無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在陶瓷材料檢測(cè)中的應(yīng)用

李明科，陳衛(wèi)民，李衛(wèi)東，楊長(zhǎng)明

河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)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(yōu)良性能，在燃?xì)廨啓C(jī)、汽車、內(nèi)燃機(jī)、熱交換器等各種工作機(jī)械或精密工具中制成各種零部件以取代傳統(tǒng)材料，應(yīng)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(fù)雜工序多，即使在同樣的工藝條件下，各零件的強(qiáng)度差異也很大，成批生產(chǎn)時(shí)質(zhì)量不易準(zhǔn)確控制。

用于陶瓷材料無(wú)損檢測(cè)的方法除表面浸透檢測(cè)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(fā)射、微焦點(diǎn)X射線、超聲顯微鏡等。近年來(lái)，這些方法已在自動(dòng)化技術(shù)、探測(cè)器技術(shù)、信息處理和資料存儲(chǔ)等方面取得很大的進(jìn)展，特別是用于航天航空領(lǐng)域的陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的制造中發(fā)揮著極為重要的作用。

1 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在陶瓷材料檢測(cè)中的應(yīng)用

1.1 X射線層析成像法（X-CT）

（X-CT）的特點(diǎn)是：1）高的空間分辨率和密度分辨率（通常＜0.5%）；2）高檢測(cè)范圍（1mm～106mm）；3）成像的尺寸精度高，可實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的限制等。局限性表現(xiàn)為：檢測(cè)效率低、檢測(cè)成本高、雙側(cè)透射成像，不適于平板薄件的檢測(cè)以及大型構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。基于它的特點(diǎn)，其用途主要?dú)w結(jié)為以下幾個(gè)方面：1）非微觀缺陷的檢測(cè)；2）密度分布的測(cè)量；3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的精確測(cè)量；4）裝配結(jié)構(gòu)和多余物檢測(cè)；5）三維成像與CAD/CAM等制造技術(shù)結(jié)合而形成的所謂反饋工程。

1.2 紅外熱成像法

在紅外無(wú)損檢測(cè)中，當(dāng)物體受到熱激發(fā)時(shí)，熱量將在其內(nèi)部進(jìn)行傳遞。當(dāng)物體內(nèi)部存在缺陷時(shí)，就會(huì)改變物體表面的熱傳導(dǎo)特性，熱傳導(dǎo)特性的改變將會(huì)導(dǎo)致熱分布發(fā)生變化，從而使物體表面的溫度發(fā)生差異。用紅外熱像儀檢測(cè)出物體表面的這種溫度差異，即可判斷被測(cè)試樣中是否存在缺陷以及缺陷存在的情況。

紅外無(wú)損檢測(cè)是在非接觸、可遠(yuǎn)距離操作條件下進(jìn)行，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）靈敏度高，速度快；2）檢測(cè)儀器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單；3）使用安全，信號(hào)處理速度高，可建立自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；4）受工件表面光潔度影響??；5）檢測(cè)用途廣泛。

1.3 超聲檢測(cè)

在陶瓷材料的無(wú)損檢測(cè)中，超聲檢測(cè)是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，它不僅能檢測(cè)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(wú)損評(píng)價(jià)，克服了傳統(tǒng)耦合法難以適應(yīng)在線檢測(cè)及高溫、高濕條件下的陶瓷檢測(cè)的缺點(diǎn)，具有非接觸性、寬帶、定量、多波型（能同時(shí)激發(fā)縱波、橫波、表面波）、時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，使其既適于陶瓷制作過(guò)程監(jiān)測(cè)，又能對(duì)成品進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。SLAM應(yīng)用于重要部位陶瓷材料檢測(cè)，如航空、航天構(gòu)件。它對(duì)面型、體積缺陷有很好的檢測(cè)能力，而且對(duì)內(nèi)部裂紋及表面空穴的檢測(cè)也有較好的效果，但是構(gòu)件的表面狀況對(duì)檢測(cè)可靠性有很大的影響。

陶瓷的超聲C掃描是檢測(cè)陶瓷內(nèi)部缺陷位置、大小和分布狀態(tài)的有效方法，能檢測(cè)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(duì)X射線不敏感的非鐵夾雜物，可根據(jù)成像圖形測(cè)定缺陷的大小。超聲波掃描檢測(cè)精度高，但需要耦合劑和與部件兩面接觸，其優(yōu)點(diǎn)是能檢測(cè)多層層疊整個(gè)深度內(nèi)的裂紋和不連續(xù)性。常規(guī)C掃描受到陶瓷材料氣孔率的限制，在陶瓷檢測(cè)中，一般使用高頻來(lái)檢測(cè)小缺陷。掃描聲顯微鏡（SAM）比常規(guī)C掃描應(yīng)用更為廣泛，它的工作頻率可達(dá)20mHz～200mHz，此時(shí)對(duì)表面及亞表面的檢測(cè)可分辨率可達(dá)1μm～2μm。SAM的特點(diǎn)如下：1）橫向分辨率高，縱向分辨率低，適用于測(cè)量與聲速垂直的面狀缺陷；2）可檢測(cè)曲面工件；3）靈敏度與檢測(cè)深度有關(guān)；4）對(duì)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(diǎn)變形大。信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于C掃描成像會(huì)更明顯改善成像效果，如信號(hào)平均、濾波技術(shù)、合成孔徑聚焦、時(shí)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(fā)射（AE）檢測(cè)

AE是對(duì)陶瓷材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的一種有效的方法。它與超聲密切相關(guān)，被視為是一種很有潛力的檢測(cè)方法，特別是監(jiān)測(cè)材料的固化和粘結(jié)情況，損傷程度定位以及預(yù)測(cè)最終強(qiáng)度方面很有發(fā)展前景。AE檢測(cè)具有以下特征：可檢測(cè)微裂紋；能檢測(cè)裂紋位置，可適用于復(fù)雜形狀的構(gòu)件；由分析可得到微斷裂面積、開裂時(shí)間的定量資料。

1.5 微焦點(diǎn)X射線

微焦點(diǎn)X射線檢測(cè)有3種方法：1）接觸顯微射線照相，即按常規(guī)幾何射線照相，然后以光學(xué)或高倍放大射線照片；2）使用很小焦點(diǎn)的X射線設(shè)備，在射線照相過(guò)程中進(jìn)行幾何放大；3）非對(duì)稱衍射，實(shí)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(yàn)可以揭示表面和內(nèi)部的小尺寸缺陷，可以檢測(cè)的缺陷尺寸決定于在樣品厚度上出現(xiàn)的對(duì)比度和由檢測(cè)器的不清晰度及系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)決定的系統(tǒng)的空間分辨率特征。

2 結(jié)論

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（NDT）在檢測(cè)和評(píng)價(jià)陶瓷材料結(jié)構(gòu)損傷和控制生產(chǎn)質(zhì)量方面，仍將繼續(xù)發(fā)展。在陶瓷材料領(lǐng)域，NDT將逐漸成為全面質(zhì)量管理中的重要一環(huán)，這對(duì)保證陶瓷材料在工作中安全運(yùn)行將起到十分重要的作用。隨著儀器自動(dòng)化程度以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)水平的不斷提高，NDT不僅對(duì)缺陷探測(cè)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(jìn)我國(guó)無(wú)損檢測(cè)事業(yè)的發(fā)展[J].無(wú)損檢測(cè)，2004(1).

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