金屬基復合材料一般為雙組份結構且制造工藝復雜,容易產生各種缺陷和結構不連續性。為了確保材料和制品的質量,自金屬基復合材料問世以來,國外就積極開展了有關無損檢測技術的研究,近年來國內也開展了一些研究工作。所涉及的方法主要有:超聲波法、軟X射法、聲發射法、表面滲透法、渦流法、聲學振動法、機械阻抗法、工業CT法以及聲學顯微鏡、激光電子散斑、熱波成像等。

 

金屬基復合材料的缺陷表征方法不僅有別于一般材料而且對不同的增強劑和基材也會有所不同。近年來發展了許多可用于金屬基復合材料的無損檢測新方法，其各有特點和適用范圍，應用時需根據缺陷和損傷的特點來予以選擇。但當前對金屬基復合材料主要的無損檢測方法仍是超聲、射線照相和聲發射法。

 

超聲檢測法

 

超聲波由于具有方向性好、能量高、能在界面上產生反射、折射和波型轉換以及穿透能力強等特點，與其他技術相比具有檢測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準確等優點。

 

 

圖1 超聲檢測示意圖

 

在纖維增強金屬基復合材料中可以用來檢測材料損傷過程中微觀結構和性能的變化并判斷缺陷的發生，同時結合其它材料分析手段來評估材料力學性能下降過程及失效機理[2]。

 

超聲波反射法是利用材料中的不連續性對超聲波的反射回波進行檢測。這種方法通常對其平面垂直于聲束的不連續性尤其敏感,因此特別適合于檢測復合材料中平行于試件表面的層狀不連續性。對于圓管類試件,可使聲束沿管子的軸向和周向兩個方向傾斜入射,此時超聲橫波在管壁內沿鋸齒形路線傳播,可以檢測出管子中多種方向的不連續性。

 

聲發射（AE）檢測法

 

原理

 

從聲發射源發射的彈性波最終傳播到達材料的表面，引起可以用聲發射傳感器探測的表面位移，這些探測器將材料的機械振動轉換為電信號，然后再被放大、處理和記錄。根據觀察到的聲發射信號進行分析與推斷以了解材料產生聲發射的機制。

 

 

圖2 聲發射（AE）檢測法原理圖

 

連續纖維增強金屬基復合材料中聲發射源主要有纖維斷裂、基體裂紋、纖維-基體界面脫粘、纖維拔出等，通過對聲發射信號進行分析（參數分析和波形分析）可以判斷材料在變形、失效過程中的損傷累積，鑒別失效機制和確定損傷位置。

 

射線檢測法

 

射線檢測（Radiographic Testing），業內人士簡稱RT，是工業無損檢測（Nondestructive Testing）的一個重要專業門類。射線檢測主要的應用是探測工件內部的宏觀幾何缺陷。按照不同特征，可將射線檢測分為多種不同的方法，例如：X射線層析照相（X-CT）、計算機射線照相技術（CR）、射線照相法，等等。

 

第一行左起一：固定式磁粉探傷機；第一行左起二：射線檢測室的防護屏蔽門。 

 

第二行左起一：便攜式X射線管；第二行左起二：A型顯示的模擬式超聲波探傷儀。 

 

 

圖3 射線檢測相關設備

 

對金屬基復合材料來說，射線檢測法是一種重要的無損檢測方法，主要分為X射線照相法、X射線計算機層析掃描法(CT)、X射線實時成像法、康普頓背散射成像(CST)及中子衍射法等。X射線法可檢查金屬基復合材料中孔隙、夾雜、疏松等體積型缺陷且效果顯著，同時還能檢測出增強體分布的均勻性。但對分層缺陷的檢測很困難，對檢測工件的厚度有一定的限制，通常只能檢測與試件表面垂直的裂紋。

 

CT技術是80年代發展起來的先進的無損檢測技術，適合于金屬基復合材料內部缺陷(裂紋、夾雜物、氣孔和分層等)、密度分布(材料均勻性、微氣孔含量)等測量。早在80年代,杜邦公司[4]就已應用工業CT檢測金屬基復合材料。由于工業CT密度分辨率和空間分辨率比射線照相法要高一個數量級以上,因此它對各種缺陷的檢出能力大大優于射線照相法。

 

CT檢測的主要缺點是價格昂貴,使其在生產中的應用受到了一定的限制。

 

以鋁基復合材料為例，我們來看看對于金屬基復合材料需要進行哪些無損檢測：

 

鋁基復合材料缺陷類型與產生原因

 

鋁基復合材料的缺陷類型一般包括：孔隙、夾雜、裂紋、纖維斷裂、分層、纖維/基體界面結合不好、偏析、界面浸潤性差、顆粒團聚等，其中孔隙、分層、夾雜、裂紋、團聚是最主要的缺陷，材料中的缺陷可能只是一種類型，也有可能是好幾種類型的缺陷同時存在。

