[發(fā)明專利]一種多層固體介質(zhì)材料內(nèi)部豎直缺陷檢測(cè)方法及裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010031134.5
• 申請(qǐng)日: 2020-01-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113109450A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡桂喜;李經(jīng)明;張博;李建奎;王玉敏;吳穎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號(hào): G01N29/24
• 分類號(hào): G01N29/24;G01N29/265;G01N29/04
• 代理公司: 沈陽(yáng)晨創(chuàng)科技專利代理有限責(zé)任公司 21001
• 代理人: 張晨

本發(fā)明針對(duì)解決具有多層固體介質(zhì)特征的復(fù)合材料內(nèi)部豎直缺陷難以檢測(cè)的共性問(wèn)題。利用復(fù)合材料中特有的多層固體分層結(jié)構(gòu)特征，利用兩種固體介質(zhì)的聲學(xué)差異性形成邊界效應(yīng)，提出了一種基于超聲爬波傳播特性的檢測(cè)方法：當(dāng)超聲爬波沿異質(zhì)界面?zhèn)鞑r(shí)，遇到缺陷會(huì)激勵(lì)出衍射波的特性。具體是采用一種超聲爬波與聚焦技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合超聲檢測(cè)技術(shù)，借助具有三維自動(dòng)掃查功能的裝置，以發(fā)展出一種簡(jiǎn)單快速實(shí)用的無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)。解決了類似航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉環(huán)用纖維增強(qiáng)金屬基等具有分層結(jié)構(gòu)特征的復(fù)合材料難以檢測(cè)的問(wèn)題，保證了其加工質(zhì)量和服役安全性，該述方法同樣適用于其它多層固體介質(zhì)復(fù)合材料內(nèi)部豎直缺陷的檢測(cè)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉復(fù)合材料構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，檢測(cè)對(duì)象為具有多層固體界面結(jié)構(gòu)特征的一類復(fù)合材料，且各固體層之間具有明顯的聲學(xué)差異性。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)用SiC纖維增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料整體葉環(huán)構(gòu)件。

背景技術(shù)

復(fù)合材料是一類由兩種或兩種以上化學(xué)、物理性質(zhì)不同的材料組分構(gòu)成的新材料。其中有一類復(fù)合材料具有多層固體夾心結(jié)構(gòu)特征，是使用在一定承力工況下的結(jié)構(gòu)材料，主要包括夾層復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料等。纖維增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料具有增強(qiáng)體與基體材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，在航空航天、核電、武器裝備、汽車(chē)等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。例如，連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(Ti-MMC)因其高比強(qiáng)、高比模量、好的尺寸穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度是航空航天工業(yè)中結(jié)構(gòu)件的候選材料。它是理想的適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料。由SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料所制造的整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)在減重、承受環(huán)向載荷等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，逐漸成為減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量的重要途徑。然而，目前碳化硅纖維制造成本高昂，整體葉環(huán)制造工藝還不夠成熟。由于加工制造缺陷對(duì)Ti-MMC性能有非常大的影響，除了需要繼續(xù)突破整體葉環(huán)的設(shè)計(jì)與加工制造關(guān)鍵技術(shù)外，還必須建立連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料環(huán)件的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，才有可能實(shí)現(xiàn)其工程化應(yīng)用。

連續(xù)纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料因具有多界面復(fù)合結(jié)構(gòu)，其缺陷的無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題比常規(guī)均質(zhì)整體材料要復(fù)雜得多。其中的缺陷主要包括:纖維斷裂、纖維/基體的分離、纖維的滑動(dòng)和拔出、基體裂紋等，其中以纖維斷裂最具危害性。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)Ti-MMC的缺陷無(wú)損檢測(cè)主要檢測(cè)方法有：聲發(fā)射(AE)、X射線和超聲等。聲發(fā)射技術(shù)主要用在力學(xué)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)工件持續(xù)加力過(guò)程中，纖維發(fā)生斷裂的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)并研究其斷裂機(jī)理，因此不能用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)上的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)，工程應(yīng)用意義不大。X射線、工業(yè)CT屬于透射成像，發(fā)射光強(qiáng)、材料衰減系數(shù)及工件尺寸直接決定了檢測(cè)的精準(zhǔn)程度，當(dāng)工件厚度大于20mm以上時(shí)，兩種方法的圖像分辨力明顯不足。超聲波檢測(cè)技術(shù)是常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法，工業(yè)生產(chǎn)中常采用脈沖反射法。對(duì)于微小缺陷的檢測(cè)常采用水浸聚焦探頭，以提高聚焦區(qū)的超聲波能量，并且通過(guò)提高探頭頻率的方法，來(lái)提高對(duì)微小缺陷檢測(cè)的靈敏度和分辨率。例如，采用100MHz高頻探頭的超聲顯微鏡，可以檢測(cè)出埋深在2～3mm區(qū)間的纖維環(huán)中的開(kāi)裂缺陷。但隨著檢測(cè)深度的增加，超聲波聲束擴(kuò)散嚴(yán)重，超聲顯微鏡成像分辨率迅速降低。由于實(shí)際工程應(yīng)用的整體葉環(huán)件的厚度大多介于20mm～100mm之間，因此，上述無(wú)損檢測(cè)方法都難以實(shí)現(xiàn)對(duì)增強(qiáng)纖維區(qū)進(jìn)行質(zhì)量控制。

發(fā)明內(nèi)容

為解決類似整體葉環(huán)(Ti-MMC)構(gòu)件等具有多層固體介質(zhì)特征的復(fù)合材料內(nèi)部豎直缺陷難以檢測(cè)的共性問(wèn)題。本發(fā)明根據(jù)該類材料中特有的多層固體“夾心”結(jié)構(gòu)特征，利用兩種固體介質(zhì)的聲學(xué)差異性形成邊界效應(yīng)，提出了一種基于超聲爬波傳播特性的檢測(cè)方法：當(dāng)超聲爬波沿異質(zhì)界面?zhèn)鞑r(shí)，遇到缺陷會(huì)激勵(lì)出衍射波的特性。具體是采用一種超聲爬波與水浸聚焦技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合超聲檢測(cè)技術(shù)，借助具有三維自動(dòng)掃查功能的裝置，以發(fā)展出一種簡(jiǎn)單快速的針對(duì)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造質(zhì)量的檢驗(yàn)技術(shù)，以保證其加工質(zhì)量和服役安全性，該述方法同樣適用于其它多層固體介質(zhì)復(fù)合材料內(nèi)部豎直缺陷的檢測(cè)。

本發(fā)明技術(shù)方案如下：