CN113655119A - 评价铝合金材料抗腐蚀性能的水浸式超声波装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种评价铝合金材料抗腐蚀性能的水浸式超声波装置及其使用方法，通过采用水浸式超声波技术对铝合金腐蚀试验样品整体进行扫描获得C扫描图，然后通过C扫描图对试样的腐蚀等级直接进行量化评定，对腐蚀深度最大位置进行精确定位，在对对腐蚀深度最大位置进行解剖和使用金相显微分析法进行观察测量获得最大晶间腐蚀深度数值；通过超声波C扫描数据快速、准确地统计腐蚀试样的抗晶间腐蚀性能。本发明是一种准确、经济、便捷和能够量化评价晶间腐蚀性能的方法，其工程应用对铝加工行业具有非常重要的意义。

Description

评价铝合金材料抗腐蚀性能的水浸式超声波装置及其使用 方法
技术领域
本发明属于检测设备技术领域，具体涉及一种评价铝合金材料抗腐蚀性能的水浸式超声波装置及其使用方法。
背景技术
铝合金材料广泛应用于航空、航天、轨道交通、船舶、汽车、泛半导体等领域。因为抗腐蚀性能与材料的服役安全性、可靠性和使用寿命具有非常大的关系，所以铝合金材料的抗腐蚀性能一直是学者们关注的焦点。化学成分、微观组织、加工工艺对抗腐蚀性能的研究对于铝合金材料的工程应用具有非常重要的意义。晶间腐蚀和众多局部腐蚀中一种特殊形式，它沿着晶界进行拓展。当金属材料发生晶间腐蚀后，虽然宏观上没有明显的改变，但其力学性能会大幅下降，严重影响使用安全性。
传统的抗腐蚀性能评价方法有两种：第一种是采用目视观察。第二种是采用金相显微镜对试验面的剖面进行抽样观察。传统的腐蚀评价方法目视观察法，对人依赖性大，只能观察表面第一层腐蚀情况。目视观察评级方法对检测人员的主观判断依赖程度较高，缺乏定量测量工具，实现量化评价非常困难，导致不同检测员之间对相同试验样品或试验样品照片评级结果存在较大差异。金相显微镜评级方法本质上是对试验面进行抽样观察，属于抽样检测，所观察到的横截面腐蚀深度可能不具代表性，导致评价结果存在较大的离散性。唯一的降低评价结果离散性的方案是增加每个试样抽检图谱的个数。但是，这样将会耗费大量的时间，增加检测员的工作负荷和提高检测经济成本。
目前，已经较广泛应用于评价铝合金晶间腐蚀的标准化试验方法是GB/T 7998《铝合金晶间腐蚀测定方法》；该方法在试验设备、试验试剂、试样加工要求、试验时间和样品放置等方面做出了详细和操作性强的规定。但是，标准规定仅使用目视方法和金相显微镜方法对试样的试验面进行观察，然后与标准图谱进行比对，从而完成对试样腐蚀等级的评价。目视观察方法导致等级评价对检测人员主观判断依赖程度高。金相显微镜方法仅能实现试验面抽样观察，导致腐蚀等级评价结果离散度高和量化评价困难的问题。GB/T 7998《铝合金晶间腐蚀测定方法》是一种加速腐蚀试验方法；通过在腐蚀性溶液中在一定条件下对试验材料进行一定时间的全浸试验，用直观检查或金相观察的方法来评价材料对晶间腐蚀的敏感性。标准规定了样品尺寸、试验溶液、温湿度和试验装置等。特别对试样进行了规定：试样均要彻底清洗油污、尘垢、和油脂，采用涂料或防护层将试样的非主试验面进行保护，与主试验面垂直的面不加以保护。经腐蚀试验的试样，在垂直主变形方向的一端切去5mm。切后的截面按金相试样制备方法进行磨制和抛光，不经浸蚀，通过金相显微镜观察，测量其晶间腐蚀最大深度。在不允许取样的情况下，可在欲检产品表面直接打磨、抛光，用携带式金相显微镜检查有无晶间腐蚀。晶间腐蚀的最大深度按照5个等级进行划分。1级：≤0.01mm；2级：＞0.01～0.03mm；3级：＞0.03～0.10mm；4级：＞0.10～0.30mm；5级：＞0.30mm。
与GB/T 7998《铝合金晶间腐蚀测定方法》类似，现有的腐蚀测定方法有以下不足：一方面，为了统计材料整体的抗晶间腐蚀性能，现有的腐蚀测定方法均采用“增大样本数量”的方法提高准确性，即尽可能多地采集金相图谱进行统计。但是因为金相观察法本质上是抽样分析方法，只能抽样观察试验面某个剖面的腐蚀情况，不可能金相观察整个试样的所有截面，因此尽管耗费大量时间统计了晶间腐蚀试样的尽可能多的区域，但可能最终仍然未能找到该试样腐蚀最深的位置。另一方面，当检测员需要评价试验面整体的抗晶间腐蚀性能时，现有腐蚀测定方法是通过多个视场的腐蚀裂纹数据统计出“平均晶间腐蚀深度”这个指标，用于表征材料整体的抗晶间腐蚀性能。但是这种通过人工操作的方式对尽可能多的腐蚀图片进行测量再计算平均腐蚀深度的方法大幅增加了检测员的劳动强度，占用大量金相显微镜机时，产生较高的经济费用。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种评价铝合金材料抗腐蚀性能的水浸式超声波装置及其使用方法，采用水浸式超声波技术对铝合金腐蚀试验样品整体进行扫描获得C扫描图，然后通过C扫描图对试样的腐蚀等级直接进行量化评定，对腐蚀深度最大位置进行精确定位，然后对腐蚀深度最大位置进行解剖和使用金相显微分析法进行观察测量获得最大晶间腐蚀深度数值；还可能通过超声波C扫描数据快速、准确地统计腐蚀试样的抗晶间腐蚀性能。本发明是一种准确、经济、便捷和能够量化评价晶间腐蚀性能的方法，其工程应用对铝加工行业具有非常重要的意义。
