吳峻峰, 白 朔, 張海峰,, 賀曄紅,, 楊 堅(jiān), 魏天陽, 廉德良

(1.中國科學(xué)院金屬研究所,沈陽 110016;2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司,沈陽 110043)

近年來,隨著航空航天對材料性能要求的不斷提高,炭-石墨及其復(fù)合材料在航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用[1,2]。各向同性熱解炭(石墨)具有出色的力學(xué)性能、良好的自潤滑性、密封性、耐磨性、耐蝕性和耐疲勞性等一系列優(yōu)點(diǎn),其大尺寸塊體材料作為一種優(yōu)異的高性能機(jī)械密封材料和結(jié)構(gòu)材料,在航空、航天和船舶等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[3]。但在制造的過程中由于理論和工藝不完善等原因,在熱解炭材料的局部區(qū)域有時(shí)會(huì)形成孔隙、夾雜、裂紋等缺陷,這些缺陷對產(chǎn)品的可靠性危害極大,因此對熱解炭材料的無損檢測是其生產(chǎn)應(yīng)用中產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵工序。

超聲波是指頻率在20～103MHz之間彈性振動(dòng)波,具有束射、反射、傳播和轉(zhuǎn)換波形等特性。根據(jù)超聲波在材料內(nèi)部缺陷區(qū)域和正常區(qū)域的反射、衰減與共振的差異,來確定缺陷的位置和大小,根據(jù)材料的特點(diǎn)和實(shí)際探傷經(jīng)驗(yàn)來判斷缺陷的類型。利用超聲波不僅能檢測材料構(gòu)件中的分層、孔隙、裂紋和夾雜等缺陷,而且能判斷材料的均勻度、密度、取向、彈性模量、厚度等特性。在炭石墨材料領(lǐng)域,目前超聲無損檢測已經(jīng)廣泛用于 C/C復(fù)合材料及其它炭石墨制品的檢測,但是對各向同性熱解炭材料的無損檢測還未見文獻(xiàn)報(bào)道[4～9]。

本研究針對用于高性能機(jī)械密封領(lǐng)域的各向同性熱解炭材料,研究了各向同性熱解炭材料中易產(chǎn)生的缺陷及其生成原因,提出并設(shè)計(jì)了用于各向同性熱解炭材料內(nèi)部缺陷檢測的超聲檢驗(yàn)方法,并對實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行了檢測。目前該技術(shù)已成功地用于產(chǎn)品的批量探傷。

1 試驗(yàn)

利用XJG-05金相顯微鏡對各向同性熱解炭表面的微觀形貌進(jìn)行觀察。

選用MASTER SCAN-340型超聲波探傷儀,自制XYZ水浸三維移動(dòng)掃查裝置進(jìn)行超聲檢測試驗(yàn)。

2 各向同性熱解炭中的主要缺陷

各向同性熱解炭主要由0.5～2μm的顆粒狀碳結(jié)構(gòu)組成,顆粒之間連接緊密,材料中分布著一些均勻細(xì)小的封閉孔隙,沒有粗大的連通孔隙,材料的密度一般在1.8～2.0g/cm3之間[3]。如圖1a所示,在偏光金相顯微鏡下對質(zhì)量合格的各向同性熱解炭材料觀察發(fā)現(xiàn),材料的結(jié)構(gòu)均勻致密,有一些微孔均勻分布在材料中,材料無任何生長特征和光學(xué)活性。

在實(shí)際生產(chǎn)中,由于工藝條件的波動(dòng)等原因,材料中偶爾會(huì)出現(xiàn)一些缺陷。經(jīng)過大量的解剖研究發(fā)現(xiàn)各向同性熱解炭材料中的缺陷主要有以下三種：

2.1 各向異性夾雜

各向異性夾雜主要指的是材料中出現(xiàn)的具有光學(xué)活性的各向異性熱解炭雜質(zhì)。圖 1b是含有各向異性夾雜的熱解炭材料的顯微觀察,可以看到在均勻的各向同性熱解炭材料內(nèi)部存在著明顯的色澤光亮的各向異性條帶狀?yuàn)A雜,寬度約為 15～20μm。高倍下觀察發(fā)現(xiàn)夾雜是由互相平行的生長錐構(gòu)成,其在偏光下具有光學(xué)活性。

圖1 各向同性熱解炭材料中的缺陷 (a)無缺陷樣品; (b)各向異性夾雜;(c)裂紋;(d)各向同性夾雜Fig.1 Some typical defects of the IPyC smp les (a)no defect sample;(b)anisotropic inclusion; (c)the crack;(d)isotropic inclusion

