CN108120771A - 用于超声检测复合材料组织均匀性的对比试块及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料的超声无损检测技术领域，特别涉及用于超声检测复合材料组织均匀性的对比试块及制备方法。该对比试块通过在颗粒增强金属基复合本体材料中不同区域内置与本体材料体积分数不同的复合材料形成，主要采用冷等静压、热等静压和机加工制备而成；使用超声检测仪对试块进行检测，可获得颗粒不同体积分数区域的检测波形图，在实际复合材料检测中，将检测结果与对比试块图谱对照，结合理论计算，即可获知在该复合材料内部的颗粒偏聚程度；本发明提供的对比试块为超声检测复合材料组织均匀性提供了一种真实有效的对比及评价标准，提高了检测效率。

Description

用于超声检测复合材料组织均匀性的对比试块及制备方法
技术领域
本发明属于复合材料的超声无损检测技术领域，特别涉及用于超声检测复合材料组织均匀性的对比试块及制备方法。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料具有高的比刚度、比强度以及良好的韧性和抗疲劳等特点，目前这种材料已经被广泛应用到航空、航天等高技术领域中。颗粒增强金属基复合材料的内部结构直接影响材料性能，目前常见的结构缺陷有气孔、裂纹、夹杂和颗粒分布不均匀4种类型，对于前3种缺陷，可以通过调整工艺减少甚至杜绝缺陷产生。而陶瓷颗粒在基体中分布不均匀型缺陷却很难避免。因此，精准、高效地检测颗粒增强复合材料中陶瓷颗粒分布均匀性，对颗粒增强复合材料的试验研究、工业应用都具有重大意义。
传统的材料检测方法一般需要破坏试样，存在操作复杂，检测区域受限，资源浪费等问题。无损检测方法以不损害被检测对象的使用性能为前提，应用广泛，在各种无损检测方法中，超声检测是一种可用于检测大尺寸坯料内部缺陷常用的方法；针对不同的检测材料，确定合适的检测方案，提高检测结果精准性是目前的研究热点。
目前利用超声无损检测颗粒增强金属基复合坯料的气孔、裂纹型缺陷时，通常是参照常规金属的超声检测方法，且应用良好；但颗粒偏聚是颗粒增强金属基复合材料特有的缺陷类型，无法借用常规金属的检测方法进行超声检测，目前尚无公开报道利用对比试块检测颗粒分布均匀性的超声检测技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于超声检测金属基复合材料组织均匀性的对比试块及制备方法，具体技术方案如下：
一种用于超声检测金属基复合材料组织均匀性的对比试块，所述对比试块为在本体材料中不同区域内置与本体材料体积分数不同的复合材料的试块，其中本体材料为颗粒增强金属基复合材料；
所述颗粒增强金属基复合材料中，基体金属材料为铁合金、铝合金、铜合金、镁合金或钛合金，增强颗粒为硅颗粒、碳化硅颗粒、碳化硼颗粒或碳化钨颗粒，本体材料中增强颗粒的体积分数为5～70％。
所述对比试块为长方体，高为10～300mm，所述本体材料中不同区域为圆柱形区域，圆柱直径为2～10mm，高度为1～5mm，不同圆柱形区域中复合材料的颗粒体积分数不同。
所述圆柱形区域距离试块上表面的深度相同或不同，深度为6～200mm，试块上表面为检测平面。
所述圆柱形区域中复合材料的颗粒体积分数与本体材料颗粒体积分数相差10～50％。
一种用于超声检测金属基复合材料组织均匀性的对比试块的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)称取基体金属粉末与增强颗粒，均匀混合后在胶皮套内捣实压平，得到增强颗粒体积分数为5～70％的金属基复合材料本体坯料；
(2)调整基体金属粉末与增强颗粒的混合比例，得到与本体坯料颗粒体积分数相差10～50％的混合粉末；
(3)将步骤(1)得到的本体坯料进行冷等静压成型，得到冷等静压态的本体坯料；
(4)在冷等静压态本体坯料上表面，加工出1～8个、深度为10～205mm的圆柱形孔，在圆柱形孔中分别加入步骤(2)得到的增强颗粒体积分数不同的混合粉末，压实后高度为1～5mm；用与本体坯料增强颗粒体积分数相同的混合粉末，填满、压实、修平圆柱形孔，得到对比试块坯料；
(5)将步骤(4)得到的对比试块坯料放入包套内进行热等静压成型，得到致密型对比试块坯锭；
(6)将步骤(5)得到的致密型对比试块坯锭加工成厚度为10～300mm的试块，试块上下表面粗糙度达到Ra1.6。
所述步骤(3)中冷等静压成型压力为100～300MPa，保压时间10～30分钟。
所述步骤(4)中在圆柱形孔中加入混合粉末的增强颗粒体积分数梯度递增。
所述步骤(5)中热等静压温度为500～650℃，成型压力为80～150MPa，保压时间2～4小时。