为实现发明目的，
一方面，本发明提供一种评价铝合金材料抗腐蚀性能的水浸式超声波装置，包括超过声波水槽、运动装置、超声波检测装置和工控机；所述运动装置集成在超声波水槽上部；所述超声波检测装置安装在运动装置上；所述超声波检测装置和运动装置均与工控机通信连通；
所述超声波水槽内设置有试块部件和试样部件；所述超声波水槽内还装有去离子水；
所述试块部件包括试块水平平台、放置在试块水平平台上的超声波对比试块、和安装在试块水平平台下方的试块水平及位置调节器；
所述试样部件包括试样水平平台、放置在试样水平平台上的待评价的腐蚀试样、和安装在试样水平平台下方的试样水平及位置调节器；
所述运动装置包括X方向运动轴、Y方向运动轴和Z方向运动轴；
所述超声波检测装置包括AB轴摆动装置、水浸式超声波探头和超声波卡；所述水浸式超声波探头安装在AB轴摆动装置上；所述AB轴摆动装置集成在Z方向运动轴上；所述水浸式超声波探头通过超声波信号线与超声波卡通信传输；
所述X方向运动轴、Y方向运动轴、Z方向运动轴和AB轴摆动装置通过运动控制信号线与运动控制卡通信传输；
所述超声波卡、运动控制卡均与工装机通信传输。
进一步地，所述工装机与电源连接。
进一步地，所述试块部件和试样部件并排设置。
进一步地，所述试块水平及位置调节器和试样水平及位置调节器分别独立在X、Y、Z方向上调节位置，使超声波对比试块和待评价的腐蚀试样处于水平位置。
进一步地，所述试块部件和试样部件均浸没在去离子水中。所述超声波水槽内装有去离子水，确保试块部件和试样部件的检测环境。
另一方面，本发明提供一种使用水浸式超声波装置评价铝合金材料抗腐蚀性能的方法，具体步骤如下：
步骤一：将待评价的腐蚀试样和超声波对比试块分别置于试样水平平台和试块水平平台，并分别调节试样部件和试块部件在X、Y、Z方向上的位置和水平性，确保二者处于同一水平位置，保证二者与超声波探头高度方向上距离的一致性、与探头角度的一致性；
步骤二：通过工装机设置超声波检测工艺参数，所述超声波工艺检测参数包括但不限于水浸式超声波探头样式、设置脉冲重复频率、高低通滤波器、平均数、扫描步进、数据采集设置等；
步骤三：设置水浸式超声波探头的角度变换参数；所述角度变换参数包括但不限于，1)所述水浸式超声波探头浸水的水距和探头焦距一致；2)调节AB轴摆动装置找到最大回波；3)通过方程式
Figure BDA0003218520210000041
计算出倾斜角度(其中α1为倾斜角度；V1为水中的纵波声速；V2为被测材料的横波声速)，实现将水浸式超声波探头倾斜α1，完成检测角度设置；4)将水浸式超声波探头移动至试块边缘，通过在X轴、y轴、Z轴方向上移动水浸式超声波探头移动找到最大回波后固定Z轴的高度，水浸式超声波探头移动到超声波对比试块/待评价的腐蚀试样表面的距离约等于探头焦距；
步骤四：调节灵敏度；移动水浸式超声波探头的x轴和y轴方向找到超声波对比试块上模拟腐蚀裂纹的人工缺陷的最大回波，并调节增益使回波波幅达到满屏的80％，完成灵敏度调节；
步骤五：设置数据采集闸门；通过使用待评价的腐蚀试样边缘的反射信号的始波设置好数据采集闸门；同步闸门syn gate采集样品边缘的始波信号；缺陷闸门flaw gate采集腐蚀缺陷信号；
步骤六：设置超声波扫描区域；通过将移动水浸式超声波探头移动到待评价的腐蚀试样的区域上方；扫描区域设置在100％覆盖腐蚀试样的基础上，待评价的腐蚀试样的区域各边缘富余30mm以上；
步骤七：启动超声波扫描并获得超声波C扫描图；
步骤八：通过超声波C扫描图进行腐蚀性评价；调出缺陷闸门flaw gate的波幅图，使用软件的评定框选定整个腐蚀评价区域，获得“腐蚀区域的平均波幅值”；
步骤九：使用软件的评定框选定整个腐蚀评价区域，获得腐蚀区域的最大波幅值(最大腐蚀深度)；将软件的评定框缩小范围，寻找到最大波幅值的精确位置；
步骤十：通过超声波C扫描图观察试块保护区域的波幅值，比较腐蚀区域和保护区域的波幅值差异；
步骤十一：根据步骤九确定的最大波幅值的精确位置截面进行解剖和金相分析，使用金相法获得“腐蚀区域的的最大腐蚀深度”；
