超聲C掃描成像系統(tǒng)在SiC_p_Al復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用

1、第18卷第4期材料開發(fā)與應(yīng)用2003年8月7C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第18卷第4期材料開發(fā)與應(yīng)用2003年8月:1003- 1545 (2003) 04-0038-04分析與測試7C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第18卷第4期材料開發(fā)與應(yīng)用2003年8月7C 1994-2010 China Academic Journ

2、al Electronic Publishing House. All rights reserved 第18卷第4期材料開發(fā)與應(yīng)用2003年8月超聲c掃描成像系統(tǒng)在SiCp/Al復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用魏 勤I,張迎元2,樂永康'，尤建飛'（1 華東船舶工業(yè)學(xué)院値江212003; 2洛陽船舶材料研究所洛陽471039）:應(yīng)用超聲C掃描系統(tǒng)對SiCp/Al負合材料進行無損檢測提供了一種能夠直觀顯示崑合材料內(nèi)部缺 陷截面圖的檢測方法?？梢愿鶕?jù)所得到的圖形確定材料中缺陷的尺寸和形狀.并根據(jù)缺陷形狀和分布判定缺 陷的性質(zhì).:SiC；/Al負合材料:超聲C掃描成像系統(tǒng):無損檢測:TG1

3、15.28*5:AApplication of Utrasonic Gscanning System in Al/SiCpComposite Nondestructive InspectionWei Qin , Zhang Yingyucuf , Le ongkang , You Jianfei(1 East China Shipbuilding Institute Zlicngjiang 212003 , China)(2. Luo yang Ship Materials Research Institute .471039 . China)Abstract: The ultrasonic

4、Cscanning system was adopted in SiQ/Al composite nondestructive inpeclion. By using tliis method. the sectional profile of the defects inside of the oonipasitc could be presented visually and the size and configuration could be judged so that the nature of the defects could be determined with refere

5、nce to their distribu- lion.Key wrds: Si CL/Al metcil matrix composite: Ultrasonic C-scanning system iNondestruclive inspection7C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第18卷第4期材料開發(fā)與應(yīng)用2003年8月7C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. Al

6、l rights reserved 第18卷第4期材料開發(fā)與應(yīng)用2003年8月Al/SiQ復(fù)合材料是一種綜合性能優(yōu)秀的復(fù) 合材料然而由于制造工藝不完善，常常導(dǎo)致材料 出現(xiàn)缺陷（比如孔洞、SiQ,顆粒分布不均勻等）o 缺陷會嚴重削弱材料的力學(xué)性能因此有必要對 其進行嚴格的檢測和控制。因為Al/SiQ復(fù)合材 料具有高阻尼的特性.聲波能量損失較大.反射回 波幅度小采用傳統(tǒng)的超聲波方法進行無損探測 比較困難。鑒于以上原因選用裝有聚焦探頭的 超聲C掃描成像系統(tǒng)對這種復(fù)合材料進行超聲 檢測，由于它具有聲束細、聲能集中、分辨力和信 噪比高等優(yōu)點并且可以得到缺陷的橫截面圖.閔 此有望實現(xiàn)對缺陷的尺寸和形狀的準

7、確分析并 結(jié)合缺陷的分布狀態(tài)判定缺陷的性質(zhì)為改進制收稿日期：2003-01-13備工藝提供參考。1超聲c掃描成像系統(tǒng)超聲C掃描成像裝置是將徹機與傳統(tǒng)的超 聲波探傷儀結(jié)合起來。它主要由4部分組成:機 械傳動機構(gòu)和水箱超聲波C掃描控制器.超聲 波C掃描探傷儀以及微機。其結(jié)構(gòu)方框圖如圖1 所示。微機控制傳動機構(gòu)并負責數(shù)據(jù)采集、存貯、 處理以及圖形顯示。機械傳動裝置使探頭位置與 X和Y兩個電位器相聯(lián)并分別與計算機顯示圖 形的X和Y位置相對應(yīng)。探頭在工件上縱橫交 替掃査整個自動掃描過程由掃描控制器控制完 成。計算機采集的數(shù)據(jù)是來自超聲探傷儀的模擬 信號和掃描控制器的位賈信號。為了檢測出工件7C 1994

8、-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第18卷第4期魏 勤等:超聲C掃描成像系統(tǒng)在SiCp/AI星合材料無損檢測中的應(yīng)用39內(nèi)部的微小缺陷超聲波探傷儀必須具有寬頻帶 和較髙的分辨率通?？梢杂寐暿劢沟姆椒ㄒ?縮小聲束截面來進行補償。超聲C掃描成像系 統(tǒng)的聲束聚焦通常由聚焦探頭來完成的。本系統(tǒng) 是將超聲檢測與微機控制、數(shù)據(jù)采集、存貯、處理、 圖像顯示集合在一起的技術(shù)對缺陷定性和定量 研究更加方便而且將檢測結(jié)果存入計算機隨時 調(diào)用、分析和評定。用超聲C掃描成像系統(tǒng)對工 件進行超聲無

