而為陶瓷材料應用和產(chǎn)品設計提供比常規(guī)超聲C掃描檢測更詳細的信息，深度方向超聲C掃描檢測技術具有明顯優(yōu)越的分辨力和小缺陷檢測能力[4]。由于該檢測技術能檢測陶瓷制品多層層疊整個深度內(nèi)的裂紋和不連續(xù)性，目前已在坭興陶材料工藝研究中得到廣泛應用，發(fā)揮了較好的作用。

掃描聲學顯微鏡（SAM）是提供坭興陶材料信息的一種非常有用的檢測工具，它無需復雜的樣品制備，就可無損地對材料表面及表層內(nèi)部成像而進行顯微分析，它能獨具特色地提供材料內(nèi)部結構及材料力學參數(shù)等重要材料性能參數(shù)[5]。具體地說，聲學掃描顯微鏡是一種多功能、高分辨率的顯微成像儀器，兼具電子顯微術高分辨率和聲學顯微術非破壞性內(nèi)部成像的特點，被廣泛的應用在物料檢測（IQC）、失效分析（FA）、質(zhì)量控制（QC）、質(zhì)量保證及可靠性（QA/REL）、研發(fā)（R&D）等領域，可以檢測陶瓷材料內(nèi)部的晶格結構、雜質(zhì)顆粒、內(nèi)部裂紋、分層缺陷、氣孔、空隙等，為陶瓷制品質(zhì)量鑒定提供客觀公正的微觀依據(jù)[6]。聲學顯微鏡的出現(xiàn)，彌補了其他現(xiàn)有微觀測試手段（如光學顯微鏡，掃描電子顯微鏡）的不足，從而使人們獲得了研究認識坭興陶材料結構的有力工具。

激光超聲陶瓷無損評價，克服了傳統(tǒng)耦合法難以適應在線檢測及高溫、高濕條件下的坭興陶檢測的缺點，具有非接觸性、定量、寬帶、多波型（能同時激發(fā)表面波、橫波、縱波）、時空分辨率高等優(yōu)點，使其既適于坭興陶制作過程監(jiān)測，又能對其成品進行質(zhì)量評價[7-8]。

4 結束語

綜上所述，無損檢測技術與人工智能、激光等技術有機結合以實現(xiàn)了對復雜形面復合構件的超聲掃描成像檢測，將現(xiàn)代數(shù)字信號處理與人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術用于超聲檢測可以較為全面地檢測坭興陶材料中存在的裂紋、夾雜、氣孔、凹坑等微觀缺陷及其形狀、大小和位置等信息。近年來，隨著人們對工業(yè)生產(chǎn)中陶瓷制品質(zhì)量意識和陶瓷材料壽命預測技術的不斷提高，超聲與斷裂力學知識相結合，對陶瓷材料的強度與剩余壽命進行評估等方面很有發(fā)展前景。

[1]田欣利，于愛兵.工程陶瓷加工的理論與技術[M].北京:國防工業(yè)出版社，2006.

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[3]羅登林，丘泰球，盧 群.超聲波技術及應用[J].日用化學工業(yè).2005，2006（5）:323-326．

[4]梁宏寶，朱安慶，趙 玲.超聲檢測技術的最新研究與應用[J].無損檢測，2008，（03）:174-177.

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[8]王洪博.復合材料構件的超聲無損檢測關鍵技術研究[D].北京：北京理工大學，2014.