步骤十二：结合步骤八获得“腐蚀区域的平均波幅值”和步骤十一使用金相法获得的“腐蚀区域的的最大腐蚀深度”评估样品抗腐蚀性能。
进一步地，本发明所述方法在开始前，准备过程如下：
步骤1：配置腐蚀试验溶液和准备试验装置；所述腐蚀试验溶液属于现有技术，不再赘述；
步骤2：加工超声波对比试块；
步骤3：加工待评价的腐蚀试样。
进一步地，所述超声波对比试块的加工过程如下：使用线切割机进行加工超声波对比试块，切割固定尺寸，几何尺寸为：厚度为5～100mm，宽度为25～100mm，长度为40～200mm，在超声波对比试块的测试面上加工有1～5个模拟腐蚀裂纹的人工缺陷，模拟腐蚀裂纹的人工缺陷垂直于测试表面向材料内部延深；模拟腐蚀裂纹的人工缺陷宽度为0.02mm～0.30mm，深度为：0.05mm～0.45mm。
进一步地，所述待评价的腐蚀试样加工过程如下：步骤a)对试样背面和主试验面的保护区域增加保护层进行密封；步骤b)：将试样投入试验装置的腐蚀试验溶液中，按规定的温度和时间等现有技术要求进行试验；完成试验后，对腐蚀试样的腐蚀区域进行目视观察和拍照，对腐蚀试样的表面使用毛刷和清水进行清洁，去除保护层后获得待评价的腐蚀试样。
进一步地，所述待评价的腐蚀试样加工过程如下：步骤a)将试样的主试验面分为两个区域：腐蚀区域和保护区域；腐蚀区域宽25～100mm，长40～150mm；保护区域宽25～100mm，长20～50mm，使用可以阻隔腐蚀液的保护层进行密封；保护层可使用蜡、防水胶带等进行密封；主试验面的背面用于记录样品编号，也使用保护层进行密封；试样的几何尺寸为厚度为5～100mm，宽度为25～100mm，长度为40～200mm；步骤b)配置晶间腐蚀试验用的溶液；将溶液置于水浴恒温装置中，然后投入试样，按照晶界腐蚀试验进行特定浸渍时间的腐蚀；将试样取出后进行目视观察和拍照，然后使用毛刷除去表面层腐蚀产物，将保护层去除干净后获得所述的待评价的腐蚀试样；待评价的腐蚀试样的几何尺寸为厚度为5～100mm，宽度为25～100mm，长度为40～200mm。
进一步地，所述步骤一的具体过程如下：首先调节好试块水平及位置调节器，将Z轴方向的高度固定，调节水平面的水平度，判断水平度的方法为：将水浸式超声波探头移动到超声波对比试块上方，调整至垂直入射后，将水浸式超声波探头沿着X轴方向或Y轴方向从超声波对比试块的一端移动到另一端，用调节器调水平度直至接收到第一次上表面波的传播时间的变化值≤0.025μs/10mm。
进一步地，所述步骤二的具体过程如下：使用频率为5～25MHz，采用直径5～20mm的水浸式超声波探头，进一步优选水浸式聚焦探头，焦距1～4英寸；扫描步进0.2～0.5mm；超声波入射面为试样上表面；脉冲重复频率100～600kHz；平均数4～40；高低通滤波器设置：低通滤波设置为探头中心频率+7.5～10MHz，高通滤波设置为探头中心频率-5～7.5MHz；数据采集设置为：A扫描全波扫描数据采集。
有益效果：
为了解决传统的腐蚀评价方法目视观察法“只能观察表面第一层腐蚀情况”和金相显微镜观察法“抽样检测不具代表性”的问题，并解决目视观察法和金相显微镜观察法都存在的对人为判断依赖性大的共同问题；本发明通过制备超声波对比试块作为标准，使用水浸式超声波扫描检测待评价的腐蚀试样的腐蚀情况，实现机械自动化完成整个腐蚀试验样品的100％覆盖扫描，使用电脑软件对腐蚀区域缺陷进行自动识别和评判(解决对人依赖性大问题)快速精确地探测到腐蚀深度最大的位置，自动化评估所有腐蚀点的大小，精准地进行解剖和金相观察，解决金相法抽样检测可能不具代表性问题；通过超声波能探测到表面层下延伸的腐蚀裂纹，解决目视观察法只能观察表面第一层腐蚀情况问题，解决传统方法对试验面进行抽样观察统计数据不全面的问题。
本发明通过对超声波对比试块的人工裂纹缺陷进行灵敏度校准后，对待评价的腐蚀试样样品进行水浸式超声波扫描；超声波能探测到表面层下延伸的腐蚀裂纹，超声波C扫描图可以快速准确地对样品整体的抗腐蚀性能进行量化评价；解决目视观察法“只能观察表面第一层腐蚀情况”问题；机械自动化完成样品100％覆盖扫描，从而解决金相显微观察的“抽样检测不具代表性”问题；使用电脑软件对腐蚀区域缺陷进行自动识别和评判，解决目视观察法和金相显微镜观察法都存在的对人为判断依赖性大的共同问题。
本发明所述技术可以帮助工程技术人员快速准确地横向比较几种材料的抗腐蚀性能。
附图说明
图1评价铝合金材料抗腐蚀性能的水浸式超声波装置示意图
图2典型超声波对比试块示意图
图3待腐蚀的试样示意图
图4步骤一中试样部件和试块部件的水平及位置调节方法流程图
