超声C扫描成像系统在SiC_p_Al复合材料无损检测中的应用

1、第18卷第4期材料开发与应用2003年8月7C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第18卷第4期材料开发与应用2003年8月:1003- 1545 (2003) 04-0038-04分析与测试7C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第18卷第4期材料开发与应用2003年8月7C 1994-2010 China Academic Journ

2、al Electronic Publishing House. All rights reserved 第18卷第4期材料开发与应用2003年8月超声c扫描成像系统在SiCp/Al复合材料无损检测中的应用魏 勤I,张迎元2,乐永康'，尤建飞'（1 华东船舶工业学院値江212003; 2洛阳船舶材料研究所洛阳471039）:应用超声C扫描系统对SiCp/Al負合材料进行无损检測提供了一种能够直观显示崑合材料内部缺 陷截面图的检测方法。可以根据所得到的图形确定材料中缺陷的尺寸和形状.并根据缺陷形状和分布判定缺 陷的性质.:SiC；/Al負合材料:超声C扫描成像系统:无损检测: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期材料开发与应用2003年8月7C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. Al

6、l rights reserved 第18卷第4期材料开发与应用2003年8月Al/SiQ复合材料是一种综合性能优秀的复 合材料然而由于制造工艺不完善，常常导致材料 出现缺陷（比如孔洞、SiQ,颗粒分布不均匀等）o 缺陷会严重削弱材料的力学性能因此有必要对 其进行严格的检测和控制。因为Al/SiQ复合材 料具有高阻尼的特性.声波能量损失较大.反射回 波幅度小采用传统的超声波方法进行无损探测 比较困难。鉴于以上原因选用装有聚焦探头的 超声C扫描成像系统对这种复合材料进行超声 检测，由于它具有声束细、声能集中、分辨力和信 噪比高等优点并且可以得到缺陷的横截面图.闵 此有望实现对缺陷的尺寸和形状的准

7、确分析并 结合缺陷的分布状态判定缺陷的性质为改进制收稿日期：2003-01-13备工艺提供参考。1超声c扫描成像系统超声C扫描成像装置是将徹机与传统的超 声波探伤仪结合起来。它主要由4部分组成:机 械传动机构和水箱超声波C扫描控制器.超声 波C扫描探伤仪以及微机。其结构方框图如图1 所示。微机控制传动机构并负责数据采集、存贮、 处理以及图形显示。机械传动装置使探头位置与 X和Y两个电位器相联并分别与计算机显示图 形的X和Y位置相对应。探头在工件上纵横交 替扫査整个自动扫描过程由扫描控制器控制完 成。计算机采集的数据是来自超声探伤仪的模拟 信号和扫描控制器的位賈信号。为了检测出工件7C 1994

8、-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第18卷第4期魏 勤等:超声C扫描成像系统在SiCp/AI星合材料无损检测中的应用39内部的微小缺陷超声波探伤仪必须具有宽频带 和较髙的分辨率通常可以用声束聚焦的方法以 缩小声束截面来进行补偿。超声C扫描成像系 统的声束聚焦通常由聚焦探头来完成的。本系统 是将超声检测与微机控制、数据采集、存贮、处理、 图像显示集合在一起的技术对缺陷定性和定量 研究更加方便而且将检测结果存入计算机随时 调用、分析和评定。用超声C扫描成像系统对工 件进行超声无

9、损检测可以摆脱仅仅依靠观察脉冲 反射波来分析判断缺陷位置、形状、大小和性质的 传统检测方法，还可以避免检测人员的主观随意 性和工作失误，提供比较客观的准确的探伤数据0图1超声C扫描成像系统的结构图2超声C扫描成像系统在SiCp/Al 复合材料无损检测中的应用在对SiCp/Al复合材料检测之前.应该了解 系统中的聚焦探头的声压分布。通常可以由聚焦 探头所发出的超声波的声场特性来确定缺陷的大 小和形状。因为在探伤过程中只用到相对声压, 所以对聚焦探头的声压进行归一化处理。对于聚 焦探头(如图2所示)焦平面上离焦点S点处的 A点的归一化声压幅度分布为山:P(PPnux(1)式中：Pz为声场中最大的声

