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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

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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?？蓹z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)

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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)

 

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紅外檢測(infraredtesting)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)

 

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聲發(fā)射檢測(acousticemission 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)

 

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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：

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·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