图5水浸式超声波探头与被测件的相对位置的示意图
图6典型超声波C扫描图及典型超声波C扫描图的区域划分说明
图7典型超声波C扫描图的分析评价示意图
图8最大波幅值位置的最大腐蚀深度金相图
图9实施例1的超声波对比试块示意图
图10实施例1的待腐蚀的试样示意图
图11实施例1的超声波C扫描图
图12实施例1的典型超声波C扫描图的区域划分说明
图13实施例1的超声波C扫描图的分析评价
图14实施例1的最大波幅值位置的最大腐蚀深度金相图
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。下面结合附图及实施例详述本发明。
如图1所示，本发明提供一种评价铝合金材料抗腐蚀性能的水浸式超声波装置，描述如下：超声波对比试块1和待评价的腐蚀试样2分别放置在试块水平平台16和试样水平平台15上。超声波对比试块1上加工有模拟不同深度的腐蚀裂纹的人工缺陷。待评价的腐蚀试样2按照标准或客户规定经特定的腐蚀处理后，经过人工目视评价和拍照记录，然后使用毛刷等工具去除试样表面的腐蚀产物。试块水平平台16和试样水平平台15分别放置在试块水平及位置调节器18和试样水平及位置调节器17上。试块水平及位置调节器18和试样水平及位置调节器17放置在超声波水槽3内。通过调整试块水平及位置调节器18和试样水平及位置调节器17可以分别独立地在X、Y、Z方向上调节位置，并分别使试块和试样处于水平位置。超声波水槽3装有去离子水9。超声波水槽3集成X方向运动轴8、Y方向运动轴6和Z方向运动轴7。Z方向运动轴7上集成AB轴摆动装置5。AB轴摆动装置5上连接水浸式超声波探头4。水浸式超声波探头4通过超声波信号线10将超声波模拟信号传输到超声波卡12。X方向运动轴、Y方向运动轴、Z方向运动轴和AB轴摆动装置通过运动控制信号线11与运动控制卡13通讯。工控机14对运动控制卡13和超声波卡12的数据进行处理显示在屏幕。操作者可以通过工控机14的人机界面控制水浸式超声波探头4在X、Y、Z方向上移动，并在A、B方向上转动，并能通过工控机的软件生成腐蚀性能评价所需要的A-扫描、B-扫描、C-扫描。
本发明所述的“一种评价铝合金材料抗腐蚀性能的水浸式超声波装置用于评价铝合金材料腐蚀性能的方法”的具体操作步骤如下：
步骤1：配置腐蚀试验溶液和准备试验装置。
步骤2：加工超声波对比试块
超声波对比试块(1)的几何尺寸为：厚度为5～100mm，宽度为25～100mm，长度为40～200mm，优选为使用线切割机进行加工。超声波对比试块(1)的特征在于其测试面上有1～5个模拟腐蚀裂纹的人工缺陷。模拟腐蚀裂纹的人工缺陷优选使用线切割机进行加工。模拟腐蚀裂纹的人工缺陷垂直于测试表面向超声波对比试块材料内部延深。模拟腐蚀裂纹的人工缺陷宽度为0.02mm～0.30mm，深度为：0.05mm～0.45mm。典型超声波对比试块示意图见图2。
步骤3：加工待评价的腐蚀试样，并对待评价的腐蚀试样背面和主试验面的保护区域增加保护层进行密封。
待评价的腐蚀试样(2)的几何尺寸为厚度为5～100mm，宽度为25～100mm，长度为40～200mm，其制备经过以下步骤：首先，将试样的主试验面分为两个区域：腐蚀区域和保护区域。腐蚀区域宽25～100mm，长40～150mm；保护区域宽25～100mm，长20～50mm，使用可以阻隔腐蚀液的保护层进行密封；保护层可使用蜡、防水胶带等进行密封。主试验面的背面用于记录样品编号，也使用保护层进行密封。待腐蚀的试样示意图见图3。
然后配置晶间腐蚀试验用的溶液；将溶液置于水浴恒温装置中，然后投入试样，按照晶界腐蚀试验进行特定浸渍时间的腐蚀；将试样取出后进行目视观察和拍照，然后使用毛刷除去表面层腐蚀产物，将保护层去除干净后获得权利要求1所述的待评价的腐蚀试样(2)。
步骤4：将试样投入试验装置的腐蚀试验溶液中，按规定的温度和时间等技术要求进行试验。完成试验后，对试样腐蚀区域进行目视观察和拍照，对试样表面使用毛刷和清水进行清洁，去除保护层后获得待评价的腐蚀试样。
步骤5：将待评价的腐蚀试样和超声波对比试块分别放在试样水平平台和试块水平平台上。并调节超声波对比试块和待评价的腐蚀试样的X、Y、Z位置和水平性。
将待评价的腐蚀试样和超声波对比试块分别放在试样水平平台和试块水平平台上。调节试样水平及位置调节器、试块水平及位置调节器，使腐蚀试样和超声波对比试块的上表面处于相同的高度位置(解决腐蚀试样和超声波对比试块存在的厚度差异问题)，保证它们与超声波探头高度方向上距离的一致性；并通过“调节试样水平及位置调节器、试块水平及位置调节器”使腐蚀试样和超声波对比试块都处于相对水平位置，保证它们与探头角度的一致性。调节的具体方法：首先调节好试块水平及位置调节器，将Z轴方向的高度固定，调节水平面的水平度，判断水平度的方法为“将水浸式超声波探头移动到对比试块上方，调整至垂直入射后，将水浸式超声波探头沿着X轴方向/Y轴方向从试块的一端移动到另一端，用调节器调水平度直至接收到第一次上表面波的传播时间的变化值≤0.025μs/10mm”。水平及位置调节方法流程图见图4。