9、損檢測可以擺脫僅僅依靠觀察脈沖 反射波來分析判斷缺陷位置、形狀、大小和性質(zhì)的 傳統(tǒng)檢測方法，還可以避免檢測人員的主觀隨意 性和工作失誤，提供比較客觀的準確的探傷數(shù)據(jù)0圖1超聲C掃描成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2超聲C掃描成像系統(tǒng)在SiCp/Al 復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用在對SiCp/Al復(fù)合材料檢測之前.應(yīng)該了解 系統(tǒng)中的聚焦探頭的聲壓分布。通常可以由聚焦 探頭所發(fā)出的超聲波的聲場特性來確定缺陷的大 小和形狀。因為在探傷過程中只用到相對聲壓, 所以對聚焦探頭的聲壓進行歸一化處理。對于聚 焦探頭(如圖2所示)焦平面上離焦點S點處的 A點的歸一化聲壓幅度分布為山:P(PPnux(1)式中：Pz為聲場中最大的聲

10、壓即振源處的聲 壓。X為第一階貝塞耳函數(shù)丄為波數(shù)知為R/F的反正弦R為透鏡孔半徑尸為焦距.為焦平面內(nèi)點A距焦點S的距離。在焦點附近的軸線上離焦點S為1的B點 的聲壓幅度分布為：sin(kE 訂 2)(2)A0o/2圖2聚焦探頭在焦點附近的聲壓根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理整個探頭在焦平 面上某一點所建立的聲壓等同于在這一點上的點 聲源在整個探頭上所建立的聲壓所以一個收發(fā) 兼用聚焦探頭測得的在焦平面上A點的小球反 射聲壓與焦點處的小球反射聲壓(以焦點處的小 球反射聲壓為1)之比為：2L(也 m )P()dB=201g7=201g嘰riIF)1 2-201gl 1當聲壓比為6dB時,計算得m-6dB =

11、0.48(3)(4)式中D = 2R為聚焦探頭的孔徑。定義e為 聚焦探頭的焦柱直徑：*二2 一間二0.96卡(5)同理在軸線上距離焦點為/的小球反射聲 壓與焦點處的小球反射聲壓之比為:P( /)sin(Rf)：/2)dB=201g=20-( 0)2«201gi r(6)當比值為6dB時,/.6« = 1.69( FID)1 Q定義L為聚焦探頭的焦柱長度":L =2/.«4 (彳尸(7)由此可以知道在焦點附近聲壓分布存在著 一個直徑等干化長度為L的焦柱，如圖3所示。 在焦柱內(nèi)，聲壓無突變現(xiàn)象我們可以通過這個焦 柱確定缺陷的尺寸。將直徑小于聚焦探頭焦柱直徑的

12、小球放在焦 柱之內(nèi)進行掃描設(shè)小球回波幅度最大時探傷儀© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel第18卷第4期魏 勤等:超聲C掃描成像系統(tǒng)在SiCp/AI星合材料無損檢測中的應(yīng)用#C +!« dB圖4確定缺陷的尺寸”/2后與前面一次得到的圖形輪廓線重合如圖 B區(qū)域的輪廓就是真實缺陷在該靈敏度下的輪 廓W這樣我們就可測出缺陷的尺寸和形狀 To由干是水浸聚焦探傷首先用試驗測量探頭 在工件中的焦柱直徑。用頻率為2.5MHz.孔徑 為14mm的聚焦

13、探頭對含SiQ10%（）的6061 型鋁合金中直徑為1 -4mm的人工缺陷進行檢測。 將系統(tǒng)和檢測參數(shù)調(diào)整好,掃描的面積為30mmXSOmm .相鄰色彩之間dB差為3dB 參考等級為 138 步進電機的步徑為0. 50mm ,并將人工缺陷 放置適當?shù)奈恢眠M行檢測然后分別在原來位置 偏上和偏下位置再進行檢測.得到圖5 （彩色）o 根據(jù)上面的論述可知圖5中間位置檢測圖中的 圓形區(qū)域尺寸即為焦柱直徑。 24 dn© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel

14、第18卷第4期魏 勤等:超聲C掃描成像系統(tǒng)在SiCp/AI星合材料無損檢測中的應(yīng)用#© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel第18卷第4期魏 勤等:超聲C掃描成像系統(tǒng)在SiCp/AI星合材料無損檢測中的應(yīng)用41 24 dB的衰減器增益為OdB 如果將增益分別提高6dB . 12dB .18dB時.所得的C掃描圖形分別是1 0,2", 3 e的圓這個結(jié)論是超聲C掃描中應(yīng)用焦柱測定 缺陷的基礎(chǔ)。工件中的自然缺陷面積如果小干焦 柱橫截面積.C

