CN109212039A - 颗粒增强金属基复合材料中增强体含量的无损测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种颗粒增强金属基复合材料中增强体含量的无损测量方法，属于无损检测技术领域。本发明采用水浸自动C扫描检测技术进行数据采集，测量精度高、重复性好，克服了传统的接触法检测自动化程度低、易受人为因素影响的缺点；可实现被检对象表面100％检测，检测结果直观且便于存储，不但能够测量出被检对象上任意位置的增强体含量，还可在二维彩色声速成像图上直接观察到不同区域的增强体分布均匀性。本发明采用常规水浸超声C扫描检测系统结合简单的数据处理即可实现声速的二维成像，从而测量出增强体含量，不要求检测系统本身具备声速成像功能，因而对于检测设备要求不高，可操作性好，并且测量速度快，有效降低时间和经济成本。

Description

颗粒增强金属基复合材料中增强体含量的无损测量方法
技术领域
本发明是一种颗粒增强金属基复合材料中增强体含量的无损测量方法，属于无损检测技术领域。
背景技术
作为一种新兴的高性能材料，随着生产工艺的逐渐成熟，颗粒增强金属基复合材料被越来越广泛地应用于航空航天及其它领域。由于粉末冶金工艺的特点，颗粒增强金属基复合材料的性能受加工过程影响较大，材料内部常常出现孔洞、裂纹、夹杂、增强颗粒分布不均匀等缺陷，从而导致制件组织和性能不均匀，产生应力集中和局部塑性，同时还会影响材料的延展性和断裂韧性，出现的颗粒团聚还将成为疲劳裂纹萌生源，降低疲劳寿命，因此有必要对其进行严格的检测和质量控制。目前，通常采用密度法及电导率法进行增强体含量及均匀性的评价，但现有方法仍存在一些局限性。例如，密度法的结果显示不直观，无法得到局部区域的增强体分布信息；电导率法受表面状态、提离效应等因素影响大。因此，对于颗粒增强金属基复合材料增强体含量及分布均匀性无损评价方法的需求越来越强烈。
发明内容
本发明针对上述问题提出了一种颗粒增强金属基复合材料增强体含量无损测量方法，本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该方法的步骤是：
(1)对比试块的制作
(1.1)不同增强体含量复合材料坯料的制作
采用粉末冶金工艺，选取与被检对象牌号和粒径相同的增强体及基体粉末，精确称重后制作增强体含量梯度分布的一组不少于3种金属基复合材料的坯料，坯料制作包括雾化制粉，粉末的混合、球磨、烘干、筛分，装包套、除气，热等静压、锻造以及其它后处理步骤，除粉末配比不同外，坯料的制作工艺与被检对象完全相同；
(1.2)对比试块用料的选取
采用纵波直入射水浸超声C扫描检测技术，对不同粉末金属基复合材料的坯料进行内部缺陷检测，选取无任何高于噪声信号回波显示的区域用于对比试块的制作，经机械加工得到具有平行表面，且厚度及表面粗糙度相同的一组试块，每个试块的尺寸不小于20×20×10mm；
(2)关系曲线的建立
(2.1)仪器选择
采用脉冲回波式水浸超声C扫描检测系统进行对比试块的扫查，该检测系统包括超声波探伤仪、水浸探头、被检对象、水槽、自动扫描器以及计算机，所选水浸探头为纵波直探头；
(2.2)对比试块扫查
将水浸探头通过同轴电缆连接至超声波探伤仪的发射/接收端口，保持水浸探头表面与对比试块上表面的距离保持不变，且水浸探头与对比试块保持垂直；
输入一个与对比试块相对应的声速V0到超声波探伤仪，利用自动扫描器带动水浸探头进行平面扫查，记录水浸探头在扫查过程中所有位置处收到的第1次底波和第2次底波起始位置的厚度差SΔ，则对比试块各位置的超声波波速其中S实为对比试块的实测厚度；
(2.3)声速成像
将各测量位置的坐标形成一个二维位置矩阵，将各位置的声速V中的最大值定义为255，最小值定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个色彩值，将色彩值填充到相应的位置矩阵中，绘制出二维彩色声速成像图；
(2.4)关系曲线建立
将各试块绘制出二维彩色声速成像图，由所述二维彩色声速成像图测得对比试块的声速值，以声速为纵坐标，标称增强体含量为横坐标绘图，得到标称增强体含量与超声波声速之间的关系；
(3)关系曲线的修正
(3.1)增强体含量的金相统计
在所述对比试块上切取观察面不小于10mm2的一组增强体含量不同的复合材料制作金相样品，按照GB/T 32496-2016的方法，统计得到对比试块的实际增强体含量；
(3.2)关系曲线修正