步骤6：设置超声波检测工艺参数。选择水浸式超声波探头、设置脉冲重复频率、平均数、扫描步进、采样率。使用频率为5～25MHz，采用直径5～20mm的水浸式超声波探头，优选水浸式聚焦探头，焦距1～4英寸；扫描步进0.2～0.5mm；超声波入射面为试样上表面；脉冲重复频率100～600kHz；平均数4～40；高低通滤波器设置：低通滤波设置为探头中心频率+7.5～10MHz，高通滤波设置为探头中心频率-5～7.5MHz；数据采集设置为：A扫描全波扫描数据采集。
步骤7：设置超声波探头的角度。把水浸式超声波探头移动到超声波对比试块，将水距调节至探头焦距，调节AB轴摆动装置找到最大回波，然后通过方程式
Figure BDA0003218520210000091
计算出倾斜角度(其中α1为倾斜角度；V1为水中的纵波声速；V2为被测材料的横波声速)，通过AB轴摆动装置将水浸式超声波探头倾斜α1，完成检测角度设置。典型地，纵波在水中传播的速度为1480m/s，即V1＝1480m/s；横波在铝合金中的传播速度为3230m/s，即V2＝3230m/s；经计算α1＝27.16°。通过X方向运动轴和Y方向运动轴将水浸式超声波探头移动至超声波对比试块边缘，在X轴、Y轴、Z轴方向上移动水浸式超声波探头找到最大回波后固定Z轴的高度，此时水浸式超声波探头到超声波对比试块/待评价的腐蚀试样表面的距离约等于探头焦距。水浸式超声波探头与超声波对比试块的相对位置见图5。
步骤8：灵敏度调节。移动水浸式超声波探头的X轴和Y轴方向位置找到超声波对比试块上模拟腐蚀裂纹的人工缺陷的最大回波，并调节增益使回波波幅达到满屏的80％，完成灵敏度调节。
步骤9：设置数据采集闸门。使用待评价的腐蚀试样边缘的反射信号的始波设置好数据采集闸门。同步闸门syn gate采集样品边缘的始波信号；缺陷闸门flaw gate采集腐蚀缺陷信号。
步骤10：设置超声波扫描区域。将移动水浸式超声波探头移动到待评价的腐蚀试样的区域上方；扫描区域设置在100％覆盖腐蚀试样的基础上，待评价的腐蚀试样的区域各边富余30mm以上；
步骤11：启动超声波扫描并获得超声波C扫描图。典型超声波C扫描图及典型超声波C扫描图的区域划分说明见图6。
步骤12：通过超声波C扫描图进行腐蚀性评价。调出缺陷闸门flaw gate的波幅图，使用软件的评定框选定整个腐蚀评价区域，获得“腐蚀区域的平均波幅值”，具体参考见图7.典型超声波C扫描图的分析评价。
步骤13：使用软件的评定框选定整个腐蚀评价区域，获得腐蚀区域的最大波幅值(最大腐蚀深度)；将软件的评定框缩小范围，寻找到最大波幅值的精确位置，具体参考见图7.典型超声波C扫描图的分析评价。
步骤14：通过超声波C扫描图观察试块保护区域的波幅值，比较腐蚀区域和保护区域的波幅值差异。
步骤15：根据步骤12确定的最大波幅值的精确位置截面进行解剖和金相分析，使用金相法获得“腐蚀区域的的最大腐蚀深度”。最大波幅值位置的最大腐蚀深度金相图见图8。
步骤16：结合步骤12获得“腐蚀区域的平均波幅值”和步骤15使用金相法获得的“腐蚀区域的的最大腐蚀深度”评估样品抗腐蚀性能。
实施例1，
本实施例需要测试工业化大生产制备的100mm厚度×1700mm宽度×8000mm长度的7075-T7351铝合金厚板的抗晶间腐蚀性能。水浸式超声波装置如图1所示。制备超声波对比试块如图4所示。从板材厚度的1/4处切取规格为20mm×50mm×150mm的腐蚀试样。使用本发明所述技术对该材料的抗晶间腐蚀性能进行评价。具体操作步骤如下：
步骤1：配置腐蚀试验溶液和准备试验装置。
步骤2：加工超声波对比试块
超声波对比试块(1)的几何尺寸为：厚度为20mm，宽度为50mm，长度为150mm，使用线切割机进行加工。超声波对比试块的测试面上有2个使用线切割机进行加工的模拟腐蚀裂纹的人工缺陷。模拟腐蚀裂纹的人工缺陷宽度为0.18mm。第1个模拟腐蚀裂纹的人工缺陷深度为：0.1mm。第2个模拟腐蚀裂纹的人工缺陷深度为：0.2mm。本实施例的超声波对比试块见图9。
步骤3：加工试样，并对试样背面和主试验面的保护区域增加保护层进行密封。