15、掃描的結(jié)果與直徑小于焦柱直徑 的小球所得的結(jié)果一樣;如果大于焦柱的橫截面 積可將缺陷看作由若干個能反射聲波的部分組 成.其邊緣看作是直徑小于焦柱直徑的小球連成o 當檢測到缺陷時.改變探頭位置找到缺陷的最大 回波，再提高增益6dB進行掃描得到+ 6dB的圖 形分下面兩種情況分析圖形：（1）圖形上直徑為1 “的圓說明缺陷面積小于焦柱橫截面積但是 為了排除靈敏度低或探測到的僅是缺陷的一部 分則再提髙增益+ 6dB，若圖為2"的圓，則就可 證明前面下的結(jié)論了。（2）若+ 6dB的圖形大于 焦柱的橫截面積.如圖4A區(qū)域.必須再將增益提 高+ 6dB,得到B區(qū)域?qū)區(qū)域的輪廓內(nèi)縮超2 若與A區(qū)域

16、輪廓重合則說明A區(qū)域輪廓就 是真實缺陷在該靈敏度下的輪廓。如果不重合. 說明有新的缺陷反射區(qū)域存在，必須繼續(xù)提高增 益+ 6dB進行檢測.直至得到的圖形的輪廓內(nèi)縮圖5不同深度人工缺陷的檢測結(jié)果用該成像系統(tǒng)對10%SiQ,/6061型鋁合金試 樣進行檢測。試樣為厚度為28mm .直徑為90mm 的圓柱體。檢測得到圖像如圖6所示。由圖中的 色彩可知，圖中央偏右部位最大的缺陷外邊緣的 尺寸近似為”/2,由此可以推斷其內(nèi)部即為缺陷 的尺寸根據(jù)缺陷的形狀和分布狀況可知缺陷是 SiQ顆粒凝聚成團，沒有均勻地分布到AI基質(zhì) 中。12 （IB15 dB IX dB 21 dB圖6 Al/SiC； g合材料餅狀

17、試樣的c掃描檢測圖形對實際6066型Al/SiQ復(fù)合材料工件進行檢 測.工件是外徑為350mm、內(nèi)徑為245mm的管狀 6066型Al/SiCp復(fù)合材料。由干工件尺寸比較 大，另外形狀為管狀，因此沿管壁將工件劃分為 37塊.逐塊對工件進行檢測，其中相臨的第28 30塊的檢測結(jié)果為圖7。根據(jù)形狀可以判斷圖7 中的缺陷一方面是SiQ有團聚現(xiàn)象，另外一方面 可能是制備時復(fù)合材料中氣泡引起的孔洞。圖7對管狀A(yù)l/SiCp貫合材料工件的檢測圖將超聲C掃描成像系統(tǒng)應(yīng)用于Al/SiQ復(fù)合 材料無損檢測中能直觀顯示內(nèi)部缺陷的橫截面 圖:根據(jù)系統(tǒng)中聚焦探頭的聲場特性分析檢測結(jié) 果.可以確定缺陷的尺寸和形狀并由此

18、結(jié)合缺陷 的分布狀態(tài)判定缺陷的性質(zhì)。1丨美國無損檢測學(xué)矣美國無損檢測手冊(超聲卷)I M 北京:世界圖書出版公司J996. 39640612張志永水浸聚焦超聲波探傷原理|M.北京：國防 工業(yè)出版社J985.3664(31中國機械工程學(xué)矣無損檢測分矣超聲波檢測(第2 卷)|ML北京:機械工業(yè)出版社，2000. 10610914李家偉.陳積楙.無損檢測手冊M.北京:機械工業(yè) 出版社.2002. 191192魏勤男973生，華東船舶工業(yè)學(xué)院數(shù)理系碩士 研究生。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. Al

19、l rights reserved ki.nel第18卷第4期魏 勤等:超聲C掃描成像系統(tǒng)在SiCp/AI星合材料無損檢測中的應(yīng)用#© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel第18卷第4期魏 勤等:超聲C掃描成像系統(tǒng)在SiCp/AI星合材料無損檢測中的應(yīng)用#3結(jié)論© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.ne

20、l第18卷第4期魏 勤等:超聲C掃描成像系統(tǒng)在SiCp/AI星合材料無損檢測中的應(yīng)用#© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel第18卷第4期魏 勤等:超聲C掃描成像系統(tǒng)在SiCp/AI星合材料無損檢測中的應(yīng)用#(37)以后出現(xiàn)飽和狀態(tài)，降解速率呈常數(shù)狀(約為 0.6/min):而支撐狀TiO2，其降解曲線在濃度為 0.38g/dn?以前較懸浮狀變化緩慢一些，并且飽 和狀態(tài)出現(xiàn)在0-7g/dm3這個濃度之后，但速率常 數(shù)約為0.75/mino包覆在襯底上的TiO:和懸浮 狀11O：的光俚化降解功效十分相近。在進行支撐狀萬O,光俚化降解試驗時應(yīng)注 意如玻璃纖維對光的散射作用.TiO薄膜對紫外 光(UV)的吸收和散射作用，光照表面區(qū)域大小 以及表面區(qū)域光催化劑的損耗等幾個試驗因素對 試驗結(jié)果的可能影響。4結(jié)論(1) 萬O?光催化劑必須被光照激活才能獲 得高降解功效和髙重復(fù)利用率。(2) 在0. 4g/dn?這個濃度點，懸浮狀TiO2 和支撐狀TiO2光僅化降解速率基本相同。(3) 包