您当前的位置:检测资讯 > 科研开发

金属基复合材料的无损检测详解

嘉峪检测网        2022-10-10 15:06

金属基复合材料一般为双组份结构且制造工艺复杂,容易产生各种缺陷和结构不连续性。为了确保材料和制品的质量,自金属基复合材料问世以来,国外就积极开展了有关无损检测技术的研究,近年来国内也开展了一些研究工作。所涉及的方法主要有:超声波法、软X射法、声发射法、表面渗透法、涡流法、声学振动法、机械阻抗法、工业CT法以及声学显微镜、激光电子散斑、热波成像等。

 

金属基复合材料的缺陷表征方法不仅有别于一般材料而且对不同的增强剂和基材也会有所不同。近年来发展了许多可用于金属基复合材料的无损检测新方法,其各有特点和适用范围,应用时需根据缺陷和损伤的特点来予以选择。但当前对金属基复合材料主要的无损检测方法仍是超声、射线照相和声发射法。

 

超声检测法

 

超声波由于具有方向性好、能量高、能在界面上产生反射、折射和波型转换以及穿透能力强等特点,与其他技术相比具有检测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确等优点。

 

金属基复合材料的无损检测详解

 

图1 超声检测示意图

 

在纤维增强金属基复合材料中可以用来检测材料损伤过程中微观结构和性能的变化并判断缺陷的发生,同时结合其它材料分析手段来评估材料力学性能下降过程及失效机理[2]。

 

超声波反射法是利用材料中的不连续性对超声波的反射回波进行检测。这种方法通常对其平面垂直于声束的不连续性尤其敏感,因此特别适合于检测复合材料中平行于试件表面的层状不连续性。对于圆管类试件,可使声束沿管子的轴向和周向两个方向倾斜入射,此时超声横波在管壁内沿锯齿形路线传播,可以检测出管子中多种方向的不连续性。

 

声发射(AE)检测法

 

原理

 

从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面,引起可以用声发射传感器探测的表面位移,这些探测器将材料的机械振动转换为电信号,然后再被放大、处理和记录。根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。

 

金属基复合材料的无损检测详解

 

图2 声发射(AE)检测法原理图

 

连续纤维增强金属基复合材料中声发射源主要有纤维断裂、基体裂纹、纤维-基体界面脱粘、纤维拔出等,通过对声发射信号进行分析(参数分析和波形分析)可以判断材料在变形、失效过程中的损伤累积,鉴别失效机制和确定损伤位置。

 

射线检测法

 

射线检测(Radiographic Testing),业内人士简称RT,是工业无损检测(Nondestructive Testing)的一个重要专业门类。射线检测主要的应用是探测工件内部的宏观几何缺陷。按照不同特征,可将射线检测分为多种不同的方法,例如:X射线层析照相(X-CT)、计算机射线照相技术(CR)、射线照相法,等等。

 

第一行左起一:固定式磁粉探伤机;第一行左起二:射线检测室的防护屏蔽门。 

 

第二行左起一:便携式X射线管;第二行左起二:A型显示的模拟式超声波探伤仪。 

 

金属基复合材料的无损检测详解

 

图3 射线检测相关设备

 

对金属基复合材料来说,射线检测法是一种重要的无损检测方法,主要分为X射线照相法、X射线计算机层析扫描法(CT)、X射线实时成像法、康普顿背散射成像(CST)及中子衍射法等。X射线法可检查金属基复合材料中孔隙、夹杂、疏松等体积型缺陷且效果显著,同时还能检测出增强体分布的均匀性。但对分层缺陷的检测很困难,对检测工件的厚度有一定的限制,通常只能检测与试件表面垂直的裂纹。

 

CT技术是80年代发展起来的先进的无损检测技术,适合于金属基复合材料内部缺陷(裂纹、夹杂物、气孔和分层等)、密度分布(材料均匀性、微气孔含量)等测量。早在80年代,杜邦公司[4]就已应用工业CT检测金属基复合材料。由于工业CT密度分辨率和空间分辨率比射线照相法要高一个数量级以上,因此它对各种缺陷的检出能力大大优于射线照相法。

 

CT检测的主要缺点是价格昂贵,使其在生产中的应用受到了一定的限制。

 

以铝基复合材料为例,我们来看看对于金属基复合材料需要进行哪些无损检测:

 

铝基复合材料缺陷类型与产生原因

 

铝基复合材料的缺陷类型一般包括:孔隙、夹杂、裂纹、纤维断裂、分层、纤维/基体界面结合不好、偏析、界面浸润性差、颗粒团聚等,其中孔隙、分层、夹杂、裂纹、团聚是最主要的缺陷,材料中的缺陷可能只是一种类型,也有可能是好几种类型的缺陷同时存在。