待评价的腐蚀试样(2)的几何尺寸为厚度为20mm，宽度为50mm，长度为150mm，其制备步骤：首先，将试样的主试验面分为两个区域：腐蚀区域和保护区域。腐蚀区域宽50mm，长100mm；保护区域宽50mm，长50mm，使用石蜡进行密封；主试验面的背面记录样品编号，也使用石蜡进行密封。实施例1的待腐蚀的试样示意图见图10。
然后配置晶间腐蚀试验用的溶液；将溶液置于水浴恒温装置中，然后投入试样，按照晶界腐蚀试验进行特定浸渍时间的腐蚀；将试样取出后进行目视观察和拍照，然后使用毛刷除去表面层腐蚀产物，将保护层去除干净后获得权利要求1所述的待评价的腐蚀试样(2)。
步骤4：将试样投入试验装置的腐蚀试验溶液中，按规定的温度和时间等技术要求进行试验。完成试验后，对试样腐蚀区域进行目视观察和拍照，对试样表面使用毛刷和清水进行清洁，去除保护层后获得待评价的腐蚀试样。
步骤5：将待评价的腐蚀试样和超声波对比试块分别放在试样水平平台和试块水平平台上。并调节超声波对比试块和待评价的腐蚀试样的X、Y、Z位置和水平性。将待评价的腐蚀试样和超声波对比试块分别放在试样水平平台和试块水平平台上。调节试样水平及位置调节器、试块水平及位置调节器，使待评价的腐蚀试样和超声波对比试块的上表面处于相同的高度位置，保证它们与超声波探头高度方向上距离的一致性；并通过“调节试样水平及位置调节器、试块水平及位置调节器”使腐蚀试样和超声波对比试块都处于相对水平位置，保证它们与探头角度的一致性。调节的具体方法：首先调节好试块水平及位置调节器，将Z轴方向的高度固定，调节水平面的水平度，判断水平度的方法为“将水浸式超声波探头移动到对比试块上方，调整至垂直入射后，将水浸式超声波探头沿着X轴方向/Y轴方向从试块的一端移动到另一端，用调节器调水平度直至接收到第一次上表面波的传播时间的变化值≤0.025μs/10mm。
步骤6：设置超声波检测工艺参数。使用频率为15MHz，采用直径12.7mm的水浸式超声波探头，优选水浸式聚焦探头，焦距100mm；扫描步进0.5mm；超声波入射面为试样上表面；脉冲重复频率200kHz；平均数6；低通滤波设置为25MHz.高通滤波设置为10MHz；数据采集设置为：A扫描全波扫描数据采集。
步骤7：设置超声波探头的角度。把水浸式超声波探头移动到超声波对比试块，将水距调节至100mm，调节AB轴摆动装置找到最大回波，通过AB轴摆动装置将水浸式超声波探头倾斜α1＝27.16°。通过X方向运动轴和Y方向运动轴将水浸式超声波探头移动至超声波对比试块边缘，在X轴、Y轴、Z轴方向上移动水浸式超声波探头找到最大回波后固定Z轴的高度，此时水浸式超声波探头到超声波对比试块/待评价的腐蚀试样表面的距离约等于探头焦距100mm。
步骤8：灵敏度调节。移动水浸式超声波探头的X轴和Y轴方向位置找到超声波对比试块上深度为：0.1mm的模拟腐蚀裂纹的人工缺陷的最大回波，并调节增益使回波波幅达到满屏的80％。
步骤9：设置数据采集闸门。使用待评价的腐蚀试样边缘的反射信号的始波设置好数据采集闸门。同步闸门syn gate采集样品边缘的始波信号；缺陷闸门flaw gate采集腐蚀缺陷信号。
步骤10：设置超声波扫描区域。将水浸式超声波探头移动到待评价的腐蚀试样的区域上方。扫描区域设置在100％覆盖腐蚀试样的基础上，各边富余50mm。
步骤11：启动超声波扫描并获得超声波C扫描图。实施例1的超声波C扫描图见图11。实施例1的超声波C扫描图的区域划分说明见图12。
步骤12：通过超声波C扫描图进行腐蚀性评价。调出缺陷闸门flaw gate的波幅图，使用软件的评定框选定整个腐蚀评价区域，获得“腐蚀区域的平均波幅值”，实施例1的超声波C扫描图的分析评价见图13。
步骤13：使用软件的评定框选定整个腐蚀评价区域，获得腐蚀区域的最大波幅值(最大腐蚀深度)；将软件的评定框缩小范围，寻找到最大波幅值的精确位置。实施例1的超声波C扫描图的分析评价见图13。
步骤14：通过超声波C扫描图观察试块保护区域的波幅值，比较腐蚀区域和保护区域的波幅值差异。
步骤15：根据步骤12确定的最大波幅值的精确位置截面进行解剖和金相分析，使用金相法获得“腐蚀区域的的最大腐蚀深度”。最大波幅值位置的最大腐蚀深度金相图见图14。
步骤16：结合步骤12获得“腐蚀区域的平均波幅值”和步骤15使用金相法获得的“腐蚀区域的的最大腐蚀深度”评估样品抗腐蚀性能。