对所得到的对比试块进行超声检测，可以得到在本体复合材料内部颗粒体积分数不同区域产生的超声反射图谱，利用超声检测实际复合材料，将检测结果与对比试块图谱对照，结合理论计算，即可得到在该复合材料内部的颗粒偏聚程度。
本发明的有益效果为：
(1)采用本发明制备出的对比试块对金属基复合材料进行超声检测，能高效准确的检测出复合材料内部颗粒偏聚缺陷，避免出现缺陷的误判和漏判；
(2)本发明提供的对比试块为超声检测复合材料组织均匀性提供一种真实有效的对比及评价标准，可以高效无损检测颗粒增强金属基复合材料内部颗粒分布不均匀的缺陷，进而推动颗粒增强金属基复合材料的试验研究和工业发展。
附图说明
图1为本发明对比试块内圆柱体区域距试块上表面高度相同的剖面示意图；
图2为本发明对比试块内圆柱体区域距试块上表面高度不同的剖面示意图；
标号说明：1-试块检测平面；2-试块本体；3-试块内圆柱体区域；
图3为本发明实施例1中内置SiC体积分数含量为25％、扁平圆柱孔的对比试块的超声图谱；
图4为本发明实施例2中内置WC体积分数含量为20％、扁平圆柱孔的对比试块的超声图谱。
具体实施方式
本发明提供了一种用于超声检测金属基复合材料组织均匀性的对比试块及制备方法，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
图1、2分别为本发明对比试块内圆柱体区域距试块上表面高度相同、不同的剖面示意图；对比试块为长方体试块，试块本体2材料为颗粒增强金属基复合材料，在本体2材料中特定圆柱形区域3内预先埋入颗粒体积分数不同的复合材料，圆柱形区域3距离试块检测平面1即试块上表面的距离可以相同，也可以呈阶梯状递增。
实施例1
用于超声检测体积分数为15％SiC颗粒增强铝基复合材料组织均匀性的对比试块，是一个长、宽、高分别为200mm、100mm、300mm的长方体试块，试块内4个直径为5mm的圆柱体区域距离试块上表面深度均为200mm，高度为2～3mm，试块上下表面粗糙度达到Ra1.6；试块本体是15％SiC颗粒增强铝基复合材料，4个圆柱体区域中SiC颗粒体积分数分别为25％、35％、45％、55％。
所述对比试块的制备方法，包括以下步骤：
(1)计算、称取、均匀混合SiC颗粒和Al合金粉末，得到体积分数15％SiC颗粒和85％Al合金粉末的混合粉末，并放入胶皮套捣实压平得到长方体形状的复合材料本体坯料；
(2)重新计算、称量、配置SiC颗粒体积分数分别为25％、35％、45％、55％的混合粉末，并混合均匀；
(3)将步骤(1)得到的本体坯料在常温下进行冷等静压成型，压力为100MPa，保压时间30分钟，得到冷等静压态的本体坯料；
(4)修平冷等静压态本体坯料上表面，并在上表面加工出4个直径为5mm，深度110mm的圆柱形孔，将步骤(2)得到的体积分数为25％、35％、45％、55％SiC颗粒的混合粉末分别置入4个圆柱孔中，并压实，压实后高度为2～3mm；用含有体积分数15％SiC颗粒的混合粉末即与复合材料本体坯料相同组成的混合粉末将圆柱孔填满、压实、修平，得到对比试块坯料；
(5)将步骤(4)得到的对比试块坯料放入包套内进行热等静压成型，成型温度为650℃，成型压力为80MPa，保压时间4小时，得到完全致密的对比试块坯锭；
(6)将步骤(5)得到的致密型对比试块坯锭机器加工成长200mm、宽100mm、高300mm的长方体试块，使试块内部颗粒体积分数不同区域的上表面距离试块的上表面108mm，试块上下表面粗糙度达到Ra1.6。
用超声检测仪对实施例1的试块进行检测，可以得到在15％SiC颗粒增强铝基复合材料中，SiC体积分数含量分别为25％、35％、45％、55％，反射当量为扁平圆柱孔的超声图谱；
其中，内置SiC体积分数含量为25％的扁平圆柱孔的对比试块的超声图谱，具体如附图3所示；利用超声检测仪检测内置有SiC体积分数分别为35％、45％、55％的扁平圆柱孔的对比试块，得到试样内不同偏聚程度缺陷即不同体积分数SiC扁平圆柱孔对应的超声图谱，通过对比分析内置已知颗粒偏聚程度的对比试块和待测试样的超声图谱，即能确定待测试样中缺陷类型是否为颗粒偏聚，并确定该缺陷的颗粒偏聚程度。
实施例2
用于超声检测体积分数为60％WC颗粒增强铜基复合材料组织均匀性的对比试块，是一个长、宽、高分别为100mm、100mm、15mm的长方体试块，试块内4个直径为2mm的圆柱体区域距离试块上表面深度均为10mm，高度为1～2mm，试块上下表面粗糙度达到Ra1.6；试块本体是60％WC颗粒增强铜基复合材料，4个圆柱体区域中WC颗粒体积分数分别为20％、30％、40％、50％。
所述对比试块的制备方法，包括以下步骤：