 

铝基复合材料中缺陷产生的原因是多种多样的,有铸造工艺不当的原因,有环境因素方面的原因,也有运输、使用不当的原因。对缺陷产生原因进行准确分析,可以有效地采取预防与控制措施,减少缺陷形成的概率[5-6]。

 

孔隙

 

孔隙是铝基复合材料成型过程中形成的孔洞,是铝基复合材料的主要缺陷之一。产生孔隙的主要原因有:①搅拌和浇铸过程中卷入了气体;②界面浸润性差,空气难以挤压出去;③颗粒表面吸附的气体;④成型工艺不合理。

 

对性能的影响

 

孔隙是铝基复合材料成型工艺中普遍存在的问题,即使孔隙含量很小,对材料的许多性能都会产生有害的影响[5]。铝基复合材料中的孔隙主要影响材料的层间剪切强度、纵向和横向弯曲强度与模量、拉伸强度与模量、压缩强度与模量等性能。

 

分层

 

分层是指铝基复合材料中界面间的脱粘或开裂,也是铝基复合材料结构中典型的缺陷,形成分层的主要原因有:①基体与纤维间热膨胀系数不匹配或储存时间过长;②增强材料未经处理;③外界撞击;④含胶量过低;⑤固化工艺不合理;⑥二次成型界面粘结强度偏低。

 

对性能的影响

 

分层是铝基复合材料中最为严重的缺陷类型,它通过降低材料的压缩强度和刚度影响结构的完整性,在承受机械或热载荷的条件下,结构中的分层会发生传播,情况严重时将可能导致材料发生断裂。

 

夹杂

 

夹杂产生的原因主要包括:①浇注模具本身含有夹杂;②铝液在高温熔炼和浇注过程中,会不断产生一次和二次氧化生成Al2O3夹杂,这些夹杂吸附增强颗粒,形成夹杂颗粒团[7]。

 

对性能的影响

 

夹杂对铝基复合材料断裂韧性、层间剪切强度、弹性模量、拉伸强度影响都较大,在材料加工过程中,应进行严格的有效控制。

 

裂纹

 

裂纹也是铝基复合材料中最为常见的一种缺陷形式。产生的原因主要包括:①固化工艺不当;②外界撞击;③疲劳损伤;④基体环境老化等。

 

颗粒团聚

 

颗粒团聚是铝基复合材料独有的较为特殊的缺陷。颗粒加人方式的不正确和搅拌工艺参数的不合理是造成颗粒团聚的主要原因。另外,使用过程中的过载或疲劳可能引起纤维断裂;应力疲劳与基体老化可能导致纤维与基体界面开裂。

 

对性能的影响

 

颗粒团聚会降低材料的弹性模量、产生疲劳裂纹、导致应力集中、使疲劳裂纹产生偏转;还会影响材料的延展性,断裂韧性。

 

铝基复合材料常用的无损检测方法

 

铝基复合材料中的缺陷,用常规的机械与物理方法一般不能满足检验精度要求,也不能采用破坏性实验方法进行检测,必须对其进行无损检测。可应用于铝基复合材料结构中缺陷无损检测的方法有很多,包括声发射法、声学振动检测法、超声波检测、射线检测法、液体渗透法等[8]。各种方法的适用范围及优缺点列于表1。

 

表1  铝基复合材料无损检测方法比较

 

金属基复合材料的无损检测详解

 

由此可见,适用于铝基复合材料结构的无损检测技术很多,不同的检测技术对不同类型缺陷的敏感性差别很大,同时还与结构的材料类型、制造工艺、材料结合方式、壁厚等因素密切相关。应根据材料中可能存在的缺陷类型以及缺陷所处的大概深度、取向等因素选择适当的方法进行检测。本文主要综述超声波检测法、射线检测法在Al2O3短纤维增强铝基复合材料(Al203/Al)及SiC增强铝基复合材料(SiC/Al)无损检测中的实际应用。

 

超声波检测技术

 

超声波发射法

 

用颗粒或晶须增强的SiC/Al复合材料坯料及用坯料制成的挤压件、锻件和板材,特别适合于采用超声波反射法进行检验,目前已在生产中应用,如美国ACMC公司等。而用纤维增强的SiC/Al材料,因厚度一般较薄且表面不平整,用反射法检测较困难[9]。

 

超声波速度法

 

一些研究工作表明,超声波的传播速度与铝基复合材料的孔隙率、增强体含量和各向异性等因素有关,也与材料的杨式模量、增强体与基体晶粒尺寸比有关。

 

