弱磁技術(shù)在非鐵磁性材料檢測中的應(yīng)用研究

廖　駿，夏桂鎖，*，李　浪，鄒恒財，胡　博，程強(qiáng)強(qiáng)（.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （南昌航空大學(xué)），南昌 006；.贛州市龍南縣人大常委會辦公室，江西 贛州 4000；.南車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 4000）

弱磁技術(shù)在非鐵磁性材料檢測中的應(yīng)用研究

廖駿1，夏桂鎖1，*，李浪2，鄒恒財3，胡博1，程強(qiáng)強(qiáng)1
（1.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （南昌航空大學(xué)），南昌 330063；2.贛州市龍南縣人大常委會辦公室，江西 贛州 341000；3.南車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412000）

提出一種能夠應(yīng)用于鐵磁性與非鐵磁性材料缺陷檢測的弱磁檢測技術(shù)，并以多晶硅和7A09鋁合金兩種非鐵磁性材料為例，闡述了該技術(shù)檢測非鐵磁性材料的一般過程，即測試材料磁導(dǎo)率、設(shè)計實(shí)驗(yàn)、采集信號及信號分析。多晶硅自然缺陷檢測實(shí)驗(yàn)表明，弱磁檢測技術(shù)能夠檢測直徑為10 μm的夾雜缺陷；鋁合金人工缺陷檢測實(shí)驗(yàn)表明，對于φ0.4 mm的孔型缺陷和深度為1～2 mm的槽型缺陷，弱磁檢測技術(shù)都具有很好的檢測效果；驗(yàn)證了這種檢測方法在非鐵磁性材料檢測中的可行性。

弱磁檢測；磁導(dǎo)率；多晶硅；7A09鋁合金

0　引言

磁法檢測技術(shù)基于磁場效應(yīng)，一直是鐵磁性材料檢測的有效手段之一，通過檢測漏磁場的變化進(jìn)而發(fā)現(xiàn)缺陷［1-2］?？梢哉f，在過去的幾十年內(nèi)，磁粉、漏磁、渦流等電磁檢測技術(shù)已普遍應(yīng)用于鐵磁性材料的缺陷檢測之中［3-5］。

隨著科技的高速發(fā)展，電子信息產(chǎn)業(yè)、航空航天、能源動力等行業(yè)成為發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)與提高人民物質(zhì)生活水平的重要基礎(chǔ)，特別是硅半導(dǎo)體和鋁合金材料對工業(yè)、航天、交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展具有極其重要的作用［6-8］?，F(xiàn)階段，各種行業(yè)對上述兩種材料的需求日益增加，為了保證使用過程中的安全性，必須對硅半導(dǎo)體和鋁合金材料的缺陷檢測予以足夠的重視。但是硅半導(dǎo)體和鋁合金材料屬于非鐵磁性材料，相對磁導(dǎo)率小，常規(guī)的漏磁方法無法產(chǎn)生有效的磁場信號，因此也無法進(jìn)行檢測。

本研究提出一種能夠應(yīng)用于鐵磁性與非鐵磁性材料缺陷檢測的弱磁檢測技術(shù)。以硅半導(dǎo)體和鋁合金材料的缺陷檢測為例，介紹在地磁場環(huán)境下針對多晶硅和鋁合金材料中缺陷的弱磁無損檢測方法［9］，通過檢測試驗(yàn)對弱磁檢測結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證弱磁檢測方法在非鐵磁性材料缺陷中檢測的可行性［10］。

1　弱磁檢測可行性分析

材料中缺陷能夠被磁矢量傳感器檢測到，其原因就在于缺陷處與被檢測材料之間的相對磁導(dǎo)率存在差異，從而引起穿過材料的磁場產(chǎn)生畸變。經(jīng)測試，空氣的相對磁導(dǎo)率為1.000 000 04，一般可近似為1。

1.1多晶硅的相對磁導(dǎo)率測試

硅材料的相對磁導(dǎo)率為0.99999688，表現(xiàn)為抗磁性。多晶硅材料與硅材料的性質(zhì)類似，使用SQUID測磁儀在常溫（300 K）下測量多晶硅的磁化曲線，隨著外加磁場的逐漸增大，磁矩以近似線性的關(guān)系減小。由磁化曲線可計算出多晶硅材料的磁化率，其值為-0.00000005～-0.0000017。根據(jù)式（1）便可得出地磁場環(huán)境下，多晶硅的相對磁導(dǎo)率為0.999 998 3～0.999 999 5，因此多晶硅表現(xiàn)為抗磁性。式中:μ是多晶硅的磁導(dǎo)率；μ0是真空磁導(dǎo)率；μr是多晶硅的相對磁導(dǎo)率，χm是多晶硅的磁化率。

