工程陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫等物理和機械性能,已廣泛應用于航空航天裝備等尖端領域。

工程陶瓷制品加工工序復雜,每道工序都可能形成影響性能的缺陷, 因此,有必要采用高靈敏度的測試手段對陶瓷材料微缺陷進行全面檢測。

無損檢測(NDT)在不改變被檢對象使用性能的前提下評價材料完整性和連續(xù)性,檢出固有缺陷及其形狀、位置和大小等信息,適于檢測加工效率低而成本高的工程陶瓷材料的缺陷情況。

▍液體滲透檢測技術(PT)

液體滲透檢測利用液體毛細管作用原理,能夠對多種材料及其制件表面開口缺陷進行非破壞性檢查。可檢測出非多孔性、固相材料開口于表面之間斷。

對均勻而致密的工程陶瓷材料,熒光或著色滲透方法能檢出開度小至1μm的氣孔、裂紋等表面缺陷,但對材料表面粗糙度和整潔度要求高,未經預清洗或沾有污物的表面和空隙會產生附加背景,影響識別檢測結果。

Si3N4陶瓷球表面缺陷滲透檢測圖像

滲透檢測的基本原理：滲透檢測是基本與液體的毛細作用（或毛細現象）和固體染料在一定條件下的發(fā)光現象。

滲透檢測的工作原理：滲透劑在毛細管作用下,滲入表面開口缺陷內;在去除工件表面多余的滲透劑后,通過顯象劑的毛細管作用將缺陷內的滲透劑吸附到工件表面形成痕跡而顯示缺陷的存在。

滲透檢測的流程：

▍超聲檢測技術（UT）

超聲檢測利用超聲波在彈性介質中傳播,在界面產生反射、折射等特性來探測材料內部或表面/亞表面缺陷。

目前,國外開始將人工智能、激光技術、數字信號處理、神經網絡以及斷裂力學知識與超聲檢測相結合,對陶瓷制品的強度和剩余壽命進行評估。

超聲波工作的原理：主要是基于超聲波在試件中的傳播特性。

a.聲源產生超聲波，采用一定的方式使超聲波進入試件；

b.超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；

c.改變后的超聲波通過檢測設備被接收，并可對其進行處理和分析；

d.根據接收的超聲波的特征，評估試件本身及其內部是否存在缺陷及缺陷的特性。

超聲波技術在工程陶瓷材料無損檢測中的應用：

▍微焦點射線檢測技術

常規(guī)工業(yè)X射線設備焦點尺寸為1～ 4 mm,0. 2～ 0.5 mm被稱做小焦點,工業(yè)微焦點范圍為0. 05～0.001 mm。相對于常規(guī)射線照相設備,微焦點X射線成像系統(tǒng)對缺陷的識別能力更高。

傳統(tǒng)射線照相和微焦點成像的比較

因為X射線源的大焦點、膠片顆粒度或熒光屏的雜斑等會導致圖像清晰度和對比度下降,限制了所得到的信息量。而微焦點技術可通過圖像投影放大獲得更多的圖像細節(jié)。

微焦點X射線法能檢出陶瓷材料內部小至10μm的裂紋,但裂紋延展方向應與射線束方向一致。

▍激光超聲檢測技術

利用激光產生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類。直接式是使激光與被測材料直接作用，通過熱彈性效應或燒蝕作用等激發(fā)出超聲波；間接式則是利用被測材料周圍的其它物質作為中介來產生超聲波。

激光超聲以非接觸式激光干涉儀接收超聲波,能夠遠距離遙控操作并極具抗干擾性,可精確檢測工程陶瓷材料表面缺陷位置和尺寸,對內部裂紋及孔穴有較好的檢測效果。

激光超聲干涉可視化技術原理圖

▍紅外熱成像檢測技術

紅外檢測(infrared testing)基于熱輻射的普朗克定律,掃描工件外表面由于缺陷引起的溫度差異,從而測定表面或內部缺陷位置。

工程陶瓷材料需要經過高溫燒結才能變得致密堅硬,紅外檢測技術能在粉體燒結階段對陶瓷質量進行控制和分級篩選。在陶瓷無損檢測中利用紅外技術與掃描成像系統(tǒng)結合,可對氮化硅透平葉片進行缺陷檢查,發(fā)現表面約100μm的細小裂紋。

利用紅外熱波檢測陶瓷試件

紅外熱波檢測技術具有快速檢測陶瓷材料面積型缺陷的潛力,檢出微缺陷成功率高,應用前景十分廣闊,但今后還需解決工件表面、背景輻射及缺陷大小和深度對檢測靈敏度影響的問

題,相應的溫度記錄曲線的解釋必須借助專業(yè)知識。

▍聲發(fā)射檢測技術

聲發(fā)射檢測(acoustic emission testing)通過接收陶瓷受應力時工件內部裂紋形成和生長發(fā)出的聲信號判斷聲發(fā)射源的位置信息和實時活動情況，主要用于在線監(jiān)測陶瓷材料內部缺陷動態(tài)擴展過程,進行陶瓷壽命預測和質量評估。

聲發(fā)射檢測系統(tǒng)構成圖

與金屬材料不同,陶瓷材料運用聲發(fā)射檢測需要考慮聲信號的衰減,尤其是不同方向的聲發(fā)射信號衰減和聲速變化規(guī)律。材料缺陷大小會影響聲發(fā)射信號強弱,環(huán)境和檢測設備的噪聲也會對傳感器產生干擾,解決好這些問題便能為聲發(fā)射檢測帶來更好的發(fā)展。

▍工業(yè)CT技術(ICT)

工業(yè)CT利用高能射線掃描工件得到斷層投影數據,經圖像重建算法重建出斷層圖像,被譽為

最佳的無損檢測手段。

工業(yè)CT優(yōu)勢：

• 空間和密度分辨率小于0.5%

• 成像尺寸精度高

• 不受工件材料種類和幾何形狀限制

• 可生成材料缺陷的三維圖像

工業(yè)CT系統(tǒng)

工業(yè)CT在工程陶瓷結構尺寸、材料均勻性、微孔率精確測量和整體微裂紋、夾雜物、氣孔和異常大晶粒等缺陷檢測中極具研究和應用潛力。