各向異性熱解炭夾雜在材料中一般較少出現(xiàn),其產(chǎn)生的原因主要是由于沉積過程中爐內(nèi)溫度、碳?xì)錃怏w濃度等工藝條件的突然變化引起熱解炭結(jié)構(gòu)的變化。也可能是基體在反應(yīng)器內(nèi)距氣體入口較近,在該位置碳?xì)錃怏w停留時(shí)間較短,大分子聚集體還未充分形成且飽和度較低,導(dǎo)致了各向異性熱解炭夾雜的生成。

2.2 裂紋

各向同性熱解炭中的裂紋如圖 1c箭頭所示。通常情況下,裂紋在材料中也較少出現(xiàn),其產(chǎn)生的原因主要有三方面：①沉積的熱解炭層和基體石墨的熱膨脹系數(shù)不一致,使得材料在冷卻過程中受力破壞。②沉積結(jié)束后冷卻速率過快,使得材料高溫下形成的熱應(yīng)力不能完全釋放從而導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。③由于基體各處曲率不同以及沉積層厚度差異較大使得內(nèi)應(yīng)力分布不均勻,造成應(yīng)力在薄弱處釋放從而材料產(chǎn)生裂紋。

此外,在制品機(jī)械加工過程中加工工藝和工裝夾具設(shè)計(jì)的不合理,也可使制品產(chǎn)生裂紋。

2.3 各向同性夾雜

各向同性夾雜是實(shí)際生產(chǎn)中熱解炭最為常見的缺陷(圖1d中箭頭所指處)。其主要由炭黑夾雜和粗大孔隙組成,這兩者相伴而生,在材料內(nèi)部形成疏松的結(jié)構(gòu)。各向同性夾雜缺陷在材料中一般呈條帶狀或點(diǎn)狀分布,如果大面積分布,則會(huì)造成材料密度的明顯下降,往往通過檢測其密度就可以鑒別出不合格品。

各向同性夾雜缺陷的形成原因較為復(fù)雜。大面積的各向同性夾雜缺陷往往是由于沉積位置距離氣體入口較遠(yuǎn),碳?xì)錃怏w的濃度較高,氣體的流速過慢、反應(yīng)溫度過高以及床層面積不合適等多種因素造成的。在上述情況下,碳?xì)錃怏w分解過程中形成的聚集體在氣相中團(tuán)聚程度加大在基體表面沉積形成粗大的堆積孔,并且這些聚集體的沉積速率加快,導(dǎo)致形成的大孔來不及被小的生長單元填充就被其它大的聚集體團(tuán)覆蓋。同時(shí),上述情況還使得部分聚集體在氣相中完全脫氫碳化形成炭黑后和較大的聚集體共同沉積形成大面積的疏松結(jié)構(gòu)。相對而言,條帶狀和點(diǎn)狀分布的各向同性夾雜缺陷主要是由于沉積條件的短時(shí)間或者局部波動(dòng)造成的。

上述的三種缺陷都會(huì)大大降低材料的強(qiáng)度和綜合性能,縮短材料的使用壽命,甚至造成災(zāi)難性后果。因此在材料使用前對其進(jìn)行無損檢測就顯得極為重要。

3 各向同性熱解炭的無損檢測技術(shù)

為有效發(fā)現(xiàn)各向同性熱解炭制件內(nèi)部可能存在的三種缺陷,這里結(jié)合解剖后材料中缺陷的微觀特征,采用超聲脈沖反射法對三類缺陷的無損檢測機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)和分析,并且進(jìn)一步建立了完善的各向同性熱解炭材料的超聲檢測技術(shù)方案。

3.1 超聲脈沖反射法試驗(yàn)結(jié)果和分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖 2所示,5～15MHz的超聲波在熱解炭制件中具有良好的穿透性(如圖2b)。各向異性夾雜和裂紋對超聲波呈現(xiàn)良好的反射特性,可發(fā)現(xiàn)各向異性夾雜和裂紋的反射回波(如圖 2c)。各向同性夾雜缺陷對超聲波呈現(xiàn)良好的吸收和散射特性,會(huì)造成超聲底波的明顯下降甚至完全消失(圖2d)。

研究表明無缺陷的各向同性熱解炭是由顆粒狀碳結(jié)構(gòu)組成的,其結(jié)構(gòu)均勻致密,雖然內(nèi)部分布著細(xì)小的封閉孔隙,但其致密度可達(dá)到 90%以上。加上其制件在超聲波穿透方向的厚度較小(≦15mm),因而超聲波在傳播過程中衰減小,使材料具有良好的超聲波穿透性。

圖2 掃查和檢測波形圖 (a)圓筒狀樣品檢測實(shí)例;(b)無缺陷波形; (c)各向異性夾雜和裂紋波形;(d)各向同性夾雜波形Fig.2 Scanning and detection waveform (a)detection instance of cylind rical sample;(b)no defect waveform; (c)anisotropic inclusion and crack waveform;(d)isotropic inclusion waveform