1.27A09鋁合金的相對磁導(dǎo)率測試

鋁材料的相對磁導(dǎo)率為1.000 02，是順磁性物質(zhì)，由材料內(nèi)自由電子或離子的順磁性所決定，特點(diǎn)為材料被磁化時使磁場略有增強(qiáng)。所選用的7A09型鋁合金與鋁材料具有相似的性質(zhì)，同樣使用SQUID測磁儀在常溫（300 K）下測試其磁化曲線。同理，根據(jù)式（1）計算得到7A09型鋁合金地磁場環(huán)境下的相對磁導(dǎo)率，其值為1.000 15～1.00020，7A09鋁合金的相對磁導(dǎo)率大于鋁材料的相對磁導(dǎo)率，因此鋁合金表現(xiàn)為順磁性。

1.3根據(jù)磁導(dǎo)率差異檢測缺陷

磁法檢測技術(shù)是根據(jù)磁導(dǎo)率差異判斷缺陷，弱磁檢測技術(shù)也不例外，由于鋁合金和多晶硅材料的相對磁導(dǎo)率均與空氣存在差異，這就為缺陷檢測提供了前提。

鐵磁性物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率都很大，從十幾到幾千不等，而非鐵磁性物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率一般都較小，若想實(shí)現(xiàn)弱磁技術(shù)在非鐵磁性材料缺陷檢測中的應(yīng)用，必須能夠檢測到微小磁導(dǎo)率變化所引起的磁場畸變，因此必須具備測量精度非常高的傳感器與測量儀器。

2　試驗(yàn)及驗(yàn)證

2.1弱磁檢測儀器

弱磁檢測儀主要由上位機(jī)、信號采集器和磁矢量傳感器組成，可為單探頭或多探頭形式。儀器的核心部件為磁矢量傳感器，為了達(dá)到分辨微小信號的目的，在現(xiàn)有的磁通門技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過使用鈷基非晶態(tài)合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的坡莫合金充當(dāng)磁芯來提高傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，同時改進(jìn)傳感器的回路形狀，使得其分辨率、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)大幅度提高。弱磁檢測儀的技術(shù)指標(biāo)可達(dá)到:1）測量分辨率:0.5 nT；2）測量范圍:±1 000 000 nT；3）靈敏度:50 μV/nT；4）噪音:＜0.5 nT；5）工作溫度:-20～50℃。

2.2多晶硅試件的檢測及驗(yàn)證

圖1為多晶硅薄片，其尺寸:長125 mm，厚0.4 mm，寬125 mm。傳感器檢測方向如箭頭所示。

圖1　多晶硅試件Fig.1　Polysilicon specimen

圖2為多晶硅試件弱磁檢測曲線。圖中有2處向上凸起的異常信號，異常位置為距離試件左端41～52 mm和78～90 mm處，兩處異常各有2個波峰，判斷為缺陷形狀復(fù)雜。第一個異常處曲線幅值為50～70 nT，第二個異常處曲線幅值為70～100 nT。對曲線所示異常處（距左端50、86 mm位置）用線切割的方式拋開，拍攝金相圖（圖3），驗(yàn)證異常處的實(shí)際狀況。從圖3中可清楚地發(fā)現(xiàn)，異常處金相呈現(xiàn)出黑色聚集物。

2.37A09型鋁合金試件的檢測及驗(yàn)證

在7A09型鋁合金板上制作了兩種類型的缺陷（圖4）:一種是孔洞型缺陷，直徑為0.4 mm，深度任意；另一種是槽型缺陷，檢測結(jié)果如圖5

所示。

h4

h3

h2

h1

100

80

60

40

20

0 120Distance/mm -3.664 -3.666 -3.668 -3.670 -3.672 -3.674 -3.676 -3.678 -3.680 -3.682 -3.684

