陶瓷及陶瓷基复合材料微缺陷的超声检测

　　陶瓷及陶瓷基复合材料以其优良的高温性能,特别是它的高熔点、耐磨损和轻重量的特点,成为发动机部件可选用的先进材料之一。其中陶瓷材料由于对微小缺陷过于敏感,难以获得可再现的可靠制件,目前已逐渐被陶瓷基复合材料所取代。陶瓷基复合材料是以陶瓷材料为基体,以陶瓷、碳纤维或难熔金属的纤维、晶须或颗粒为增强体,通过适当的复合工艺制成的复合材料。由于在陶瓷及陶瓷基复合材料的制造和使用过程中,一方面可能出现一些影响使用性能的缺陷,如微裂纹、孔隙和氧损伤等,另一方面纤维-基体界面的结合情况也会对材料的力学性能产生影响。因此需要研究相应的无损检测技术,一方面辅助进行工艺研究过程中的材料特性表征,为工艺改进提供数据;另一方面为构件的质量评定提供相应的检测手段。

　　微裂纹是陶瓷和层状陶瓷基复合材料易出现的缺陷。层状陶瓷基复合材料在制造和使用中,可能会产生裂纹,裂纹穿过基体层到达界面层时,裂纹将沿着界面偏转,成为界面裂纹,在更大载荷的作用下,裂纹会继续穿层扩展。裂纹的特征是在垂直表面和平行表面的方向上曲折前进。

　　本工作针对上述两种材料中存在的问题,重点研究了超声波检测方法对于微小缺陷的检测能力。试验主要采用了纵波垂直入射法和泄漏瑞利波法。

　　1　试验原理

　　1.1　纵波垂直入射法

　　微缺陷的检测通常采用的是超声脉冲反射法,即一定频率的超声波在材料中传播时,如遇到具有与材料不同声特性阻抗的界面(缺陷或底面),将产生反射信号,该信号被探头接收,并在荧光屏上显示出来。为了检测材料中的微小缺陷,关键是要提高小缺陷反射的超声信号幅度和信噪比。因而常利用聚焦探头水浸法检验。

　　在普通平探头的声场中,声束宽度在近场区约为换能器直径,在远场区则随着距离的增大逐渐加宽。对小缺陷来说,缺陷面积只占声束面积的一小部分,因此,缺陷反射信号较小;另一方面,声束穿过的材料体积较大,相应引起散射噪声也较大,使得信噪比较差。而带有聚焦透镜的探头,由于透镜的聚焦作用,使焦点附近能量高度集中,衡量聚焦声场特性的主要参数焦区长度L和焦点直径Φ由式(1)和(2)表示

　　式中λ为波长,F为焦距,D为换能器直径。例如,对10MHz、12mm晶片直径、125mm焦距的探头来说,焦点处声束直径只有1.5mm,焦区长度约65mm。因此,在焦区内可使小缺陷检测灵敏度大大提高,同时,由于声束变窄也使声场内组织散射信号明显减少,从而提高了检测信噪比。在这里,重要的是适当地选取探头与检测条件。