從圖1b各向異性夾雜解剖照片可以看出,夾雜處和非缺陷區(qū)域之間存在明顯的界面,這種由互相平行的生長錐構(gòu)成的條帶狀的組織結(jié)構(gòu)和均勻分布各向同性的顆粒狀碳結(jié)構(gòu)形成了聲阻抗不同的界面。超聲波入射到這種聲阻抗不同的界面時(shí),會(huì)發(fā)生反射與透射現(xiàn)象,反射聲壓與透射聲壓的數(shù)值主要取決于不同的聲阻抗數(shù)值[10]。同樣,裂紋存在處與非缺陷區(qū)域之間也存在明顯的界面,它是由氣體薄層和均勻分布的顆粒狀碳結(jié)構(gòu)形成的,因?yàn)闅怏w與石墨的聲阻抗差別較大,超聲波會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的反射回波,也就是說對裂紋會(huì)有更高的檢測靈敏度。

從圖 1各向同性夾雜解剖照片可以看出,主要由炭黑夾雜和粗大孔隙構(gòu)成,成條狀或點(diǎn)狀分布,炭黑夾雜可理解由互相吸附的疏松顆粒狀碳結(jié)構(gòu)構(gòu)成,顆粒之間存在大量較大的孔隙,其致密度明顯低于均勻分布的互相融合的顆粒狀碳結(jié)構(gòu),這種孔隙和互相吸附的顆粒狀炭構(gòu)成眾多聲阻抗不同的小界面,超聲波傳播到這種界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生散亂的反射,引起超聲波衰減,造成底面回波高度的變化,孔隙度越大,衰減越嚴(yán)重,從而形成了底面回波下降或消失的現(xiàn)象。組織致密的無缺陷熱解炭制件,其內(nèi)部也存在均勻分布的微孔,這些微孔與顆粒狀炭結(jié)構(gòu)也構(gòu)成了眾多的小界面,同樣也會(huì)造成超聲波的衰減,但因其致密度較高,所以其衰減并不顯著。

3.2 熱解炭制件超聲檢測技術(shù)方案

3.2.1 超聲檢測方法的選用

選用脈沖反射法,根據(jù)制件的幾何形狀可采用直接接觸或水浸耦合的方式。但為最大程度的降低手工掃查、耦合因素等對結(jié)果造成的不良影響,本文采用水浸自動(dòng)化檢測的方法。并且根據(jù)制件的幾何形狀設(shè)計(jì)制作了專用的工裝夾具,采用計(jì)算機(jī)精確控制探頭的移動(dòng)和制件的旋轉(zhuǎn)等,保證聲束對制件的100%覆蓋。

3.2.2 對比試塊的制備

對比試塊的設(shè)計(jì)和加工是檢測的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其設(shè)計(jì)是否正確合理直接影響實(shí)驗(yàn)成功與否,同時(shí)對后續(xù)探傷的可靠性起著至關(guān)重要的影響。對比試塊采用材質(zhì)均勻,不含任何缺陷的各向同性熱解炭材料加工而成。根據(jù)被檢樣品的厚度和形狀我們設(shè)計(jì)制作多種具有人工反射體的試塊,用于調(diào)整探傷靈敏度和測試范圍、評定缺陷的當(dāng)量尺寸及保證經(jīng)驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)。

3.2.3 儀器和探頭的選擇

所選擇的儀器應(yīng)具有較寬的頻帶范圍(如 1～20MHz),并且最好配備具有B、C掃描功能的掃查裝置。探頭可根據(jù)制件的尺寸形狀選擇平探頭或點(diǎn)聚焦探頭,探頭頻率至少應(yīng)大于 5MHz。如果此類制件的尺寸相對較小,為在實(shí)際應(yīng)用中獲得較佳的近表面分辨率和較高的靈敏度,最好采用10MHz以上的寬頻帶窄脈沖探頭。

依照上述技術(shù)方案,對百余件板狀、圓環(huán)狀和圓筒狀制件進(jìn)行檢測,并采用解剖的方式進(jìn)行驗(yàn)證性微觀分析,結(jié)果表明：該種超聲波檢測技術(shù)可有效檢出大尺寸塊狀熱解炭制件中存在的各向異性夾雜、裂紋、各向同性夾雜缺陷。目前該技術(shù)已成功地用于各向同性熱解炭產(chǎn)品的批量探傷。

4 結(jié)論

(1)各向同性熱解炭材料中的缺陷主要有各向異性夾雜、裂紋和各向同性夾雜。

(2)利用脈沖反射法超聲波檢測技術(shù)可有效檢出大尺寸塊狀各向同性熱解炭制件中存在的各向異性夾雜、裂紋和各向同性夾雜缺陷。目前該技術(shù)已成功地用于各向同性熱解炭產(chǎn)品的批量探傷。

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