M

agnetic field intensity

/n

T

×104

圖2多晶硅試件弱磁檢測曲線

Fig.2Weak magnetic detection curve of polysilicon specimen

圖3　多晶硅試件金相圖Fig.3　Metallurgical pictures of polysilicon specimen

圖4　7A09鋁合金預(yù)制缺陷Fig.4　7A09 aluminum alloy prefabricated defects

圖5a為孔洞型缺陷的檢測結(jié)果，分別在距薄板左端94、192、295 mm處有向上凸起的信號異常，其余區(qū)域變化比較舒緩。在鋁合金板上預(yù)置孔洞的位置分別為距薄板左端100、200、300 mm處，由于檢測過程是手動檢測，因此檢測結(jié)果與實(shí)際缺陷位置存在一定的偏差。檢測曲線的異常幅值分別為22、19、24 nT。7A09型鋁合金材料表現(xiàn)為順磁性，相對磁導(dǎo)率大于空氣的相對磁導(dǎo)率。而薄板上孔洞處的材料相當(dāng)于空氣，當(dāng)磁場穿過鋁合金薄板時，孔洞處能夠通過的磁通變少，則鋁合金材料中需通過的磁通變大，薄板表面的磁通也會變大，所以孔洞處的磁檢測曲線會產(chǎn)生一個向上的凸起。圖5b為槽型缺陷的檢測結(jié)果，分別在距薄板左端92、198 mm處有向上凸起的信號異常，其余區(qū)域變化比較舒緩。在鋁合金板上預(yù)置槽型缺陷的位置分別為距薄板左端100、200 mm處，由于檢測過程是手動檢測，因此檢測結(jié)果與實(shí)際缺陷位置存在一定的偏差。檢測曲線的異常幅值分別為65、55 nT。該異常與圖5a中曲線異常產(chǎn)生的原理相同。

圖5　弱磁檢測曲線Fig.5　Weak magnetic detection curve

由于孔型缺陷在板內(nèi)部，而槽型缺陷在板表面，孔型缺陷的提離值大，因此信號強(qiáng)度小。

3　結(jié)論

1）弱磁檢測技術(shù)檢測多晶硅自然缺陷，能夠檢測直徑為10 μm的夾雜缺陷，因檢測時提離值很小，測量曲線的磁異常值可達(dá)50～70 nT。

2）7A09鋁合金人工缺陷檢測φ0.4 mm的孔型缺陷和深度為1、2 mm的槽型缺陷，弱磁檢測技術(shù)都能夠較準(zhǔn)確檢測出，磁異常值隨提離值的不同而不同。

3）無論對于抗磁性的硅材料，還是對于順磁性的鋁合金材料，弱磁檢測技術(shù)都能夠檢測其中缺陷，說明弱磁技術(shù)應(yīng)用于非鐵磁性材料缺陷檢測的可行性，為弱磁技術(shù)在非鐵磁性材料缺陷檢測中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

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Research on the Application of Weak Magnetic Technology in the Detection of Non-ferromagnetic Materials

LIAO Jun1，XIA Gui-suo1，*，LI Lang2，ZOU Heng-cai3，HU Bo1，CHENG Qiang-qiang1
（1.Key Laboratory of Nondestructive Testing（Ministry of Education），Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；
2.Ganzhou Municipal People＇s Congress Standing Committee Office of Longnan County，Jiangxi Ganzhou 341000，China；3.CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，Hunan Zhuzhou 412000，China）

Magnetic detection technology had generally used in the defect detection of ferromagnetic materials.In current study，a kind of weak magnetic detection technology which can be applied to the defect detection of ferromagnetic and non-ferromagnetic materials is presented.The basic principle of the technology of weak magnetic detection is introduced.Taking two kinds of nonferromagnetic materials，polysilicon and 7A09 aluminum alloy as an example，in this paper，the general process of detecting non ferromagnetic materials by using weak magnetic detection technology has been described.Having tested material permeability，designed experiment，collected and analyzed signals.The experiments on natural defect detection of polysilicon shows that the weak magnetic detection technology can detect the inclusion defects of 10 μm diameter，and the experiments of artificial defect detection of aluminum alloy shows that the weak magnetic detection technology has a good detection effect on φ0.4mm hole defect and groove type defect in 1 mm to 2 mm depth.The feasibility of this method in the detection of non ferromagnetic materials has been verified.

weak magnetic detection；permeability；polysilicon；7A09 aluminum alloy

TG115.284

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.01.003

1673-6214（2016）01-0013-04

2015年11月8日

2016年1月7日

民用大飛機(jī)專項(xiàng)子項(xiàng)（BB201508101）；無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（ZD201329003）；南昌航空大學(xué)博士啟動基金（EA201308039）

夏桂鎖（1978年-），男，博士，副教授，主要從事電磁無損檢測及精密計量等方面的研究。