按照实施例1所述操作步骤1～步骤11获得的原始超声波C扫描图如图11所示，可以清晰地观察到保护区域没有缺陷反射信号(波幅值非常低)，而腐蚀评价区域有明显的缺陷反射信号(波幅值明显比保护区域的波幅值高)。因此，使用数据分析软件可以准确地将保护区域和腐蚀评价区域分别框选出来。完成框选后的C扫描图如图12所示。从图13可以看出：(1)图13整个腐蚀区域的平均波幅值为11.1％，与图7(整个腐蚀区域的平均波幅值为15.4％)相比，实施例1的材料的整体抗腐蚀性能更好。(2)在整个腐蚀区域中，最大回波幅值为46.9％，与图7(最大回波幅值为59.4％)相比，表明图13的局部最大腐蚀深度的超声波当量也比图7的局部最大腐蚀深度的超声波当量要小，实施例1的材料的局部抗腐蚀性能也更好。图14是按照图13的最大回波幅值处对样品进行解剖获得的金相图。从图14中观察到腐蚀裂纹最大深度约为41.3μm，而从图8中观察到腐蚀裂纹最大深度约为110.2μm。图14的腐蚀裂纹最大深度比图8的腐蚀裂纹最大深度更小，与前述“图13与图7相比较，图13材料具有更优的耐腐蚀性能”的超声波评估结果相符合，即样品使用解剖观察金相图方法获得的结论与样品使用超声波方法获得的结论相符合。而超声波检测方法可以快速、准确地评价整个样品的平均抗腐蚀性能和最大腐蚀深度，与单纯使用金相方法相比具有优越性(单纯使用金相方法只能随机对样品的某个截面进行抽样检测，有非常大的可能性没有抽中最大腐蚀深度的位置进行金相观察)。
以上所述实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种评价铝合金材料抗腐蚀性能的水浸式超声波装置，其特征在于，包括超过声波水槽、运动装置、超声波检测装置和工控机；所述运动装置集成在超声波水槽上部；所述超声波检测装置安装在运动装置上；所述超声波检测装置和运动装置均与工控机通信连通；
所述超声波水槽内设置有试块部件和试样部件；所述超声波水槽内还装有去离子水；
所述试块部件包括试块水平平台、放置在试块水平平台上的超声波对比试块、和安装在试块水平平台下方的试块水平及位置调节器；
所述试样部件包括试样水平平台、放置在试样水平平台上的待评价的腐蚀试样、和安装在试样水平平台下方的试样水平及位置调节器；
所述运动装置包括X方向运动轴、Y方向运动轴和Z方向运动轴；
所述超声波检测装置包括AB轴摆动装置、水浸式超声波探头和超声波卡；所述水浸式超声波探头安装在AB轴摆动装置上；所述AB轴摆动装置集成在Z方向运动轴上；所述水浸式超声波探头通过超声波信号线与超声波卡通信传输；
所述X方向运动轴、Y方向运动轴、Z方向运动轴和AB轴摆动装置通过运动控制信号线与运动控制卡通信传输；
所述超声波卡、运动控制卡均与工装机通信传输。
2.根据权利要求1所述评价铝合金材料抗腐蚀性能的水浸式超声波装置，其特征在于，所述试块水平及位置调节器和试样水平及位置调节器分别独立在X、Y、Z方向上调节位置，使超声波对比试块和待评价的腐蚀试样处于水平位置；
所述试块部件和试样部件均浸没在去离子水中。
3.一种使用权利要求1～2任一项所述水浸式超声波装置评价铝合金材料抗腐蚀性能的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：将待评价的腐蚀试样和超声波对比试块分别置于试样水平平台和试块水平平台，并分别调节试样部件和试块部件在X、Y、Z方向上的位置和水平性，确保二者处于同一水平位置，保证二者与超声波探头高度方向上距离的一致性、与探头角度的一致性；
步骤二：通过工装机设置超声波检测工艺参数，所述超声波工艺检测参数包括水浸式超声波探头样式、设置脉冲重复频率、高低通滤波器、平均数、扫描步进、数据采集设置；
步骤三：设置水浸式超声波探头的角度变换参数；
步骤四：调节灵敏度；移动水浸式超声波探头的x轴和y轴方向找到超声波对比试块上模拟腐蚀裂纹的人工缺陷的最大回波，并调节增益使回波波幅达到满屏的80％，完成灵敏度调节；
步骤五：设置数据采集闸门；通过使用待评价的腐蚀试样边缘的反射信号的始波设置好数据采集闸门；同步闸门syn gate采集样品边缘的始波信号；缺陷闸门flaw gate采集腐蚀缺陷信号；
步骤六：设置超声波扫描区域；通过将移动水浸式超声波探头移动到待评价的腐蚀试样的区域上方；扫描区域设置在100％覆盖腐蚀试样的基础上，待评价的腐蚀试样的区域各边缘富余30mm以上；
步骤七：启动超声波扫描并获得超声波C扫描图；
步骤八：通过超声波C扫描图进行腐蚀性评价；调出缺陷闸门flaw gate的波幅图，使用软件的评定框选定整个腐蚀评价区域，获得“腐蚀区域的平均波幅值”；
步骤九：使用软件的评定框选定整个腐蚀评价区域，获得腐蚀区域的最大波幅值；将软件的评定框缩小范围，寻找到最大波幅值的精确位置；
步骤十：通过超声波C扫描图观察试块保护区域的波幅值，比较腐蚀区域和保护区域的波幅值差异；
步骤十一：根据步骤九确定的最大波幅值的精确位置截面进行解剖和金相分析，使用金相法获得“腐蚀区域的的最大腐蚀深度”；