P.L.Rohatgi利用脉冲反射法对陶瓷颗粒增强的铝基复合材料的纵波声速进行了测量,得到了纵波声速与增强体体积分数之间的关系,如图4所示[7]。Yong—MooCheong等人对粉末冶金制备的SiCp/Al进行了研究,通过测量材料不同方向的横波、纵波、准横波和准纵波的波速对弹性常数矩阵进行求解,进而得到了不同SiCp体积百分比试样的杨氏模量和泊松比[8]。

 

金属基复合材料的无损检测详解

 

(由左至右Si含量分别为10%、15%、20%、25%、30%)

图4 SiC/p均匀性检测图像

 

超声波衰减法

 

测量超声衰减的技术通常有试件背面回波法、穿透法和反射板法(两次穿透法)等。美国西屋研究与发展中心,研究了SiC(晶须)/Al复合材料锻件试样的超声衰减与材料断裂韧性的关系,如表2所示[9]。表中试件背面反射回波的次数代表了材料声衰减的大小,反射次数愈少说明衰减愈大。该中心根据反射次数的多少对材料确定了优、良、差三个等级。

 

国内魏勤等人在1.25MHz、2.5MHz、5MHz和10MHz4种频率下分别对SiC含量为5%、7%、9%和12%的4种6066型SiCp/Al试样进行了超声波衰减系数与SiC增强体体积百分比之间对应关系的研究,并得出了相应的对应表达式。

 

表2实测的断裂韧性与声衰减(背面反射次数)的关系

 

金属基复合材料的无损检测详解

 

超声波C扫描检测

 

超声波检测技术,特别是超声C扫描,由于显示直观、定量方便、检测精度高等特点,已成为铝基复合材料及其构件普遍采用的检测技术。

 

特拉华州立大学的IanHall等人对含有Al2O3纤维增强铝基复合材料平板式试样进行了超声波C扫描成像,图像中可清晰地发现纤维断裂[7]。

 

魏勤等人利用超声波C扫描对SiCp颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)平板试样进行了检测,图像中可以清晰地看出材料中团聚和孔洞。下图为Al2O3/Al复合材料活塞镶环粘结质量超声波C扫描检测研究,图5为气孔、分层两种缺陷的超声波C扫描成像。

 

金属基复合材料的无损检测详解

 

图5气孔、脱粘缺陷的C扫描图像

 

射线照相检测

 

射线检测法特别适合于检测铝基复合材料中的孔隙、夹杂等体积型缺陷。这种方法对垂直于材料表面的裂纹具有较高的检测灵敏度和可靠性,但是对分层缺陷的检测很困难,对平行于材料表面的裂纹射线检测技术也不敏感。在所有的射线检测技术中,胶片射线照相技术应用最为广泛,该技术已经比较成熟,许多国家都建立了针对铝基复合材料的胶片射线照相技术规范或标准。

 

在Al基复合材料的研究和检测中,基于工业CT的特点,其用途主要可以归结为:检测孔隙、夹杂、夹渣、裂纹等各种缺陷;能够给出扫描物体断层面内材料密度的二维空间分布,通过分析断层面内密度分布,就可以获得复合材料内部密度均匀性、微孔隙体积含量与分布等方面的信息。

 

早在80年代,杜邦公司就已应用工业CT检测金属基复合材料。由于工业CT密度分辨率和空间分辨率比射线照相法要高一个数量级以上,因此它对各种缺陷的检出能力大大优于射线照相法。

 

下图为Al2O3/Al铝基复合材料活塞内冷油道铸造缺陷的工业CT检测研究,图6为某只Al2O3/Al活塞油道典型CT扫描图像,图7为另一只Al2O3/Al活塞油道中发现有铝的CT图像。

 

利用工业CT技术可在不破坏制品的情况下对较精密制品的装配质量进行高精度、高效率检测,从而保证制品的装配质量。Digiray公司研制了一种无底片系统实时产生三维图像来显示金属基、陶瓷基以及其它复合材料的腐蚀和损伤情况,该系统已用作F—117战斗机的质量保证系统。

 

金属基复合材料的无损检测详解

 

图6油道典型CT图像

 

金属基复合材料的无损检测详解

 

图7油道中有铝的CT图像

 

利用工业CT检测技术对制品内部密度分布状况进行综合定量评价,是缺陷定性的重要途径。通过密度标定,可以实现对制品中的缺陷进行定性、定量分析,找出缺陷的形成机理,给生产部门及时准确地提供制品的质量信息,为工艺改进提供依据。

 

结语

 

缺陷的存在对复合材料结构的使用安全构成极大威胁。不同的检测技术都具有各自不同的优点和使用局限性,在检测方法选择时,应综合材料结构、尺寸、结合方式、制造工艺以及缺陷的类型、取向和检测效率、要求的灵敏度、检测成本等方面的因素。

 

分享到:

来源:材料PLUS