無損檢測技術在陶瓷材料檢測中的應用

鄒斌 帥心容 李超

（1南昌市建筑科學研究所，江西 南昌 330063；2景德鎮(zhèn)東升建設質量檢測科技有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

1 引言

隨著當前時代的發(fā)展，陶瓷材料的運用已經(jīng)不局限于擺設品、食器和裝飾材料。由于其具備耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等特殊物理化學性能，故在現(xiàn)代化工、航空航天等領域均運用廣泛，常用以制備各種精密零部件用以替代傳統(tǒng)材料。陶瓷材料制備工藝復雜、流程多，同批次材料的質量差異較大，故對陶瓷材料的質量把控尤為重要。陶瓷材料本身的高脆性、低韌性的特點，微小缺陷的存在也容易在缺陷處造成應力集中，迅速破壞。從而陶瓷材料的缺陷要求要遠高于金屬或復合材料1～2個數(shù)量級，對于精密的零部件需檢出的缺陷大小為1～30μm。整個生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生的缺陷有：表面、內(nèi)部裂紋；表面、內(nèi)部氣孔；表面落渣及縮釉；內(nèi)部夾層等。由于表面缺陷危害性較大并且影響到制品的外觀質量，因此對表面缺陷的質量把控更加重要。

傳統(tǒng)的陶瓷工業(yè)中，多采用敲擊法、目視法來判斷陶瓷制品中缺陷的存在及缺陷的大致位置，該種方法顯然不能滿足現(xiàn)代陶瓷工業(yè)的要求，因此研究一種適合現(xiàn)代陶瓷工業(yè)的無損檢測方法尤為重要。無損檢測技術（nondestructive testing，NDT），意義在不會對檢測對象的有效性及可靠性產(chǎn)生破壞的前提下，對被檢對象的整體質量（缺陷、損傷）進行定位及定量。無損檢測的常規(guī)五大檢測方法分別是：超聲法、射線法、磁粉法、滲透法、渦流法。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，新型的無損檢測技術也不斷涌現(xiàn)，例如：超聲TOFD檢測技術，數(shù)字射線技術、巴克豪森噪聲無損檢測技術、紅外熱成像檢測技術。

2 超聲檢測在陶瓷材料檢測中的應用

超聲檢測是通過超聲換能器發(fā)射超聲脈沖波通過耦合介質傳輸?shù)奖粰z對象內(nèi)部，觀察被檢對象內(nèi)部的缺陷回波或底面反射波來判斷缺陷的存在及位置。超聲法在探測被檢對象的內(nèi)部缺陷具有一定的優(yōu)勢，例如陶瓷材料的內(nèi)部裂紋、氣孔、夾渣分層等。同時，超聲檢測可以檢測陶瓷材料厚度、密度的均勻性。

超聲C掃描技術與常規(guī)超聲相比較能夠提取更為完整的聲波傳播特征信息，對陶瓷材料的內(nèi)部缺陷有較高的分辨力，對于陶瓷材料的多層層疊整個深度內(nèi)的裂紋和不連續(xù)性具有顯著優(yōu)勢。水浸超聲法將被檢對象置于水中，超聲換能器不與被檢對象表面直接接觸，用水作為耦合介質（檢測原理圖略）。該檢測具有以下優(yōu)點：1）由于耦合介質水層的存在，探頭不需要和工件直接接觸，因此檢測過程基本不會受陶瓷材料表面粗糙度的影響，并且可使得檢測“盲區(qū)”只在耦合介質水層，不影響實際檢測過程；；2）水浸掃描可實現(xiàn)自動化檢測，為檢測提供方便；3）水浸聚焦探頭由于聲束的匯聚，能使得超聲波主要能量集中在被檢測工件需要檢測部位，可滿足檢測達到較高的分辨率和靈敏度。

超聲波換能器頻率的選取尤為關鍵，頻率的選取影響缺陷檢出的靈敏度及分辨率。對于厚度較小、聲衰減較小的檢測對象一般選擇高頻探頭，而厚度較大、聲衰減較大的檢測對象則選擇高頻探頭。研究表明：當換能器頻率選為25Mhz時，可檢出陶瓷材料表面以下2mm深處長度約為10～75μm的條形缺陷；當換能器頻率選為15Mhz時，可檢出30μm左右的點狀缺陷；當換能器頻率選為30Mhz時，可檢出20μm左右的點狀缺陷。

超聲顯微鏡（ultrasonic microscope）是利用缺陷的聲阻抗率、聲衰減與陶瓷材料本身的差異來判斷缺陷的存在，工作頻率一般在100Mhz以上。由于高頻超聲波波長較短，能量較低，衰減迅速。陶瓷材料聲衰減系數(shù)較大，因此難以發(fā)現(xiàn)深度較大的缺陷。當使用10-100Mhz的低頻SAM技術時，可發(fā)現(xiàn)距離陶瓷材料表面500μm深處，直徑為130μm的體積型缺陷和10～15μm寬的表面裂紋以及400μm的分層缺陷。

3 紅外成像檢測技術在陶瓷制品中的應用

紅外熱成像檢測技術是通過不同的可控熱激勵源對被檢對象進行加熱，若被檢對象存在缺陷，瞬態(tài)的熱能量傳導可使得被檢對象表面的溫度場與內(nèi)部溫度場產(chǎn)生差異，用紅外熱像儀連續(xù)采集被檢對象溫度場變化的熱譜圖并進行圖像處理，即可對被檢對象的缺陷進行定位及定量。紅外熱成像檢測技術具有非接觸、速度快、面積大、操作簡單、適用面廣、可在線檢測等優(yōu)點。

根據(jù)激勵形式的不同可分為光脈沖熱成像、超聲激勵紅外熱成像、電磁激勵紅外熱成像。光脈沖熱成像較為傳統(tǒng)，熱激勵源為高能脈沖閃關燈，激勵源在被檢對象表面形成熱能量波并向被檢對象內(nèi)部傳播，當遇到內(nèi)部缺陷時，熱能波傳播形式發(fā)生改變。該現(xiàn)象可被熱像儀捕捉，經(jīng)過信號處理及圖像識別等技術可較為準確的判斷缺陷的大小及位置。其他的紅外成像技術還有：鎖相紅外熱成像、脈沖相位熱成像、泰赫茲激勵的紅外熱成像。

紅外熱成像技術在薄壁陶瓷材料缺陷檢測中有所優(yōu)勢，能檢出的缺陷有：空洞、脫粘層、裂紋及雜質等。紅外無損檢測方法較其他檢測方法有以下優(yōu)點：1）反應迅速，顯示直觀。適合大批量、大面積檢測；2）空間分辨力高；3）可完全實現(xiàn)自動化檢測。

4 結論與展望

適合陶瓷制品檢測的超聲法有：超聲C掃描檢測技術、超聲顯微鏡技術。超聲法對于缺陷的分辨力、檢出率較高，可用于生產(chǎn)工藝研究時產(chǎn)品質量的把控。紅外熱成像技術檢測速度快，缺陷顯示直觀，可用于批量生產(chǎn)時產(chǎn)品質量的把控。隨著當代陶瓷材料在工業(yè)中的廣泛運用，對于陶瓷材料的制作工藝、產(chǎn)品質量的要求越來越高。因此，實現(xiàn)超聲C掃描自動化檢測是今后的研究重點。