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蜂窝陶瓷的无损检测

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浏览: 发布日期:2018-08-15 11:43

一、前沿

作为现代材料三大支柱之一的蜂窝陶瓷,由于其特殊的物理化学性能而在现代工业中得到广泛应用。但是,由于各种人为的或自然的原因,蜂窝陶瓷在制造或使用过程中往往会产生这样或那样的缺陷,这些缺陷的存在或多或少地影响了蜂窝陶瓷的使用性能,限制了蜂窝陶瓷的推广应用,有些甚至会产生灾难性后果,即使是常规的蜂窝陶瓷产品也有缺陷的存在,尤其是表面缺陷的存在,这样严重影响了产品的质量和等级。

在现代化工业大生产中,生产过程逐渐自动化,这也要求连续快速地检测产品。目前,蜂窝陶瓷工业中(尤其是RTO蜂窝陶瓷),多采用人眼观察和敲击听声音法判断制品中有无缺陷存在。这与现代工业大生产远远不相适应,有必要研究一种与之相适应的新的无损检测方法。

所谓无损检测(NDT),顾名思义,是在不损伤(不破坏)材料和制品的情况下研究材料内部及表面有无缺陷的手段,也就是说,它利用材料内部结构的异常或缺陷的存在等引起的对声、光、电、磁、热、射线等的反应特性的变化,评价结构异:腿毕荽嬖诩捌涑潭。无损检测的主要目的:一是产品质量管理,二是产品质量鉴定,三是设备维护检测。

蜂窝陶瓷的无损检测

二、蜂窝陶瓷的缺陷

蜂窝陶瓷的无损检测一般分为缺陷检测和变形检测,本文主要就缺陷检测展开讨论。

蜂窝陶瓷是一种典型的脆性材料,且杨氏模量一般较高,即使徽小的缺陷或轻虚应变也会导致极大的机械应力.迅速引起破坏,在外表面附近尤其如此。从而要求检出的缺陷的实际尺寸要比金属或复台材料小l-2个数量级。

作为检测对象的缺陷可分为:

1、主要在制造过程中引入的内部缺陷和表面缺陷,如表面和内部裂纹、表面落渣及缩轴、表面和内部气孔等。其中表面缺陷的:π宰畲,不仅影响到制品的机械性能和物理化学性能,而且影响到制品的外观质量。

2、主要在机械加工及处理过程中引入的表面缺陷,如表面裂纹和表面缺边、缺角等。

3、制品使用(提供使用)中或由环境产生的缺陷。这些缺陷中,裂纹类缺陷(内部或表面裂纹)对材料机械性能影响最大,也是蜂窝陶瓷中经常出现的缺陷。内部气孔、夹层等也是蜂窝陶瓷中经常出现的缺陷。

三、国内外蜂窝陶瓷的无损检测方法

目前,国内外蜂窝陶瓷的无损检测的方法归纳起来,主要有:

1、超声波捡测(UT法)

超声波检测是通过测定反射披变化以达到检测材料内部或表面是否存在缺陷的目的。这种方法特别适用于揭示被检测对象内部的面积型缺陷,如裂纹、分层等。一般情况下难以检测出一百微米以下的裂纹状内部缺陷。

2、射线捡测

射线检测是利用射线对各种物质的穿透力来检测物质内部缺陷的一种方法,它适用于探测体积型缺陷,如气孔、夹渣等。射线检测包括:X射线检测、γ射线检测、中子射线检测、α射线检测、β射线检测等。目前在无损检测技术中应用最广的是X射线检测法和γ射线检测法。为了提高检测精度,射线检测一般都与其它技术手段配合使用。X射线可探查出750um以上的内部裂痕,有经验的人员可查出150um的内部缺陷。

3.渗透检测

又称液体渗透探伤法。它是一种古老的无损探伤方法,也是目前常规无损检测常用的方法,主要用来检查材料或工件表面开口性缺陷。这种检测是利用液体的某些特性,并借助这些特性对材料表面缺陷进行良好的渗透.当显像液喷洒在工件表面时,残留在缺陷内的渗透液又会被吸出来.形成缺陷痕迹从而达到探伤目的。液体渗透检测一般限于150um以上的表面裂痕。

以上三种检测方法是传统的无损检测方法。近年来,随着相关技术的发展,新的无损检测方法不断出现,尤其是超声检测和射线检测方法与其它技术的结合,大大推动了无损检测技术的进步。主要新型检测方法介绍如下:

4、计算机辅助超声检测

这种检测技术在日本己用来探测蜂窝陶瓷燃烧室内的缺陷。它是全系统自动操作,检测频率由计算机控制,能检测出直径在五十微米以上的缺陷。

5、计算机辅助X射线断层摄影

CT技术也被引入蜂窝陶瓷制品的检测领域,如1987年加拿大原子能公司使用CT系统,检测ZrO2、SiC、A12O3等的高级蜂窝陶瓷,可以准确地检测l0到100um的缺陷和极其微小的密度分布。美国的Argonne国家实验室用CT检测燃料电池使用的厚度仅为50um的陶瓷薄片中的裂纹、间隙和假焊点。1988年,该实验室还使用25-200kV的X射线CT系统检测SiC纤维复合材料中的间隙和纤雏方向。目前应用的X射线层析法(CT法)可形成断层照片,已可检测出三十微米的裂纹开口,最小可探测出十微米的裂纹开口和0.025‰的体密度差。但这种检测方法对裂纹开口量小的平面裂纹的检测灵敏度不够,据说可检测的板状裂纹尺寸为三百微米至四百微米之间,而且这种设备的价格非常昂贵。

6、超声波显微镜法

使l0O-1000MHz的超声波在试样表层上反射、散射,由检测、分析这种超声波,可定量得到接近一微米的高分辨率。因为高频超声波衰减大,这种方法仅适于检测表皮下的缺陷。目前以检测表皮数十微米的缺陷为限度,并且难以适用于蜂窝陶瓷的检测,就目前而言,人们期待这种方法作为实验室中的蜂窝陶瓷研究方法。

7、激光扫描超声波显微镜法(SLAM法)

由作为非接触传感器的激光入射介质,把传导过来的超声波信息变为可视信息。这样的超声波显徽镜是一种新型超声波显徽镜。现在,常用频率为100MHz,据说其图象分辨率为十五微米,作为蜂窝陶瓷的评价技术其有效性不断得到证实。特别是具有可用内眼进行实时观察的特性,与X射线相比,可检测平面缺陷,且有可能辨别夹杂物、气孔、点状平面缺陷,但操作不方便且难以适用于实际构件。

8、同步显微聚焦X射线透视

这种系统用视频探查设备代替底片来显示蜂窝陶瓷的X射线成像。同步系统的优点是可以调整X射线的能量来匹配目标对象的传输,工作人员可以调整发射源的电压使接受探查的区域的视图最佳化,裂痕以“亮点/暗点”显示,大大提高了识别的可靠性,这种方法对于探查临界区域的裂痕是比较理想的。

9、声发射(AE)

声发射技木检测伴随着固体的变形、相变、断裂面产生的弹性波,这种技木具有下列特征:可检测微裂纹,能测定裂纹的位置,并适用于复杂形状的蜂窝陶瓷,由分析原波形可得到微裂纹的面积、开裂时间的定量数据等。正因为声发射检测具有以上这些优点,所以近年来发展很快,是一种很有前途的检测方法。据说由通常的声发射测定可检测出一至五徽米的微裂纹,但到目前这种检测技术的发展还不成熟。

10、表面声波技术(SAW)

这种技术是利用激光束所产生的超声波在被检测物体内的传播性质进行检测的。遇到缺陷时,超声波产生更高的振幅位移,振幅的这种起伏可以由激光干涉仪探测。这种检测技术离实用还有很大距离。

11、热波成像技术

它利用零部件的传热特性来诊断探查表面断裂和接近于表面的缺陷。用聚焦光或电子束这类可调制光源局部地加热表面,再利用光学或声学手段非接触地测量对表面温度的影响,由此来判断缺陷存在情况。这种系统对小裂痕的敏感性是很好的。广义地说,红外无损检测技术也属于热波成像技术。人们已使用这种技术来检测柴油机活塞上陶瓷防热涂层的粘附力,并拍摄了柴油发动机活塞陶瓷防热层表面以下剥离层的三维热波图象。

12、光学显微镜

又称光声成像法。使10到数MHz的激光在蜂窝陶瓷表面上聚焦且扫描,由吸收激光而产生热量,这种热量在低频范围内作为气体压力的变化可由微音器检测,在高频范围内作为热形变波由锆钛酸铅(PTZ)检测。目前的报道实例尚不多.但据说已由光音响图象观测了氮化硅(Si3N4)等试样表面的微米级缺陷及不均匀部分。尽管距实用还有距离,但人们对由此检测固体中缺陷的立体分布寄予较大希望。

到目前为止,蜂窝陶瓷检测所用的方法,除了人工检测以外,基本上就这十二种。归纳起来可以分为两类,内部缺陷无损检测法和表面缺陷的无损检测。

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