(1)计算、称取、均匀混合WC颗粒和Cu合金粉末，得到体积分数60％WC颗粒和40％Cu合金粉末的混合粉末，并放入胶皮套捣实压平得到长方体形状的复合材料本体坯料；
(2)重新计算、称量、配置WC颗粒体积分数分别为20％、30％、40％、50％的混合粉末，并混合均匀；
(3)将步骤(1)得到的本体坯料在常温下进行冷等静压成型，成型压力为300MPa，保压时间10分钟，得到冷等静压态的本体坯料；
(4)修平冷等静压态本体坯料上表面，并在上表面加工出4个直径为2mm，深度12mm的圆柱形孔，将步骤(2)得到的体积分数为20％、30％、40％、50％WC颗粒的混合粉末分别置入4个圆柱孔中，并压实，压实后高度为1～2mm；用含有体积分数60％WC颗粒的混合粉末将圆柱孔填满、压实、修平，得到对比试块坯料；
(5)将步骤(4)得到的对比试块坯料放入包套内进行热等静压成型，成型温度500℃，保压压力150MPa，保压时间2小时，得到完全致密的对比试块坯锭；
(6)将步骤(5)得到的致密型对比试块坯锭机器加工成长100mm、宽100mm、高15mm的长方体试块，使使试块内部颗粒体积分数不同区域的上表面距离试块的上表面10mm，试块上下表面粗糙度达到Ra1.6。
用超声检测仪对实施例1的试块进行检测，可以得到在60％WC颗粒增强铝基复合材料中，WC体积分数含量分别为20％、30％、40％、50％，反射当量为扁平圆柱孔的超声图谱；
其中，内置WC体积分数含量为20％的扁平圆柱孔的Cu合金对比试块的超声图谱，具体如附图4所示；利用超声检测仪检测内置有WC体积分数分别为30％、40％、50％的扁平圆柱孔的对比试块，得到试样内部不同偏聚程度缺陷即不同体积分数WC扁平圆柱孔对应的超声图谱，通过对比分析内置已知颗粒偏聚程度的对比试块和待测试样的超声图谱，即能确定待测试样中缺陷类型是否为颗粒偏聚，并确定该缺陷的颗粒偏聚程度。

Claims (8)

1.一种用于超声检测金属基复合材料组织均匀性的对比试块，其特征在于，所述对比试块为在本体材料中不同区域内置与本体材料体积分数不同的复合材料的试块，其中本体材料为颗粒增强金属基复合材料；
所述颗粒增强金属基复合材料中，基体金属材料为铁合金、铝合金、铜合金、镁合金或钛合金，增强颗粒为硅颗粒、碳化硅颗粒、碳化硼颗粒或碳化钨颗粒，本体材料中增强颗粒的体积分数为5～70％。
2.根据权利要求1所述的对比试块，其特征在于，所述对比试块为长方体，高为10～300mm，所述本体材料中不同区域为圆柱形区域，圆柱直径为2～10mm，高度为1～5mm，不同圆柱形区域中复合材料的颗粒体积分数不同。
3.根据权利要求2所述的对比试块，其特征在于，所述圆柱形区域距离试块上表面的深度相同或不同，深度为6～200mm，试块上表面为检测平面。
4.根据权利要求2所述的对比试块，其特征在于，所述圆柱形区域中复合材料的颗粒体积分数与本体材料颗粒体积分数相差10～50％。
5.根据权利要求1～4任一项权利要求所述的对比试块的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)称取基体金属粉末与增强颗粒，均匀混合后在胶皮套内捣实压平，得到增强颗粒体积分数为5～70％的金属基复合材料本体坯料；
(2)调整基体金属粉末与增强颗粒的混合比例，得到与本体坯料颗粒体积分数相差10～50％的混合粉末；
(3)将步骤(1)得到的本体坯料进行冷等静压成型，得到冷等静压态的本体坯料；
(4)在冷等静压态本体坯料上表面，加工出1～8个、深度为10～205mm的圆柱形孔，在圆柱形孔中分别加入步骤(2)得到的增强颗粒体积分数不同的混合粉末，压实后高度为1～5mm；用与本体坯料增强颗粒体积分数相同的混合粉末，填满、压实、修平圆柱形孔，得到对比试块坯料；
(5)将步骤(4)得到的对比试块坯料放入包套内进行热等静压成型，得到致密型对比试块坯锭；
(6)将步骤(5)得到的致密型对比试块坯锭加工成厚度为10～300mm的试块，试块上下表面粗糙度达到Ra1.6。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中冷等静压成型压力为100～300MPa，保压时间10～30分钟。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中在圆柱形孔中加入混合粉末的增强颗粒体积分数梯度递增。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中热等静压温度为500～650℃，成型压力为80～150MPa，保压时间2～4小时。
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