以对比试块的声速为纵坐标，统计得到的实际增强体含量为横坐标重新绘图，从而修正增强体含量标称值与实际值的差异带来的误差，对图中数据进行B样条曲线拟合，得到实际增强体含量与超声波声速之间的关系曲线；
(4)被检对象的测量
采用与步骤(2)所述完全相同的仪器和检测参数对被检对象进行扫查，得到被检对象的二维彩色声速成像图，由二维彩色声速成像图测得被检对象声速值，利用(3.2)中已建立的实际增强体含量与超声波声速之间的关系曲线，反推得到被检对象上任意位置的增强体含量。
所选水浸探头为纵波直探头，探头频率5～15MHz，晶片直径6～13mm。
所述水浸探头表面距对比试块上表面的距离为50～100mm不变。
本发明的优点和有益效果是：
本发明提出了一种基于声速的颗粒增强金属基复合材料增强体含量无损测量方法，其优点和有益效果表现在以下方面：
(1)采用水浸自动C扫描检测技术进行数据采集，测量精度高、重复性好，克服了传统的接触法检测自动化程度低、易受人为因素影响的缺点；同时，与接触法只能进行局部单点声速测量相比，本发明可实现被检对象表面100％检测，检测结果直观且便于存储，不但能够测量出被检对象上任意位置的增强体含量，还可在二维彩色声速成像图上直接观察到不同区域的增强体分布均匀性。
(2)本发明采用超声波声速进行颗粒增强金属基复合材料中增强体含量的评价，与常用的对比A扫描波形中杂波及底波幅度的方法仅能实现增强体含量的定性评价相比，可实现增强体含量的定量测量。
(3)本发明采用常规水浸超声C扫描检测系统结合简单的数据处理即可实现声速的二维成像，从而测量出增强体含量，不要求检测系统本身具备声速成像功能，因而对于检测设备要求不高，可操作性好，并且测量速度快，有效降低时间和经济成本。
(4)在金属基复合材料的粉末冶金法制备过程中，由于粉末损耗以及混粉不均匀等将可能导致材料中的实际增强体含量与标称值不一致，从而带来测量误差。针对该问题，本发明结合对比试块中增强体含量的金相统计结果，对标称增强体含量和声速之间的关系曲线进行修正，建立实际增强体含量和声速之间的关系曲线，作为测量被检对象增强体含量的基准和依据，有效避免上述问题，从而提高增强体含量测量精度。
附图说明
图1是基于声速的颗粒增强金属基复合材料增强体含量无损测量流程图
图2是一种脉冲回波式水浸超声C扫描检测系统示意图
图3是实施例1中SiC颗粒体积分数分别为10％，15％，20％，25％，30％的一组SiCp/Al复合材料对比试块的二维彩色声速成像图
图4是实施例1中建立的经修正的实际SiC颗粒体积分数与声速的关系曲线
图中：1.超声波探伤仪，2.水浸探头，3.被检对象，4.水槽，5.自动扫描器，6.计算机。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详述：
(1)对比试块的制作
(1.1)不同增强体含量复合材料坯料的制作
采用粉末冶金工艺，选取与被检对象牌号和粒径相同的增强体及基体粉末，参考被检对象的标称增强体含量进行粉末配比计算，精确称重后制作增强体含量梯度分布的一组(不少于3种)金属基复合材料坯料，该组坯料应至少包含大于、接近、小于被检对象标称增强体含量的坯料各1个。主要步骤包括粉末配比计算，雾化制粉，粉末的混合、球磨、烘干、筛分，装包套、除气，热等静压，以及锻造等其它后处理。除粉末配比不同外，该坯料的制作工艺应与被检对象完全相同；
(1.2)对比试块用料的选取
采用纵波直入射水浸超声C扫描检测技术，对不同粉末金属基复合材料坯料进行内部缺陷检测，选取无任何高于噪声信号回波显示的区域用于对比试块的制作，经机械加工得到具有平行表面，且厚度及表面粗糙度相同的一组试块，每个试块的尺寸不小于20×20×10mm；
(2)关系曲线的建立
(2.1)仪器选择
采用脉冲回波式水浸超声C扫描检测系统进行对比试块的扫查，该检测系统包括超声波探伤仪1、水浸探头2、被检对象3、水槽4、自动扫描器5以及计算机6，参见附图2。所选水浸探头应为纵波直探头，探头频率5～15MHz，晶片直径6～13mm；
(2.2)对比试块扫查
将水浸探头2通过同轴电缆连接至超声波探伤仪1的发射/接收端口，保持水浸探头2表面与对比试块上表面的距离为50～100mm不变，且水浸探头2与对比试块保持垂直；
输入一个与对比试块相对应的声速V0到超声波探伤仪1，利用自动扫描器5带动水浸探头进行平面扫查，记录水浸探头2在扫查过程中所有位置处收到的第1次底波和第2次底波起始位置的厚度差SΔ，则对比试块各位置的超声波波速其中S实为对比试块的实测厚度；
