翟玲玉，邢政鵬，馮金齡，李樂正，姜立平，孫增光

（山東工業(yè)陶瓷研究設計院有限公司，山東 淄博 255000）

0 引言

工業(yè)陶瓷是一種具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和耐沖刷等一系列良好性能的脆性材料，因其脆性大、抗沖擊性能和抗熱震性差等缺點，在產(chǎn)品、成品及在役產(chǎn)品檢測中，材料表面及亞表面缺陷常被作為關(guān)鍵的檢測項目。超聲波無損檢測作為一種常規(guī)的無損檢測技術(shù)，在工業(yè)陶瓷的檢測中得到了廣泛應用。

1 工業(yè)陶瓷

工業(yè)陶瓷，即工業(yè)生產(chǎn)用及工業(yè)產(chǎn)品用陶瓷，是精細陶瓷中的一類，該類陶瓷因其優(yōu)越的材料性能，被廣泛用于替代金屬材料和有機高分子材料[1]。目前應用較廣泛的有氧化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷和氧化鋰陶瓷等，各類工業(yè)陶瓷因其獨特的材料性能，在高溫爐爐管、內(nèi)燃機火花塞、火箭尾管噴嘴、汽輪機葉片和天線罩罩體等產(chǎn)品中得到了廣泛應用，如圖1 所示。

圖1 工業(yè)陶瓷制品

2 工業(yè)陶瓷無損檢測的必要性

工業(yè)陶瓷根據(jù)其工藝方法的不同，材料內(nèi)部組織存在多孔或致密的狀態(tài)，孔隙率高的工業(yè)陶瓷在生產(chǎn)過程中需要剔除不符合要求的氣孔，較為致密的工業(yè)陶瓷則容易在表面或亞表面出現(xiàn)微裂紋等缺陷[2]。同時，隨著科技的發(fā)展，制造業(yè)技術(shù)水平不斷提高，越來越多結(jié)構(gòu)復雜的工業(yè)陶瓷制品被不斷研制開發(fā)，新型幾何特征測量方法的開發(fā)也迫在眉睫。

工業(yè)陶瓷制品通常作為結(jié)構(gòu)件，在使用過程中對設備、產(chǎn)品組件起到保護、承載和傳遞信號的作用，因材料本身為脆性材料，抗沖擊性能、抗熱震性能較差，有研究表明，當工業(yè)陶瓷表面或亞表面存在10～60μm數(shù)量級的缺陷時，即可導致制品在工作時發(fā)生破壞，影響了產(chǎn)品功能甚至直接造成報廢，這類缺陷限制了工業(yè)陶瓷的發(fā)展與使用。

超聲無損檢測作為目前應用最廣泛的一項無損檢測技術(shù)，因非破壞性、穿透能力好、可實現(xiàn)在線檢測、檢測成本相對較低、檢測效率高等特點，在工業(yè)陶瓷的材料組織分析、幾何特征測量、產(chǎn)成品質(zhì)量狀況及在役產(chǎn)品的使用及損耗檢測中得到了廣泛應用[3]。

3 超聲無損檢測原理及過程

無損檢測技術(shù)即非破壞性檢測技術(shù)，就是在不破壞待測物質(zhì)原來的狀態(tài)、化學性質(zhì)等前提下，為獲取與待測物的品質(zhì)有關(guān)的內(nèi)容、性質(zhì)或成分等物理、化學情況所采用的檢查方法[4]。超聲無損檢測是常規(guī)無損檢測方法中的一種，它是由超聲波與試件相互作用，通過對產(chǎn)生的反射、透射和散射波的研究，對試件進行缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的一項無損檢測技術(shù)，具有非破壞性、檢測全面性及全程性等特點。

超聲波無損檢測的基本工作原理如下：聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進入被測件；超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；改變后的超聲波通過檢測設備被接收，并可對其進行處理和分析。根據(jù)接收的超聲波的特征，評估試件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。

4 超聲無損檢測在工業(yè)陶瓷檢測中的應用

4.1 超聲C 掃描

超聲無損檢測按顯示缺陷方式分為A 型、B 型和C 型，A 型掃描顯示的是某一點的缺陷情況，B 型掃描顯示的是缺陷在縱向截面的檢測情況，而C 型掃描顯示的是被掃描件整個橫向截面的掃描結(jié)果情況[5]。A 型及B 型掃描方式檢測結(jié)果顯示為波形圖，而C 型掃描檢測結(jié)果為成像圖，如圖2 所示。

