水浸超聲C掃描系統(tǒng)在等離子噴涂靶材缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

張 科, 陳欽忠, 李 強(qiáng)(. 福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 福州 3506; . 福建阿石創(chuàng)新材料股份有限公司, 福州 35000)

水浸超聲C掃描系統(tǒng)在等離子噴涂靶材缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

張 科1, 陳欽忠2, 李 強(qiáng)1
(1. 福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 福州 350116; 2. 福建阿石創(chuàng)新材料股份有限公司, 福州 350200)

通過控制等離子噴涂工藝，在靶材涂層內(nèi)部分別人為制備孔洞、密度分布不均勻兩種典型缺陷，并進(jìn)行水浸超聲C掃描成像及波形分析。結(jié)果表明：檢測(cè)結(jié)果與人工設(shè)計(jì)缺陷基本相符，驗(yàn)證了水浸超聲C掃描系統(tǒng)用于檢測(cè)等離子噴涂靶材缺陷具有足夠的靈敏度及可靠性，這對(duì)于噴涂靶材產(chǎn)品的質(zhì)量控制具有重要意義。

等離子噴涂靶材；水浸超聲C掃描；缺陷檢測(cè)；孔洞；密度不均勻

隨著真空濺射鍍膜的興起和快速發(fā)展，旋轉(zhuǎn)管狀濺射靶材的需求大量增加，例如硅鋁合金旋轉(zhuǎn)靶材是在不銹鋼基管上等離子噴涂沉積大約13 mm厚的硅鋁合金涂層，要求硅鋁合金涂層中無大的孔洞，且密度均勻，否則可能會(huì)引起靶材在濺射鍍膜過程中發(fā)生濺射成膜不均勻、異常放電等問題。硅鋁合金涂層的主要缺陷包括孔洞、密度不均勻等，在噴涂過程中，涂層表面可能會(huì)粘附未熔透的疏松大顆粒物，經(jīng)過后續(xù)噴涂層的不斷堆疊，形成孔洞缺陷，靶材要求孔洞最大橫截面積小于0.196 mm2；另外，在噴涂過程中局部位置如果受到氣流擾動(dòng)等的影響，就會(huì)出現(xiàn)密度較低的情況，導(dǎo)致靶材的密度分布不均勻[1-4]。

上述缺陷從外觀上無法檢測(cè)出，因此需要尋找一種有效的無損檢測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)靶材內(nèi)部缺陷檢測(cè)。常見的無損檢測(cè)方法有： X射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)等。采用粉末法(噴涂、燒結(jié))制備的濺射靶材，由于其晶粒尺寸細(xì)小，超聲波信號(hào)對(duì)其缺陷較敏感，因此適合采用超聲波探傷技術(shù)[5-7]。

水浸超聲C掃描系統(tǒng)是新一代數(shù)字化、模塊化的超聲探傷成像系統(tǒng)。水浸式C掃描超聲波探傷時(shí)，將被檢測(cè)試樣和超聲探頭浸入水中，超聲探頭垂直測(cè)試試樣表面,發(fā)出聚焦脈沖超聲波的同時(shí)接收脈沖反射回波信號(hào)，超聲波經(jīng)過水界面、檢測(cè)試樣內(nèi)部缺陷界面、涂層與基底之間的界面時(shí)都會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的脈沖反射回波，通過各個(gè)脈沖反射回波的傳播時(shí)間和衰減程度進(jìn)行區(qū)分，篩選出各界面的一次反射回波進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣內(nèi)部缺陷的檢測(cè)[8-14]。近年來，該技術(shù)在高分子材料、復(fù)合材料、焊縫、鋼管、構(gòu)件等內(nèi)部分層、脫粘、夾雜等缺陷的無損檢測(cè)中廣泛運(yùn)用，但用于熱噴涂旋轉(zhuǎn)鍍膜靶材進(jìn)行缺陷檢測(cè)的報(bào)道并不多[15-23]。

為此，筆者使用美國全自動(dòng)水浸超聲C掃描系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了硅鋁合金旋轉(zhuǎn)靶材進(jìn)行水浸式C掃描檢測(cè)的試驗(yàn)，通過控制噴涂工藝，在旋轉(zhuǎn)靶材涂層內(nèi)人工制得孔洞、密度分布不均勻等缺陷，采用水浸超聲C掃描檢測(cè)缺陷的位置、大小和深度，并生成平面C掃描圖像，結(jié)合典型點(diǎn)掃描波形圖進(jìn)行綜合的缺陷分析，從而驗(yàn)證用該技術(shù)檢測(cè)等離子噴涂旋轉(zhuǎn)靶材缺陷的探測(cè)靈敏度以及可靠性，實(shí)現(xiàn)靶材的整體缺陷檢測(cè)，這對(duì)于噴涂靶材的產(chǎn)品質(zhì)量控制具有重要意義。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與試樣制備方法