10、压即振源处的声 压。X为第一阶贝塞耳函数丄为波数知为R/F的反正弦R为透镜孔半径尸为焦距.为焦平面内点A距焦点S的距离。在焦点附近的轴线上离焦点S为1的B点 的声压幅度分布为：sin(kE 訂 2)(2)A0o/2图2聚焦探头在焦点附近的声压根据惠更斯-菲涅耳原理整个探头在焦平 面上某一点所建立的声压等同于在这一点上的点 声源在整个探头上所建立的声压所以一个收发 兼用聚焦探头测得的在焦平面上A点的小球反 射声压与焦点处的小球反射声压(以焦点处的小 球反射声压为1)之比为：2L(也 m )P()dB=201g7=201g叽riIF)1 2-201gl 1当声压比为6dB时,计算得m-6dB =

11、0.48(3)(4)式中D = 2R为聚焦探头的孔径。定义e为 聚焦探头的焦柱直径：*二2 一間二0.96卡(5)同理在轴线上距离焦点为/的小球反射声 压与焦点处的小球反射声压之比为:P( /)sin(Rf)：/2)dB=201g=20-( 0)2«201gi r(6)当比值为6dB时,/.6« = 1.69( FID)1 Q定义L为聚焦探头的焦柱长度":L =2/.«4 (彳尸(7)由此可以知道在焦点附近声压分布存在着 一个直径等干化长度为L的焦柱，如图3所示。 在焦柱内，声压无突变现象我们可以通过这个焦 柱确定缺陷的尺寸。将直径小于聚焦探头焦柱直径的

12、小球放在焦 柱之内进行扫描设小球回波幅度最大时探伤仪© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel第18卷第4期魏 勤等:超声C扫描成像系统在SiCp/AI星合材料无损检测中的应用#C +!« dB图4确定缺陷的尺寸”/2后与前面一次得到的图形轮廓线重合如图 B区域的轮廓就是真实缺陷在该灵敏度下的轮 廓W这样我们就可测出缺陷的尺寸和形状 To由干是水浸聚焦探伤首先用试验测量探头 在工件中的焦柱直径。用频率为2.5MHz.孔径 为14mm的聚焦

13、探头对含SiQ10%（）的6061 型铝合金中直径为1 -4mm的人工缺陷进行检测。 将系统和检测参数调整好,扫描的面积为30mmXSOmm .相邻色彩之间dB差为3dB 参考等级为 138 步进电机的步径为0. 50mm ,并将人工缺陷 放置适当的位置进行检测然后分别在原来位置 偏上和偏下位置再进行检测.得到图5 （彩色）o 根据上面的论述可知图5中间位置检测图中的 圆形区域尺寸即为焦柱直径。 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:超声C扫描成像系统在SiCp/AI星合材料无损检测中的应用#© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel第18卷第4期魏 勤等:超声C扫描成像系统在SiCp/AI星合材料无损检测中的应用41 24 dB的衰减器增益为OdB 如果将增益分别提高6dB . 12dB .18dB时.所得的C扫描图形分别是1 0,2", 3 e的圆这个结论是超声C扫描中应用焦柱测定 缺陷的基础。工件中的自然缺陷面积如果小干焦 柱横截面积.C

15、扫描的结果与直径小于焦柱直径 的小球所得的结果一样;如果大于焦柱的横截面 积可将缺陷看作由若干个能反射声波的部分组 成.其边缘看作是直径小于焦柱直径的小球连成o 当检测到缺陷时.改变探头位置找到缺陷的最大 回波，再提高增益6dB进行扫描得到+ 6dB的图 形分下面两种情况分析图形：（1）图形上直径为1 “的圆说明缺陷面积小于焦柱横截面积但是 为了排除灵敏度低或探测到的仅是缺陷的一部 分则再提髙增益+ 6dB，若图为2"的圆，则就可 证明前面下的结论了。（2）若+ 6dB的图形大于 焦柱的横截面积.如图4A区域.必须再将增益提 高+ 6dB,得到B区域将B区域的轮廓内缩超2 若与A区域