圖2 超聲掃描圖

由圖2 可知，超聲C 掃描顯示結(jié)果可以較為直觀地反映材料缺陷的形狀、大小及具體位置，且可以清晰地顯示出所有的夾雜物，包括對X 射線不靈敏的非鐵夾雜物。在工業(yè)陶瓷檢測過程中，因其需要耦合劑或產(chǎn)品需要浸漬在設備容器中，需要考慮耦合劑及浸漬是否會對工業(yè)陶瓷材料制品本身產(chǎn)生影響[6]。其優(yōu)點是能檢測多層層疊整個深度內(nèi)的裂紋和不連續(xù)性，在對某些高氣孔率的工業(yè)陶瓷進行超聲C 掃描時，一般使用高頻來檢測小缺陷。

4.2 激光超聲無損檢測

激光超聲無損檢測技術(shù)是利用激光束照射被測樣件表面，激發(fā)出超聲波后利用光學方法對超聲波進行檢測，從而實現(xiàn)對樣品進行無損檢測的一種方法，其原理如圖3 所示。此種方法當激光的功率較大時，則會出現(xiàn)ablation，即表面會被打出東西來，對被測樣件產(chǎn)生損傷，因此對熱和沖擊敏感的材料難以應用。

圖3 激光超聲無損檢測原理

目前，激光超聲無損檢測常被用來檢測工業(yè)陶瓷材料的熱學性質(zhì)如熱導率、比熱容和熱膨脹系數(shù)等，因此類檢測均為采用試樣檢測，因此不會對產(chǎn)品本身產(chǎn)生影響。

4.3 空氣耦合式超聲波無損檢測

空氣耦合式超聲波無損檢測系統(tǒng)與傳統(tǒng)超聲無損檢測系統(tǒng)類似，可以通過對已有檢測系統(tǒng)進行適當改進來實現(xiàn)，它具有非接觸、非侵入和完全無損的特點，彌補了傳統(tǒng)超聲無損檢測方法使用專門耦合劑或水浸漬的不足[7]。它的反射方式有表面反射法、遙測法和底面反射法，如圖4。其檢測過程中超聲波的傳播主要受3 個方面的影響：超聲波在空氣中的衰減、超聲波的大量反射和超聲換能器的轉(zhuǎn)換效率。前兩者在空氣耦合式超聲波檢測條件下為自然現(xiàn)象，無法改變，因此空氣耦合式無損檢測主要技術(shù)在于研究超聲換能器。對工業(yè)陶瓷中聲阻抗超高的材料來說，空氣耦合式很難實現(xiàn)在線檢測，對這些材料的空氣耦合式無損檢測必須采用與其相匹配的超聲換能器等特殊機制來實現(xiàn)。

圖4 空氣耦合無損檢測法

目前，空氣耦合式超聲波無損檢測技術(shù)在國際上已完成了航空用復合材料膠粘情況的檢測、在役潛艇用復合材料損傷及退化情況檢測、紡織品涂層的不規(guī)則性檢測等試驗，并都取到了較好的效果。隨著工業(yè)陶瓷應用領域的不斷擴展，對工業(yè)陶瓷裸樣進行涂層、組裝粘接等，已成為其較為普遍的一個應用發(fā)展方向。隨著國內(nèi)及國際上該技術(shù)的研究及突破，未來空氣耦合式無損檢測技術(shù)會在工業(yè)陶瓷應用中得到更好的應用與發(fā)展[8]。

4.4 超聲掃描顯微鏡

超聲掃描顯微鏡是一種將高頻超聲波發(fā)射并傳遞到樣品內(nèi)部，通過采集到反射或穿透的超聲波能量信息或者相位的變化信息，來檢查樣品內(nèi)部出現(xiàn)的分層、裂縫或者孔洞等缺陷的超聲掃描方法[9]。它的分辨率較高，對樣品厚度沒有限制，但其受設備及工作方式限制，不適合完成在線檢測，常規(guī)超聲掃描顯微鏡設備如圖5。

圖5 超聲掃描顯微鏡

在工業(yè)陶瓷檢測中，超聲掃描顯微鏡常被用來檢測材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，也常用于檢測粘接界面的成像工作。利用超聲掃描顯微鏡可以獲得材料缺陷在不同深度層面上的超聲C 掃描圖像，二維聲學圖像可以顯示出缺陷在一定深度處的剖面圖像[10]。三維圖像可以得到缺陷的立體圖像、三維幾何尺寸和相對空間分布。

5 結(jié)語

超聲無損檢測克服了傳統(tǒng)耦合法難以適應在線檢測的缺點，從工業(yè)陶瓷內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的檢測、制品的生產(chǎn)質(zhì)量控制到在役產(chǎn)品的質(zhì)量狀況監(jiān)測，在工業(yè)陶瓷各個研制生產(chǎn)階段都得到了廣泛應用，隨著工業(yè)陶瓷材料應用的不斷擴展以及超聲技術(shù)的不斷發(fā)展與優(yōu)化，超聲無損檢測技術(shù)在工業(yè)陶瓷檢測和評價方面仍將繼續(xù)發(fā)展。