試驗(yàn)試樣選擇硅鋁合金旋轉(zhuǎn)靶材，規(guī)格為OD145-ID125-L580 mm?；転镾US 304不銹鋼無縫管，基管外徑133 mm,內(nèi)徑125 mm，總長度560 mm,機(jī)械加工至圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸。熱噴涂涂層前，基管表面進(jìn)行噴砂處理，其工藝條件為：20號(hào)剛玉砂，空氣壓力為0.7 MPa，噴砂距離為150 mm，噴砂角度為70°。將噴砂后的基管安裝在噴涂臺(tái)架上。過渡層為鎳鋁合金，通過電弧噴涂工藝，采用鎳鋁質(zhì)量比為95∶5、直徑為2 mm的鎳鋁合金絲材，工藝條件為：壓縮空氣壓力0.6 MPa,電壓35 V，電流200 A，過渡層厚度約0.3 mm。噴涂時(shí)基管內(nèi)通水循環(huán)冷卻，基管旋轉(zhuǎn)速率為60 r·min-1。靶材涂層材料為混合硅鋁粉，硅粉與鋁粉質(zhì)量比為9∶1，粉末粒徑分布范圍為30～90 μm，兩種粉末純度均達(dá)到99.95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上。等離子噴涂設(shè)備為上海休瑪噴涂機(jī)械有限公司生產(chǎn)的XM-100SK型等離子噴涂系統(tǒng)，采用以下噴涂工藝參數(shù)：電壓58 V，電流540 A,主氣(氬氣)流量1 600 L·h-1，氫氣流量95 L·h-1，噴槍移動(dòng)速率10 mm·s-1，噴涂距離100 mm。

1.2 缺陷試樣的人工制備

(1) 孔洞缺陷試樣

采用上述等離子噴涂硅鋁合金標(biāo)準(zhǔn)工藝，先將不銹鋼基管外表面整根進(jìn)行噴砂和過渡層處理，然后在不銹鋼基管長度方向上居中520 mm,噴涂厚度約3 mm的硅鋁涂層，在管體軸向直線上選取10個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)間隔30 mm，分別加工φ0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0 mm的10個(gè)小孔，深度均為0.5 mm,采用石蠟進(jìn)行封孔。而后繼續(xù)噴涂3.5 mm厚度的硅鋁涂層。

(2) 密度不均勻缺陷試樣

在不銹鋼基管上，分兩段分別采用兩種等離子噴涂工藝進(jìn)行噴涂制樣。采用上述等離子噴涂硅鋁合金標(biāo)準(zhǔn)工藝，先將不銹鋼基管外表面整根進(jìn)行噴砂和過渡層處理，然后在基管一端噴涂長度200 mm、厚度6.5 mm的高密度硅鋁涂層，之后在同一根基管間隔120 mm位置，進(jìn)行后段噴涂，參考上述等離子噴涂硅鋁合金標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)置，將電壓調(diào)整為52 V，電流調(diào)整為450 A，噴涂距離調(diào)整為120 mm，噴涂長度200 mm、厚度6.5 mm的低密度硅鋁涂層。

最終將兩個(gè)缺陷試樣分別采用240號(hào)砂紙進(jìn)行表面打磨，制成涂層厚度為6 mm的試樣進(jìn)行水浸超聲C掃描檢測(cè)。

1.3 水浸超聲C掃描檢測(cè)試驗(yàn)方法

在社會(huì)主義條件下，并不是一定會(huì)產(chǎn)生阻礙機(jī)制。蘇聯(lián)出現(xiàn)這個(gè)機(jī)制，是有其原因的。它實(shí)際上是社會(huì)歷史上形成的、行政和官僚對(duì)階級(jí)統(tǒng)治的曲解的副產(chǎn)品。蘇聯(lián)不存在有人有意識(shí)地企圖阻止蘇聯(lián)社會(huì)的發(fā)展，也沒有人專門設(shè)計(jì)這種機(jī)制。在蘇聯(lián)，阻礙機(jī)制的基礎(chǔ)是：