 

鋁基復合材料中缺陷產生的原因是多種多樣的，有鑄造工藝不當的原因，有環境因素方面的原因，也有運輸、使用不當的原因。對缺陷產生原因進行準確分析，可以有效地采取預防與控制措施，減少缺陷形成的概率[5-6]。

 

孔隙

 

孔隙是鋁基復合材料成型過程中形成的孔洞，是鋁基復合材料的主要缺陷之一。產生孔隙的主要原因有：①攪拌和澆鑄過程中卷入了氣體;②界面浸潤性差，空氣難以擠壓出去；③顆粒表面吸附的氣體;④成型工藝不合理。

 

對性能的影響

 

孔隙是鋁基復合材料成型工藝中普遍存在的問題，即使孔隙含量很小，對材料的許多性能都會產生有害的影響[5]。鋁基復合材料中的孔隙主要影響材料的層間剪切強度、縱向和橫向彎曲強度與模量、拉伸強度與模量、壓縮強度與模量等性能。

 

分層

 

分層是指鋁基復合材料中界面間的脫粘或開裂，也是鋁基復合材料結構中典型的缺陷，形成分層的主要原因有：①基體與纖維間熱膨脹系數不匹配或儲存時間過長；②增強材料未經處理；③外界撞擊；④含膠量過低；⑤固化工藝不合理；⑥二次成型界面粘結強度偏低。

 

對性能的影響

 

分層是鋁基復合材料中最為嚴重的缺陷類型，它通過降低材料的壓縮強度和剛度影響結構的完整性，在承受機械或熱載荷的條件下，結構中的分層會發生傳播，情況嚴重時將可能導致材料發生斷裂。

 

夾雜

 

夾雜產生的原因主要包括：①澆注模具本身含有夾雜;②鋁液在高溫熔煉和澆注過程中，會不斷產生一次和二次氧化生成Al2O3夾雜，這些夾雜吸附增強顆粒，形成夾雜顆粒團[7]。

 

對性能的影響

 

夾雜對鋁基復合材料斷裂韌性、層間剪切強度、彈性模量、拉伸強度影響都較大，在材料加工過程中，應進行嚴格的有效控制。

 

裂紋

 

裂紋也是鋁基復合材料中最為常見的一種缺陷形式。產生的原因主要包括:①固化工藝不當；②外界撞擊;③疲勞損傷;④基體環境老化等。

 

顆粒團聚

 

顆粒團聚是鋁基復合材料獨有的較為特殊的缺陷。顆粒加人方式的不正確和攪拌工藝參數的不合理是造成顆粒團聚的主要原因。另外，使用過程中的過載或疲勞可能引起纖維斷裂；應力疲勞與基體老化可能導致纖維與基體界面開裂。

 

對性能的影響

 

顆粒團聚會降低材料的彈性模量、產生疲勞裂紋、導致應力集中、使疲勞裂紋產生偏轉；還會影響材料的延展性，斷裂韌性。

 

鋁基復合材料常用的無損檢測方法

 

鋁基復合材料中的缺陷，用常規的機械與物理方法一般不能滿足檢驗精度要求，也不能采用破壞性實驗方法進行檢測，必須對其進行無損檢測?？蓱糜阡X基復合材料結構中缺陷無損檢測的方法有很多，包括聲發射法、聲學振動檢測法、超聲波檢測、射線檢測法、液體滲透法等[8]。各種方法的適用范圍及優缺點列于表1。

 

表1  鋁基復合材料無損檢測方法比較

 

 

由此可見，適用于鋁基復合材料結構的無損檢測技術很多，不同的檢測技術對不同類型缺陷的敏感性差別很大，同時還與結構的材料類型、制造工藝、材料結合方式、壁厚等因素密切相關。應根據材料中可能存在的缺陷類型以及缺陷所處的大概深度、取向等因素選擇適當的方法進行檢測。本文主要綜述超聲波檢測法、射線檢測法在Al2O3短纖維增強鋁基復合材料（Al203/Al)及SiC增強鋁基復合材料(SiC/Al)無損檢測中的實際應用。

 

超聲波檢測技術

 

超聲波發射法

 

用顆?；蚓ы氃鰪姷腟iC/Al復合材料坯料及用坯料制成的擠壓件、鍛件和板材，特別適合于采用超聲波反射法進行檢驗，目前已在生產中應用，如美國ACMC公司等。而用纖維增強的SiC/Al材料，因厚度一般較薄且表面不平整，用反射法檢測較困難[9]。

 

超聲波速度法

 

一些研究工作表明，超聲波的傳播速度與鋁基復合材料的孔隙率、增強體含量和各向異性等因素有關，也與材料的楊式模量、增強體與基體晶粒尺寸比有關。

 

