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陶瓷无损检测技术

时间：2014-04-17 22:58:03 来源：龙泉青瓷网（老版本）作者：佚名

众所周知，陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、密度小等优良性能，在燃气轮机、汽车、内燃机、热交换器等各种工作机械或精密工具中制成各种零部件以取代传统材料，应用前景十分广阔。然而，陶瓷是典型的脆性材料，由于陶瓷材料制造工艺复杂工序多，即使在同样的工艺条件下，各零件的强度差异也很大，成批生产时质量不易准确控制。如果能够用无损评价（ＮＤＥ）和断裂力学相结合的方法，研究微观组织和理想的力学性能的关系，充分发挥材料的潜力，用无损检测技术（ＮＤＴ），将在陶瓷制造初期时就剔除废品，可避免无价值的加工所造成的损失；和制造工艺结合，优化工艺，这样，不但可以挽回经济损失，避免构件失效，提高产品寿命，而且还缩短了材料开发制造周期，在陶瓷材料制造领域中，具有很大的意义。
　　用于陶瓷无损检测的方法除表面浸透检测外，主要有：Ｘ射线层析成像、红外热成像、超声Ａ扫描及Ｃ扫描、声发射、微焦点Ｘ射线、超声显微镜等。近年来，这些方法已在自动化技术、探测器技术、信息处理和资料存储等方面取得很大的进展，特别是用于航天航空领域的陶瓷基复合材料构件的制造中发挥着极为重要的作用。
　　１、Ｘ射线层析成像法（Ｘ―ＣＴ）
　　（Ｘ―ＣＴ）的特点是：（１）高的空间分辨率和密度分辨率（通常＜０．５％）；（２）高检测范围（１～１０６）；（３）成像的尺寸精度高，可实现直观的三维图像；（４）在有足够的穿透能量下，可不受试件几何结构的限制等。局限性表现为：检测效率低、检测成本高、双侧透射成像，不适于平板薄件的检测以及大型构件的现场检测。基于它的特点，其用途主要归结为以下几个方面：（１）非微观缺陷的检测；（２）密度分布的测量；（３）内部结构尺寸的精确测量；（４）装配结构和多余物检测；（５）三维成像与ＣＡＤ／ＣＡＭ等制造技术结合而形成的所谓反馈工程。
　　２、红外热成像法
　　在红外无损检测中，当物体受到热激发时，热量将在其内部进行传递。当物体内部存在缺陷时，就会改变物体表面的热传导特性，热传导特性的改变将会导致热分布发生变化，从而使物体表面的温度发生差异。用红外热像仪检测出物体表面的这种温度差异，即可判断被测试样中是否存在缺陷以及缺陷存在的情况。
　　红外无损检测是在非接触、可远距离操作条件下进行，它具有以下优点：（１）灵敏度高，速度快；（２）检测仪器结构较简单；（３）使用安全，信号处理速度高，可建立自动检测系统；（４）受工件表面光洁度影响小；（５）检测用途广泛。它的缺点是：受产品表面及背景辐射的影响；灵敏度受缺陷大小和深度的影响；不能非常精确地测定缺陷的大小、形状和位置；温度记录曲线的解释困难，并且需要有专业操作人员。
　　３、超声检测
　　在陶瓷材料的无损检测中，超声检测是应用最广泛的技术，它不仅能检测分层、气孔、裂缝和夹杂等缺陷，而且在判别密度差异、弹性模量、厚度等特性和几何形状的变化方面也具有一定的能力。
　　激光超声陶瓷无损评价，克服了传统耦合法难以适应在线检测及高温、高湿条件下的陶瓷检测的缺点，具有非接触性、宽带、定量、多波型（能同时激发纵波、横波、表面波）、时空分辨率高等优点，使其既适于陶瓷制作过程监测，又能对成品进行质量评价。ＳＬＡＭ应用于重要部位陶瓷材料检测，如航空、航天构件。它对面型、体积缺陷有很好的检测能力，而且对内部裂纹及表面空穴的检测也有较好的效果，但是构件的表面状况对检测可靠性有很大的影响。
　　陶瓷的超声Ｃ扫描是检测陶瓷内部缺陷位置、大小和分布状态的有效方法，能检测气孔、裂纹、夹杂和孔隙率等，特别是可以清晰地显示出所有的夹杂物，包括对Ｘ射线不敏感的非铁夹杂物，可根据成像图形测定缺陷的大小。超声波扫描检测精度高，但需要耦合剂和与部件两面接触，其优点是能检测多层层叠整个深度内的裂纹和不连续性。常规Ｃ扫描受到陶瓷材料气孔率的限制，在陶瓷检测中，一般使用高频来检测小缺陷。扫描声显微镜（ＳＡＭ）比常规Ｃ扫描应用更为广泛，它的工作频率可达２０～２００ＭＨＺ，此时对表面及亚表面的检测可分辨率可达１～２μｍ。ＳＡＭ的特点如下：（１）横向分辨率高，纵向分辨率低，适用于测量与声速垂直的面状缺陷；（２）可测曲面样品；（３）灵敏度与检测深度有关；（４）对表面光洁程度需求较高；（５）水中声速和陶瓷中声速差异使焦点变形大。信号处理技术应用于Ｃ扫描成像会更明显改善成像效果，如信号平均、滤波技术、合成孔径聚焦、时间渡越衍射、频谱分析等都能改善散射或衰减造成的影响。
　　４、声发射（ＡＥ）检测
　　ＡＥ是对陶瓷材料进行无损检测的一种有效的方法。它与超声密切相关，被视为是一种很有潜力的检测方法，特别是监测材料的固化和粘结情况，损伤程度定位以及预测最终强度方面很有发展前景。ＡＥ检测具有以下特征：可检测微裂纹；能检测裂纹位置，可适用于复杂形状的构件；由分析可得到微断裂面积、开裂时间的定量资料。
　　５、微焦点Ｘ射线
　　微焦点Ｘ射线检测有３种方法：（１）接触显微射线照相，即按常规几何射线照相，然后以光学或高倍放大射线照片；（２）使用很小焦点的Ｘ射线设备，在射线照相过程中进行几何放大；（３）非对称衍射，实际上是Ｘ射线透镜，放大低能Ｘ射线图像。
　　陶瓷显微Ｘ射线照相检验可以揭示表面和内部的小尺寸缺陷，可以检测的缺陷尺寸决定于在样品厚度上出现的对比度和由检测器的不清晰度及系统几何结构决定的系统的空间分辨率特征。空洞和低密度区，如其尺寸适于检验系统的分辨力和对比度也能够检测，例如１００μｍ的空洞为５ｍｍ厚度样品的２％；对于良好的显微射线照相操作，这样尺寸和对比度的空洞是能够检验的。在适宜的条件下裂纹也是能够检测的，但裂纹的方位应与Ｘ射线的方向一致。陶瓷中与密度或厚度相关联的其它变化，如果与射线照相系统的性能相适应，也能检测出来。
　　６、结语
　　无损检测技术（ＮＤＴ）在检测和评价陶瓷材料结构损伤和控制生产质量方面，仍将继续发展。在陶瓷材料领域，ＮＤＴ将逐渐成为全面质量管理中的重要一环，这对保证陶瓷材料在工作中安全运行将起到十分重要的作用。随着仪器自动化程度以及数据处理技术水平的不断提高，ＮＤＴ不仅对缺陷探测愈加重要，而且将成为工艺控制的更有效的方法。

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