(2.3)声速成像
将各测量位置的坐标形成一个二维位置矩阵，将各位置的声速V中的最大值定义为255，最小值定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个色彩值，将色彩值填充到相应的位置矩阵中，即可绘制出对比试块的二维彩色声速成像图；
(2.4)关系曲线建立
绘制出每个试块的二维彩色声速成像图，由所述二维彩色声速成像图测得对比试块的声速值，以声速为纵坐标，标称增强体含量为横坐标绘图，得到标称增强体含量与超声波声速之间的关系；
(3)关系曲线的修正
(3.1)增强体含量的金相统计
在所述对比试块上切取观察面不小于10mm2的一组增强体含量不同的复合材料制作金相样品，每种增强体含量建议制作不少于3块金相样品，按照GB/T 32496-2016的方法，统计得到对比试块的实际增强体含量；
(3.2)关系曲线修正
以对比试块的声速为纵坐标，统计得到的实际增强体含量为横坐标重新绘图，从而修正增强体含量标称值与实际值的差异带来的误差。对图中数据进行B样条曲线拟合，得到实际增强体含量与超声波声速之间的关系曲线；
(4)被检对象的测量
采用与步骤(2)所述完全相同的仪器和检测参数对被检对象进行扫查，得到被检对象的二维彩色声速成像图。由二维彩色声速成像图测得其声速值，利用(3.2)中已建立的实际增强体含量与超声波声速之间的关系曲线，反推得到被检对象上任意位置的增强体含量，同时还可根据声速成像图上不同位置的颜色分布直观观察被检对象中增强体的分布均匀性。
实施例1
基体牌号为6092的SiC颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料，铝粉的粒径为28μm，SiC颗粒的粒径为5μm，复合材料外形尺寸100×80×60mm，其增强体SiC颗粒含量的测量步骤如下：
(1)对比试块的制作
(1.1)不同增强体含量复合材料坯料的制作
采用粉末冶金工艺，选取牌号为6092、粒径为28μm的铝粉，以及粒径为5μm的SiC颗粒，精确称重后经雾化制粉，粉末混合、球磨、烘干、筛分，装包套、除气，热等静压等流程，制作出SiC颗粒体积分数分别为10％，15％，20％，25％，30％的一组SiCp/Al复合材料坯料，每个坯料的尺寸为Φ80×80mm。保证该坯料的制作工艺与待测SiCp/Al复合材料完全相同。
(1.2)对比试块用料的选取
采用纵波直入射水浸超声C扫描检测技术，使用10MHz聚焦探头，将探头浸入水中并保持探头表面到对比试块表面的距离为50mm，在Φ0.8mm检测灵敏度下进行SiCp/Al复合材料坯料内部缺陷检测，选取无任何高于噪声信号回波显示的区域用于对比试块的制作，经机械加工得到具有平行表面的一组试块，每个试块的尺寸均为Φ50×20mm，表面粗糙度Ra均为3.2μm。
(2)关系曲线的建立
(2.1)仪器的选择
采用脉冲回波式水浸超声C扫描检测系统进行对比试块的扫查，该检测系统包括超声波探伤仪1、水浸探头2、被检对象3、水槽4、自动扫描器5以及计算机6，参见附图2。使用频率为10MHz，晶片直径11mm，焦距为89mm的水浸聚焦纵波直探头进行对比试块的扫查。
(2.2)扫查
将水浸探头2通过同轴电缆连接至超声波探伤仪1的发射/接收端口，保持水浸探头2表面与对比试块上表面的距离为50mm不变，且水浸探头2与对比试块保持垂直。
给超声波探伤仪1输入一个与对比试块相应的声速V0＝6300m/s，利用自动扫描器5带动探头进行平面扫查，记录水浸探头2在扫查过程中所有位置处收到的第1次底波和第2次底波起始位置的厚度差SΔ，并采用游标卡尺精确测得对比试块的厚度S实＝20.00mm，则对比试块各位置的超声波波速
(2.3)声速成像
将各测量位置的坐标形成一个二维位置矩阵，将各位置的声速V中的最大值定义为255，最小值定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个色彩值，将色彩值填充到相应的位置矩阵中，绘制出二维彩色声速成像图(见附图3)。
(2.4)建立关系曲线
由声速成像图测得SiC颗粒体积分数分别为10％，15％，20％，25％，30％的对比试块的声速值分别为6655m/s，6708m/s，6779m/s，6801m/s，7276m/s。以声速为纵坐标，标称的SiC颗粒含量为横坐标绘图，得到标称增强体含量与超声波声速之间的关系。