P.L.Rohatgi利用脈沖反射法對陶瓷顆粒增強的鋁基復合材料的縱波聲速進行了測量，得到了縱波聲速與增強體體積分數之間的關系，如圖4所示[7]。Yong—MooCheong等人對粉末冶金制備的SiCp/Al進行了研究，通過測量材料不同方向的橫波、縱波、準橫波和準縱波的波速對彈性常數矩陣進行求解，進而得到了不同SiCp體積百分比試樣的楊氏模量和泊松比[8]。

 

 

(由左至右Si含量分別為10%、15%、20%、25%、30%)

圖4 SiC/p均勻性檢測圖像

 

超聲波衰減法

 

測量超聲衰減的技術通常有試件背面回波法、穿透法和反射板法(兩次穿透法）等。美國西屋研究與發展中心，研究了SiC(晶須)/Al復合材料鍛件試樣的超聲衰減與材料斷裂韌性的關系，如表2所示[9]。表中試件背面反射回波的次數代表了材料聲衰減的大小，反射次數愈少說明衰減愈大。該中心根據反射次數的多少對材料確定了優、良、差三個等級。

 

國內魏勤等人在1.25MHz、2.5MHz、5MHz和10MHz4種頻率下分別對SiC含量為5%、7%、9%和12%的4種6066型SiCp/Al試樣進行了超聲波衰減系數與SiC增強體體積百分比之間對應關系的研究，并得出了相應的對應表達式。

 

表2實測的斷裂韌性與聲衰減（背面反射次數）的關系

 

 

超聲波C掃描檢測

 

超聲波檢測技術，特別是超聲C掃描，由于顯示直觀、定量方便、檢測精度高等特點，已成為鋁基復合材料及其構件普遍采用的檢測技術。

 

特拉華州立大學的IanHall等人對含有Al2O3纖維增強鋁基復合材料平板式試樣進行了超聲波C掃描成像，圖像中可清晰地發現纖維斷裂[7]。

 

魏勤等人利用超聲波C掃描對SiCp顆粒增強鋁基復合材料(SiCp/Al)平板試樣進行了檢測，圖像中可以清晰地看出材料中團聚和孔洞。下圖為Al2O3/Al復合材料活塞鑲環粘結質量超聲波C掃描檢測研究，圖5為氣孔、分層兩種缺陷的超聲波C掃描成像。

 

 

圖5氣孔、脫粘缺陷的C掃描圖像

 

射線照相檢測

 

射線檢測法特別適合于檢測鋁基復合材料中的孔隙、夾雜等體積型缺陷。這種方法對垂直于材料表面的裂紋具有較高的檢測靈敏度和可靠性，但是對分層缺陷的檢測很困難，對平行于材料表面的裂紋射線檢測技術也不敏感。在所有的射線檢測技術中，膠片射線照相技術應用最為廣泛，該技術已經比較成熟，許多國家都建立了針對鋁基復合材料的膠片射線照相技術規范或標準。

 

在Al基復合材料的研究和檢測中，基于工業CT的特點，其用途主要可以歸結為：檢測孔隙、夾雜、夾渣、裂紋等各種缺陷；能夠給出掃描物體斷層面內材料密度的二維空間分布，通過分析斷層面內密度分布，就可以獲得復合材料內部密度均勻性、微孔隙體積含量與分布等方面的信息。

 

早在80年代，杜邦公司就已應用工業CT檢測金屬基復合材料。由于工業CT密度分辨率和空間分辨率比射線照相法要高一個數量級以上，因此它對各種缺陷的檢出能力大大優于射線照相法。

 

下圖為Al2O3/Al鋁基復合材料活塞內冷油道鑄造缺陷的工業CT檢測研究，圖6為某只Al2O3/Al活塞油道典型CT掃描圖像，圖7為另一只Al2O3/Al活塞油道中發現有鋁的CT圖像。

 

利用工業CT技術可在不破壞制品的情況下對較精密制品的裝配質量進行高精度、高效率檢測，從而保證制品的裝配質量。Digiray公司研制了一種無底片系統實時產生三維圖像來顯示金屬基、陶瓷基以及其它復合材料的腐蝕和損傷情況，該系統已用作F—117戰斗機的質量保證系統。

 

 

圖6油道典型CT圖像

 

 

圖7油道中有鋁的CT圖像

 

利用工業CT檢測技術對制品內部密度分布狀況進行綜合定量評價，是缺陷定性的重要途徑。通過密度標定，可以實現對制品中的缺陷進行定性、定量分析，找出缺陷的形成機理，給生產部門及時準確地提供制品的質量信息，為工藝改進提供依據。

 

結語

 

缺陷的存在對復合材料結構的使用安全構成極大威脅。不同的檢測技術都具有各自不同的優點和使用局限性，在檢測方法選擇時，應綜合材料結構、尺寸、結合方式、制造工藝以及缺陷的類型、取向和檢測效率、要求的靈敏度、檢測成本等方面的因素。