水浸超聲C掃描系統(tǒng)采用脈沖反射法進(jìn)行缺陷檢測(cè)。采用一個(gè)探頭兼做發(fā)射和接收器件，接收信號(hào)在探傷儀的屏幕上顯示，并根據(jù)缺陷及底面反射波的有無、大小及其在基軸上的位置來判斷缺陷的有無、大小及位置。根據(jù)靶材涂層缺陷的特性，分別采用缺陷回波法和底波高度法進(jìn)行檢測(cè)。C掃描回波信號(hào)的示意圖如圖1所示，其中圖1(a)為有缺陷情況，圖1(b)為無缺陷情況，T波形為一次水界面回波，B波形為底波。底波回波信號(hào)強(qiáng)度顯示超聲波穿透涂層時(shí)信號(hào)的衰減程度。涂層密度越高，涂層內(nèi)部的孔洞就越細(xì)小均勻，數(shù)量也越少，因而信號(hào)衰減就越少，所反映的回波信號(hào)則越強(qiáng)；涂層密度越低則相反。F波形為涂層內(nèi)部缺陷界面反射回波，可用于涂層內(nèi)孔洞缺陷檢測(cè)，也就是缺陷回波法。為獲得較高的探測(cè)靈敏度，首先需要選擇合適的超聲波探頭，探頭頻率高，則波長短，脈沖寬度小，半擴(kuò)散角小，分辨率高，聲束指向性好，能量相對(duì)集中，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷并對(duì)缺陷定位，因而檢測(cè)靈敏度較高[8-14]。

圖1 C掃描回波信號(hào)示意圖Fig.1 Echo signal diagram by C-scan: (a) with defect; (b) no defect

圖2 孔洞缺陷試樣C掃描檢測(cè)結(jié)果Fig.2 C-scan test results of the hole defect sample: (a) C-scan image; (b) typical waveform of the blue area;(c) typical waveform of the yellow area

試驗(yàn)采用美國通用公司制造的USIP40系列水浸超聲C掃描系統(tǒng)，探頭型號(hào)ALPHA/10MHZ/.25，為縱波直探頭，檢測(cè)時(shí)將試樣放置于水浸槽中，安裝在旋轉(zhuǎn)裝置上，檢測(cè)過程中由伺服控制器精確控制探頭沿旋轉(zhuǎn)靶材試樣中軸線方向勻速移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)靶材試樣沿中軸線方向勻速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，探頭位置調(diào)整到試樣管中心線位置，探頭角度調(diào)整到相對(duì)垂直于管面，探頭高度調(diào)整到一次水界面回波最強(qiáng)位置，增益設(shè)置為43.5 db，掃描步進(jìn)速率為0.1 mm·r-1，由該超聲探頭進(jìn)行靶材表面逐點(diǎn)掃描。通過系統(tǒng)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄處理?？锥慈毕菰嚇硬杉疐波強(qiáng)度信號(hào)繪制C掃描圖，所記錄信息為涂層中間異常信號(hào)。密度不均勻缺陷試樣采集B波強(qiáng)度信號(hào)繪制C掃描圖，所記錄信息為涂層底部的界面反射回波信號(hào)。其中密度不均勻缺陷試樣在超聲測(cè)試完畢后，采用電火花線切割分別破壞性取樣高密度區(qū)域和低密度區(qū)域，然后采用科貝達(dá)KBD-600E固體密度測(cè)試儀測(cè)試其實(shí)際密度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 孔洞缺陷試樣結(jié)果分析

圖2為孔洞缺陷試樣C掃描檢測(cè)結(jié)果，圖2(a)為C掃描圖像，采集F波強(qiáng)度信號(hào)繪制，即超聲波經(jīng)過涂層內(nèi)部缺陷界面后的反射回波強(qiáng)度信號(hào)，強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成顏色差異，并經(jīng)過成像系統(tǒng)放大缺陷顯示，圖2(a)中可見并列的幾個(gè)異色點(diǎn)；圖2(b)為藍(lán)色區(qū)的典型波形，可見無明顯F波信號(hào)；圖2(c)為黃色區(qū)典型波形，對(duì)應(yīng)φ1.0 mm孔洞，可見有明顯的F波產(chǎn)生，其信號(hào)強(qiáng)度約為65%，且F波所處位置為T波與B波信號(hào)中間，說明其缺陷界面位置約為涂層3 mm厚度位置。表1所示為不同尺寸孔洞缺陷的F波信號(hào)檢測(cè)結(jié)果，為避免電噪聲影響檢測(cè)結(jié)果，以信號(hào)強(qiáng)度大于10%為檢測(cè)下限。試驗(yàn)所預(yù)設(shè)的10個(gè)孔洞缺陷，F(xiàn)波信號(hào)強(qiáng)度超過10%的缺陷數(shù)量為8個(gè)，且為等間距并列分布，對(duì)應(yīng)于φ0.3～1.0 mm的8個(gè)缺陷點(diǎn)，與設(shè)計(jì)缺陷分布位置相符，所測(cè)得的單個(gè)孔洞缺陷面積與設(shè)計(jì)缺陷面積接近，誤差在18%以內(nèi)，且都為正誤差，無負(fù)誤差，說明缺陷面積檢測(cè)信號(hào)范圍放大，這是由于缺陷點(diǎn)對(duì)周邊產(chǎn)生的信號(hào)干擾引起的，不影響缺陷的發(fā)現(xiàn)。而φ0.1 mm和φ0.2 mm缺陷點(diǎn)的典型F波信號(hào)強(qiáng)度低于10%，不能列入缺陷識(shí)別范圍。