步骤十二：结合步骤八获得“腐蚀区域的平均波幅值”和步骤十一使用金相法获得的“腐蚀区域的的最大腐蚀深度”评估样品抗腐蚀性能。
4.根据权利要求3所述使用水浸式超声波装置评价铝合金材料抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述方法在开始前，准备过程如下：
步骤1：配置腐蚀试验溶液和准备试验装置；
步骤2：加工超声波对比试块；
步骤3：加工待评价的腐蚀试样。
5.根据权利要求4所述使用水浸式超声波装置评价铝合金材料抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述超声波对比试块的加工过程如下：使用线切割机进行加工超声波对比试块，切割固定尺寸，几何尺寸为：厚度为5～100mm，宽度为25～100mm，长度为40～200mm，在超声波对比试块的测试面上加工有1～5个模拟腐蚀裂纹的人工缺陷，模拟腐蚀裂纹的人工缺陷垂直于测试表面向材料内部延深；模拟腐蚀裂纹的人工缺陷宽度为0.02mm～0.30mm，深度为：0.05mm～0.45mm。
6.根据权利要求3所述使用水浸式超声波装置评价铝合金材料抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述待评价的腐蚀试样加工过程如下：步骤a)对试样背面和主试验面的保护区域增加保护层进行密封；步骤b)：将试样投入试验装置的腐蚀试验溶液中，按规定的温度和时间进行试验；完成试验后，对腐蚀试样的腐蚀区域进行目视观察和拍照，对腐蚀试样的表面使用毛刷和清水进行清洁，去除保护层后获得待评价的腐蚀试样。
7.根据权利要求6所述使用水浸式超声波装置评价铝合金材料抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述待评价的腐蚀试样加工过程如下：步骤a)将试样的主试验面分为两个区域：腐蚀区域和保护区域；腐蚀区域宽25～100mm，长40～150mm；保护区域宽25～100mm，长20～50mm，使用阻隔腐蚀液的保护层进行密封；主试验面的背面用于记录样品编号，也使用保护层进行密封；试样的几何尺寸为厚度为5～100mm，宽度为25～100mm，长度为40～200mm；步骤b)配置晶间腐蚀试验用的溶液；将溶液置于水浴恒温装置中，然后投入试样，按照晶界腐蚀试验进行特定浸渍时间的腐蚀；将试样取出后进行目视观察和拍照，然后使用毛刷除去表面层腐蚀产物，将保护层去除干净后获得所述的待评价的腐蚀试样；待评价的腐蚀试样的几何尺寸为厚度为5～100mm，宽度为25～100mm，长度为40～200mm。
8.根据权利要求3所述使用水浸式超声波装置评价铝合金材料抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述角度变换参数包括1)所述水浸式超声波探头浸水的水距和探头焦距一致；2)调节AB轴摆动装置找到最大回波；3)通过方程式
Figure FDA0003218520200000031
计算出倾斜角度，实现将水浸式超声波探头倾斜a1，完成检测角度设置；4)将水浸式超声波探头移动至试块边缘，通过在X轴、y轴、Z轴方向上移动水浸式超声波探头移动找到最大回波后固定Z轴的高度，水浸式超声波探头移动到超声波对比试块/待评价的腐蚀试样表面的距离等于探头焦距。
9.根据权利要求3所述使用水浸式超声波装置评价铝合金材料抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程如下：调节好试块水平及位置调节器，将Z轴方向的高度固定，调节水平面的水平度，判断水平度的方法为：将水浸式超声波探头移动到超声波对比试块上方，调整至垂直入射后，将水浸式超声波探头沿着X轴方向或Y轴方向从超声波对比试块的一端移动到另一端，用调节器调水平度直至接收到第一次上表面波的传播时间的变化值≤0.025μs/10mm。
10.根据权利要求3所述使用水浸式超声波装置评价铝合金材料抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程如下：使用频率为5～25MHz，采用直径5～20mm的水浸式超声波探头，扫描步进0.2～0.5mm；超声波入射面为试样上表面；脉冲重复频率100～600kHz；平均数4～40；高低通滤波器设置：低通滤波设置为探头中心频率+7.5～10MHz，高通滤波设置为探头中心频率-5～7.5MHz；数据采集设置为：A扫描全波扫描数据采集。
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