铝基复合材料粘结质量超声C扫描检测技术

　　随着发动机向大功率、高转速、低能耗方向的发展，对活塞质量提出了越来越高的要求[1]。活塞产品先后经历了锻造铝活塞、高镍奥氏体铸铁镶环铝活塞、带内冷却油道的镶环铝活塞、电子束焊接铝活塞等发展阶段。近年来，随着材料科学的发展，Al2O3纤维增强铝基复合材料应用研究取得了显著进展。

　　Al2O3纤维增强铝基复合材料镶环活塞具有镶环和铝基体结合强度高、耐磨性好、重量轻、成本低等优点，将成为新一代的高性能活塞，在大马力发动机上有重要应用前景，其成品示意图如图1所示。由于Al2O3纤维增强铝基复合材料活塞制造工艺的复杂性，难免产生Al-Al2O3结合面缺陷如孔洞、镶环粘结不良等，这些缺陷在活塞使用过程中会使产品结构出现离散，严重影响构件的机械性能和完整性。缺陷导致材料的强度和刚度等力学性能受到严重的削弱，使活塞在服役过程易受破坏，导致严重事故的发生[2]。目前针对Al2O3纤维增强铝基复合材料活塞质量的检测基本上采用简单的渗透检测法，这种方法只能检测出镶环表面裂纹缺陷，如图2所示，对镶环粘结质量缺陷的检测还没有切实可行的无损检测方法。

　　早在80年代，德国马勒公司就成功解决了电子束焊接活塞结合质量的超声波检测问题，能检测出镶环上、下侧面、背部结合面的结合率，并对外销售活塞超声波无损检测设备。90年代以来，我国某所针对电子束焊接活塞的无损检测开展了大量的研究工作，研制了检测设备、并制定了《电子束焊活塞焊缝的超声波检测方法》等检测标准。但是，迄今为止有关铝基复合材料活塞的无损检测，国外相关报道还是很少。从公开发表的文献上也没有见到相关的介绍。由于Al2O3纤维增强复合材料活塞的结合面从制造工艺、组织特性、声学特性等方面与锻造铝活塞、高镍奥氏体铸铁镶环铝活塞、带内冷却油道的镶环铝活塞、电子束焊接铝活塞都有很大的差别，因此需要对其超声波工艺、方法进行系统的研究。在过去的几年里，我国某研究所采用了工业CT对Al2O3纤维增强铝基复合材料镶环活塞顶部及裙部进行质量检测，并取得了较好的应用效果。但是，采用工业CT存在两方面缺点，一是射线穿透能力不够，另一方面成本高。

　　超声C扫描，由于具有显示直观、定量方便、检测精度高等特点，已成为铝基复合材料普遍运用的检测技术之一，该技术通过控制闸门的位置和宽度，可以显示出工件特定深度范围内的缺陷信息。与手动超声A扫描检测技术相比，基于计算机控制的自动化超声C扫描成像检测方法，不仅可以节省人力，更重要的是能保证检测的重复性和检测结果的可靠性、准确性[3-4]。因此，通过研究Al2O3纤维增强铝基复合材料活塞镶环粘结质量的超声波C扫描检测技术对提高缺陷定位、定性及定量的准确性，确保批量生产中活塞的质量和产品的可靠性具有十分重要的意义。