16、轮廓重合则说明A区域轮廓就 是真实缺陷在该灵敏度下的轮廓。如果不重合. 说明有新的缺陷反射区域存在，必须继续提高增 益+ 6dB进行检测.直至得到的图形的轮廓内缩图5不同深度人工缺陷的检测结果用该成像系统对10%SiQ,/6061型铝合金试 样进行检测。试样为厚度为28mm .直径为90mm 的圆柱体。检测得到图像如图6所示。由图中的 色彩可知，图中央偏右部位最大的缺陷外边缘的 尺寸近似为”/2,由此可以推断其内部即为缺陷 的尺寸根据缺陷的形状和分布状况可知缺陷是 SiQ颗粒凝聚成团，没有均匀地分布到AI基质 中。12 （IB15 dB IX dB 21 dB图6 Al/SiC； g合材料饼状

17、试样的c扫描检测图形对实际6066型Al/SiQ复合材料工件进行检 测.工件是外径为350mm、内径为245mm的管状 6066型Al/SiCp复合材料。由干工件尺寸比较 大，另外形状为管状，因此沿管壁将工件划分为 37块.逐块对工件进行检测，其中相临的第28 30块的检测结果为图7。根据形状可以判断图7 中的缺陷一方面是SiQ有团聚现象，另外一方面 可能是制备时复合材料中气泡引起的孔洞。图7对管状Al/SiCp貫合材料工件的检测图将超声C扫描成像系统应用于Al/SiQ复合 材料无损检测中能直观显示内部缺陷的横截面 图:根据系统中聚焦探头的声场特性分析检测结 果.可以确定缺陷的尺寸和形状并由此

18、结合缺陷 的分布状态判定缺陷的性质。1丨美国无损检测学矣美国无损检测手册(超声卷)I M 北京:世界图书出版公司J996. 39640612张志永水浸聚焦超声波探伤原理|M.北京：国防 工业出版社J985.3664(31中国机械工程学矣无损检测分矣超声波检测(第2 卷)|ML北京:机械工业出版社，2000. 10610914李家伟.陈积楙.无损檢测手册M.北京:机械工业 出版社.2002. 191192魏勤男973生，华东船舶工业学院数理系硕士 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:超声C扫描成像系统在SiCp/AI星合材料无损检测中的应用#© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel第18卷第4期魏 勤等:超声C扫描成像系统在SiCp/AI星合材料无损检测中的应用#3结论© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.ne

20、l第18卷第4期魏 勤等:超声C扫描成像系统在SiCp/AI星合材料无损检测中的应用#© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.nel第18卷第4期魏 勤等:超声C扫描成像系统在SiCp/AI星合材料无损检测中的应用#(37)以后出现饱和状态，降解速率呈常数状(约为 0.6/min):而支撑状TiO2，其降解曲线在浓度为 0.38g/dn?以前较悬浮状变化缓慢一些，并且饱 和状态出现在0-7g/dm3这个浓度之后，但速率常 数约为0.75/mino包覆在衬底上的TiO:和悬浮 状11O：的光俚化降解功效十分相近。在进行支撑状万O,光俚化降解试验时应注 意如玻璃纤维对光的散射作用.TiO薄膜对紫外 光(UV)的吸收和散射作用，光照表面区域大小 以及表面区域光催化剂的损耗等几个试验因素对 试验结果的可能影响。4结论(1) 万O?光催化剂必须被光照激活才能获 得高降解功效和髙重复利用率。(2) 在0. 4g/dn?这个浓度点，悬浮状TiO2 和支撑状TiO2光僅化降解速率基本相同。(3) 包