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一文看懂工程陶瓷微缺陷無損檢測技術(shù)

發(fā)布時間：2020-02-08

工程陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫等物理和機(jī)械性能，已廣泛應(yīng)用于航空航天裝備等尖端領(lǐng)域。
 
工程陶瓷制品加工工序復(fù)雜，每道工序都可能形成影響性能的缺陷， 因此，有必要采用高靈敏度的測試手段對陶瓷材料微缺陷進(jìn)行全面檢測。
 
無損檢測（NDT）在不改變被檢對象使用性能的前提下評價材料完整性和連續(xù)性，檢出固有缺陷及其形狀、位置和大小等信息，適于檢測加工效率低而成本高的工程陶瓷材料的缺陷情況。
 
陶瓷材料常規(guī)無損檢測方法
 
▍液體滲透檢測技術(shù)（PT）
 
液體滲透檢測利用液體毛細(xì)管作用原理，能夠?qū)Χ喾N材料及其制件表面開口缺陷進(jìn)行非破壞性檢查。可檢測出非多孔性、固相材料開口于表面之間斷。
 
對均勻而致密的工程陶瓷材料，熒光或著色滲透方法能檢出開度小至1μm的氣孔、裂紋等表面缺陷，但對材料表面粗糙度和整潔度要求高，未經(jīng)預(yù)清洗或沾有污物的表面和空隙會產(chǎn)生附加背景，影響識別檢測結(jié)果。
 

    Si3N4陶瓷球表面缺陷滲透檢測圖像

 
滲透檢測的基本原理：滲透檢測是基本與液體的毛細(xì)作用（或毛細(xì)現(xiàn)象）和固體染料在一定條件下的發(fā)光現(xiàn)象。
 
滲透檢測的工作原理：滲透劑在毛細(xì)管作用下，滲入表面開口缺陷內(nèi)；在去除工件表面多余的滲透劑后，通過顯象劑的毛細(xì)管作用將缺陷內(nèi)的滲透劑吸附到工件表面形成痕跡而顯示缺陷的存在。
 
滲透檢測的流程：

 

 

▍超聲檢測技術(shù)（UT）
 
超聲檢測利用超聲波在彈性介質(zhì)中傳播，在界面產(chǎn)生反射、折射等特性來探測材料內(nèi)部或表面/亞表面缺陷。
 

 
目前，國外開始將人工智能、激光技術(shù)、數(shù)字信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及斷裂力學(xué)知識與超聲檢測相結(jié)合，對陶瓷制品的強(qiáng)度和剩余壽命進(jìn)行評估。
 
超聲波工作的原理：主要是基于超聲波在試件中的傳播特性。
 
a.聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進(jìn)入試件；
 
b.超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；
 
c.改變后的超聲波通過檢測設(shè)備被接收，并可對其進(jìn)行處理和分析；
 
d.根據(jù)接收的超聲波的特征，評估試件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。
 
超聲波技術(shù)在工程陶瓷材料無損檢測中的應(yīng)用：
 

 
▍微焦點射線檢測技術(shù)
 
常規(guī)工業(yè)X射線設(shè)備焦點尺寸為1～ 4 mm,0. 2～ 0.5 mm被稱做小焦點，工業(yè)微焦點范圍為0. 05～0.001 mm。相對于常規(guī)射線照相設(shè)備，微焦點X射線成像系統(tǒng)對缺陷的識別能力更高。
 

    傳統(tǒng)射線照相和微焦點成像的比較

 
因為X射線源的大焦點、膠片顆粒度或熒光屏的雜斑等會導(dǎo)致圖像清晰度和對比度下降，限制了所得到的信息量。而微焦點技術(shù)可通過圖像投影放大獲得更多的圖像細(xì)節(jié)。
 
微焦點X射線法能檢出陶瓷材料內(nèi)部小至10μm的裂紋，但裂紋延展方向應(yīng)與射線束方向一致。
 
▍激光超聲檢測技術(shù)
 
利用激光產(chǎn)生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類。直接式是使激光與被測材料直接作用，通過熱彈性效應(yīng)或燒蝕作用等激發(fā)出超聲波；間接式則是利用被測材料周圍的其它物質(zhì)作為中介來產(chǎn)生超聲波。
 
激光超聲以非接觸式激光干涉儀接收超聲波，能夠遠(yuǎn)距離遙控操作并極具抗干擾性，可精確檢測工程陶瓷材料表面缺陷位置和尺寸，對內(nèi)部裂紋及孔穴有較好的檢測效果。
 

    激光超聲干涉可視化技術(shù)原理圖

 
▍紅外熱成像檢測技術(shù)
 
紅外檢測（infrared testing）基于熱輻射的普朗克定律，掃描工件外表面由于缺陷引起的溫度差異，從而測定表面或內(nèi)部缺陷位置。
 
工程陶瓷材料需要經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)才能變得致密堅硬，紅外檢測技術(shù)能在粉體燒結(jié)階段對陶瓷質(zhì)量進(jìn)行控制和分級篩選。在陶瓷無損檢測中利用紅外技術(shù)與掃描成像系統(tǒng)結(jié)合，可對氮化硅透平葉片進(jìn)行缺陷檢查，發(fā)現(xiàn)表面約100μm的細(xì)小裂紋。

 


    利用紅外熱波檢測陶瓷試件

 
紅外熱波檢測技術(shù)具有快速檢測陶瓷材料面積型缺陷的潛力，檢出微缺陷成功率高，應(yīng)用前景十分廣闊，但今后還需解決工件表面、背景輻射及缺陷大小和深度對檢測靈敏度影響的問題，相應(yīng)的溫度記錄曲線的解釋必須借助專業(yè)知識。
 
▍聲發(fā)射檢測技術(shù)
 
聲發(fā)射檢測（acoustic emission testing）通過接收陶瓷受應(yīng)力時工件內(nèi)部裂紋形成和生長發(fā)出的聲信號判斷聲發(fā)射源的位置信息和實時活動情況，主要用于在線監(jiān)測陶瓷材料內(nèi)部缺陷動態(tài)擴(kuò)展過程，進(jìn)行陶瓷壽命預(yù)測和質(zhì)量評估。
 

    聲發(fā)射檢測系統(tǒng)構(gòu)成圖

 
與金屬材料不同，陶瓷材料運用聲發(fā)射檢測需要考慮聲信號的衰減，尤其是不同方向的聲發(fā)射信號衰減和聲速變化規(guī)律。材料缺陷大小會影響聲發(fā)射信號強(qiáng)弱，環(huán)境和檢測設(shè)備的噪聲也會對傳感器產(chǎn)生干擾，解決好這些問題便能為聲發(fā)射檢測帶來更好的發(fā)展。
 
▍工業(yè)CT技術(shù)（ICT）
 
工業(yè)CT利用高能射線掃描工件得到斷層投影數(shù)據(jù)，經(jīng)圖像重建算法重建出斷層圖像，被譽為最佳的無損檢測手段。
 
工業(yè)CT優(yōu)勢：
 
空間和密度分辨率小于0.5%
 
成像尺寸精度高
 
不受工件材料種類和幾何形狀限制
 
可生成材料缺陷的三維圖像
 

   
工業(yè)CT系統(tǒng)

 
工業(yè)CT在工程陶瓷結(jié)構(gòu)尺寸、材料均勻性、微孔率精確測量和整體微裂紋、夾雜物、氣孔和異常大晶粒等缺陷檢測中極具研究和應(yīng)用潛力。
 
工程陶瓷材料微缺陷檢測技術(shù)及特點
 

 

 

來源：測了么

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