(3)关系曲线的修正
(3.1)增强体含量的金相统计
在SiC颗粒体积分数不同的5种对比试块上各切取尺寸为10×10×20mm的复合材料3块(共计15块)制作金相样品，按照GB/T 32496-2016的方法，统计得到实际的SiC颗粒体积分数分别为10.5％，14.8％，20.6％，23.1％，31.3％。
(3.2)关系曲线修正
以对比试块的声速为纵坐标，统计得到的实际SiC体积分数为横坐标重新绘图，并对图中数据进行B样条曲线拟合，得到实际增强体含量与超声波声速之间的关系曲线(见附图4)。
(4)被检对象的测量
采用与步骤(2)所述完全相同的仪器和检测参数，对基体牌号为6092的SiCp/Al复合材料进行扫查，得到被检对象的二维声速成像图。由声速成像图测得被检对象的声速为6721m/s，利用附图4中的关系曲线，可反推得到被检对象的SiC体积分数为15.7％。

Claims (3)

1.一种颗粒增强金属基复合材料中增强体含量的无损测量方法，其特征在于：该方法的步骤是：
(1)对比试块的制作
(1.1)不同增强体含量复合材料坯料的制作
采用粉末冶金工艺，选取与被检对象牌号和粒径相同的增强体及基体粉末，精确称重后制作增强体含量梯度分布的一组不少于3种金属基复合材料的坯料，坯料制作包括雾化制粉，粉末的混合、球磨、烘干、筛分，装包套、除气，热等静压、锻造以及其它后处理步骤，除粉末配比不同外，坯料的制作工艺与被检对象完全相同；
(1.2)对比试块用料的选取
采用纵波直入射水浸超声C扫描检测技术，对不同粉末金属基复合材料的坯料进行内部缺陷检测，选取无任何高于噪声信号回波显示的区域用于对比试块的制作，经机械加工得到具有平行表面，且厚度及表面粗糙度相同的一组试块，每个试块的尺寸不小于20×20×10mm；
(2)关系曲线的建立
(2.1)仪器选择
采用脉冲回波式水浸超声C扫描检测系统进行对比试块的扫查，该检测系统包括超声波探伤仪(1)、水浸探头(2)、被检对象(3)、水槽(4)、自动扫描器(5)以及计算机(6)，所选水浸探头为纵波直探头；
(2.2)对比试块扫查
将水浸探头(2)通过同轴电缆连接至超声波探伤仪(1)的发射/接收端口，保持水浸探头(2)表面与对比试块上表面的距离保持不变，且水浸探头(2)与对比试块保持垂直；
输入一个与对比试块相对应的声速V0到超声波探伤仪(1)，利用自动扫描器(5)带动水浸探头进行平面扫查，记录水浸探头(2)在扫查过程中所有位置处收到的第1次底波和第2次底波起始位置的厚度差SΔ，则对比试块各位置的超声波波速其中S实为对比试块的实测厚度；
(2.3)声速成像
将各测量位置的坐标形成一个二维位置矩阵，将各位置的声速V中的最大值定义为255，最小值定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个色彩值，将色彩值填充到相应的位置矩阵中，绘制出二维彩色声速成像图；
(2.4)关系曲线建立
将各试块绘制出二维彩色声速成像图，由所述二维彩色声速成像图测得对比试块的声速值，以声速为纵坐标，标称增强体含量为横坐标绘图，得到标称增强体含量与超声波声速之间的关系；
(3)关系曲线的修正
(3.1)增强体含量的金相统计
在所述对比试块上切取观察面不小于10mm2的一组增强体含量不同的复合材料制作金相样品，按照GB/T 32496-2016的方法，统计得到对比试块的实际增强体含量；
(3.2)关系曲线修正
以对比试块的声速为纵坐标，统计得到的实际增强体含量为横坐标重新绘图，从而修正增强体含量标称值与实际值的差异带来的误差，对图中数据进行B样条曲线拟合，得到实际增强体含量与超声波声速之间的关系曲线；
(4)被检对象的测量
采用与步骤(2)所述完全相同的仪器和检测参数对被检对象进行扫查，得到被检对象的二维彩色声速成像图，由二维彩色声速成像图测得被检对象声速值，利用(3.2)中已建立的实际增强体含量与超声波声速之间的关系曲线，反推得到被检对象上任意位置的增强体含量。
2.根据权利要求1所述的一种颗粒增强金属基复合材料中增强体含量的无损测量方法，其特征在于：所选水浸探头为纵波直探头，探头频率5～15MHz，晶片直径6～13mm。
3.根据权利要求1所述的一种颗粒增强金属基复合材料中增强体含量的无损测量方法，其特征在于：所述水浸探头表面距对比试块上表面的距离为50～100mm不变。
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