綜上所述，水浸超聲C掃描檢測(cè)采用缺陷回波法可有效檢測(cè)的孔洞缺陷分辨率為φ0.2～0.3 mm，缺陷面積的檢測(cè)誤差小于18%，這對(duì)靶材涂層氣孔缺陷的檢測(cè)具有足夠的靈敏度，并可通過F波的深度位置獲得孔洞缺陷的深度。

表1 孔洞缺陷的F波信號(hào)檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of F wave signal from the hole defect

2.2 密度不均勻缺陷試樣結(jié)果分析

圖3為密度不均勻缺陷試樣C掃描檢測(cè)結(jié)果，圖3(a)為C掃描圖像，由采集的B底波強(qiáng)度信號(hào)繪制，表示超聲波經(jīng)過涂層底部界面后的反射回波強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成的色度差異，可見涂層的高密度區(qū)和低密度區(qū)有明顯色差；圖3(b)為低密度區(qū)的典型波形，可見B底波回波信號(hào)較弱，信號(hào)強(qiáng)度為10%；圖3(c)為高密度區(qū)的典型波形，可見B底波回波信號(hào)較強(qiáng)，信號(hào)強(qiáng)度為28%。分別取樣高密度區(qū)和低密度區(qū)的涂層試樣進(jìn)行密度測(cè)試，結(jié)果顯示高密度區(qū)的涂層密度為2.214 g·cm-3，低密度區(qū)的涂層密度為2.110 g·cm-3。

綜上所述，涂層底部界面反射回波強(qiáng)度對(duì)靶材涂層的密度很敏感，呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。從原理上分析其原因?yàn)闊釃娡客繉觾?nèi)部分布著微小氣孔，其氣孔率與涂層密度直接相關(guān)，超聲波在涂層內(nèi)穿透過程中遇到微氣孔會(huì)發(fā)生反射或散射等情況，導(dǎo)致超聲波能量衰減。由于低密度涂層相比于高密度涂層的氣孔率高，從而導(dǎo)致超聲波能量衰減較多。

由此可見，C掃描檢測(cè)采用底波高度法，盡管不能體現(xiàn)出具體密度值，但可獲得B底波信號(hào)強(qiáng)度與C掃描圖像宏觀色差顯示。在實(shí)際運(yùn)用中可限定產(chǎn)品的密度下限，并生產(chǎn)試樣，檢測(cè)其對(duì)應(yīng)的B底波信號(hào)強(qiáng)度，并設(shè)定該信號(hào)強(qiáng)度作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)下限。

圖3 密度不均勻缺陷試樣的C掃描檢測(cè)結(jié)果Fig.3 C-scan test results of the density non-uniform defect sample: (a) C-scan image; (b) typical waveform of the low density area;(c) typical waveform of the high density area

3 結(jié)論

(1) 采用水浸超聲C掃描檢測(cè)等離子噴涂制備的硅鋁合金旋轉(zhuǎn)靶材，可有效識(shí)別靶材涂層內(nèi)部的孔洞缺陷，其分辨率為φ0.2～0.3 mm，具有足夠的靈敏度，并可通過F波的深度位置獲得孔洞缺陷的深度。

(2) 涂層底部界面反射回波強(qiáng)度對(duì)靶材涂層的密度很敏感，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，可利用這一特性進(jìn)行靶材涂層密度均勻性的水浸超聲C掃描檢測(cè)。

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Application of Water Immersion Ultrasonic C-scan System in Defect Detection of Plasma Spraying Targets

ZHANG Ke1, CHEN Qin-zhong2, LI Qiang1
(1. School of Materials Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China;2. Fujian Acetron New Materials Co., Ltd., Fuzhou 350200, China)

By controlling the plasma spraying process, artificial hole defect and density non-uniform defect were prepared respectively in the interior of the target coating. The water immersion ultrasonic C-scan was used to carry out the defect imaging and waveform analysis. The results show that the testing results agreed well with the artificial defects, thus validating the water immersion ultrasonic C-scan detection had enough defect sensitivity and reliability for production detection of plasma spraying target. This method shows great value for the quality control of spraying target products.

plasma spraying target; water immersion ultrasonic C-scan; defect detection; hole; density non-uniformity

2016-02-17

張 科(1985-)，男，工程師，從事濺射靶材研究工作。

李 強(qiáng)(1962-)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榈入x子噴涂制備高性能涂層技術(shù)及應(yīng)用、等離子噴涂仿真模擬等，qli@fzu.edu.cn。

10.11973/lhjy-wl201702007

O426.9

A

1001-4012(2017)02-0105-05