蔣福棠，杜吉?jiǎng)P，何雙起

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

金屬基復(fù)合材料不僅具有比強(qiáng)度和比模量高，工作溫度和層間剪切強(qiáng)度高于樹(shù)脂基復(fù)合材料等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有耐磨損、不吸濕、尺寸穩(wěn)定和不易老化等一系列金屬材料的特性，因而自問(wèn)世以來(lái)就得到了大力地開(kāi)發(fā)。目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家已將其中較優(yōu)的材料，如SiC增強(qiáng)、硼纖維增強(qiáng)Al基復(fù)合材料等，推廣應(yīng)用于航天、航空等某些工業(yè)領(lǐng)域。

金屬基復(fù)合材料因組份和結(jié)構(gòu)的特殊性，容易產(chǎn)生各種缺陷和結(jié)構(gòu)不連續(xù)，因此有效的無(wú)損檢測(cè)對(duì)保證材料和產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的意義。金屬基復(fù)合材料的缺陷表征方法不僅有別于一般材料而且對(duì)不同的增強(qiáng)劑和基材也會(huì)有所不同。近年來(lái)發(fā)展了許多可用于金屬基復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)新方法，其各有特點(diǎn)和適用范圍，應(yīng)用時(shí)需根據(jù)缺陷和損傷的特點(diǎn)來(lái)予以選擇。但當(dāng)前對(duì)金屬基復(fù)合材料主要的無(wú)損檢測(cè)方法仍是超聲、射線照相和聲發(fā)射法。

筆者介紹了用于SiC增強(qiáng)Al基復(fù)合材料所研制的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)、超聲和軟X射線檢測(cè)方法及檢測(cè)結(jié)果。

1 超聲波檢測(cè)

檢測(cè)裝置包括超聲波探傷儀、X－Y平面掃查裝置、管子及圓截錐套掃查裝置、水槽、脈沖峰值檢測(cè)器和A／D轉(zhuǎn)換器、主控PC機(jī)、測(cè)試軟件及成像軟件等。檢測(cè)時(shí)，PC機(jī)控制所有儀器的工作、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并實(shí)時(shí)成像，且可按需要做16色偽彩色C型顯示并給出缺陷面積、數(shù)量、尺寸、比率和分級(jí)等檢測(cè)結(jié)果并打印輸出。在圓管和圓截錐套的檢測(cè)中，圓解碼器的引入解決了由電機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻及旋轉(zhuǎn)慣性所造成的不能對(duì)采樣點(diǎn)精確同步和定位的難題，用低成本的普通直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了較高精度的C掃描檢測(cè)。峰值采樣電路的特殊設(shè)計(jì)保證了較大的動(dòng)態(tài)范圍和較高的測(cè)試精度（在24dB動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)垂直線性誤差小于5%）。

由于檢測(cè)對(duì)象都是厚度1～4mm的薄壁件，因此采用超聲縱波水浸反射板法進(jìn)行檢測(cè)。反射板法的實(shí)質(zhì)是測(cè)量超聲波兩次穿透試件后的相對(duì)衰減量。這種方法不僅可以克服一般反射法難以完全避免的探傷盲區(qū)，而且對(duì)裂紋的檢測(cè)能力有時(shí)優(yōu)于反射法。

檢測(cè)采用5MHz的長(zhǎng)焦距聚焦探頭，焦距150mm，既達(dá)到了高的靈敏度又適用于試制階段被檢測(cè)件的材質(zhì)狀況。缺陷像的大小與檢測(cè)閾值關(guān)系緊密，而不同類(lèi)型的缺陷又會(huì)有不同的衰減值從而要求不同的閾值。16級(jí)任意可調(diào)的閾值設(shè)置可方便有效地對(duì)被測(cè)件各部位的超聲衰減作出評(píng)價(jià)。圖1為超聲縱波水浸反射板法檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。

圖1 超聲縱波水浸反射板法檢測(cè)系統(tǒng)

2 X射線檢測(cè)

采用西德產(chǎn)ISOVOLT－150型（鎢靶、鈹窗口）和國(guó)產(chǎn)DGX－6型（鉬靶、鈹窗口）兩種X射線機(jī)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。這兩種X射線機(jī)的焦點(diǎn)都是0.4mm×0.4mm，均使用 Koda－R型微粒高對(duì)比度膠片。試驗(yàn)結(jié)果表明，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的鉬靶X射線機(jī)的透照靈敏度略優(yōu)于鎢靶X射線機(jī)。

3 檢測(cè)結(jié)果

共對(duì)150余件平板、管子和圓截錐套試驗(yàn)件進(jìn)行了超聲C掃描和軟X射線試驗(yàn)，并對(duì)人工制造的及探傷發(fā)現(xiàn)的各種缺陷進(jìn)行了解剖和金相及掃描電鏡分析，解剖結(jié)果及探傷結(jié)果之間顯示了較好的一致性。圖2（a）為某試件的超聲C掃描像，圖中右面缺陷為面皮／基材未結(jié)合，左面缺陷為纖維絲／基材未結(jié)合和微孔隙。面皮／基材未結(jié)合缺陷的金相照片見(jiàn)圖2（b），纖維絲／基材未結(jié)合和微孔隙缺陷的金相照片見(jiàn)圖2（c）。表1列出了這兩種方法對(duì)多種缺陷的檢測(cè)效果。

金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)劑分布的均勻性對(duì)材料性能有著重要影響，而且增強(qiáng)劑密集處也易產(chǎn)生裂紋源，因此對(duì)其進(jìn)行有效地?zé)o損檢測(cè)有著重要的意義。針對(duì)上述材料，射線法之所以能檢出此種缺陷，主要是因?yàn)榛氖荓Y12鋁合金，該合金還有約1.25%的銅，而銅具有很高的射線吸收系數(shù)，這就較大地增加了基材和SiC增強(qiáng)劑之間的吸收差；超聲波衰減法之所以難以檢出此種缺陷，則是由于增強(qiáng)劑的分布不均勻而不能產(chǎn)生明顯的聲衰減之差。

超聲波檢測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)出的最小缺陷為：作為校準(zhǔn)試件的Al質(zhì)平板中φ0.25mm的通孔，并能清晰成像。圖3顯示的是鋁質(zhì)圓管中順圓管軸向分布的三個(gè)通孔的超聲成像，通孔的直徑大小依次為φ0.8，0.5，0.35mm。由于圓管直徑較小，聲波在圓管折射而使圖像成橢圓形。軟X射線法能在X射線照相膠片上清晰地顯示出φ0.1mm的鋁絲。某試件纖維分布不均勻的軟X射線照片見(jiàn)圖4。

圖2 某試件的超聲C掃描圖像及其缺陷的金相照片

表1 小厚度SiC增強(qiáng)／Al復(fù)合材料各種人工和天然缺陷檢測(cè)效果

圖3 Al質(zhì)圓管中人工通孔的超聲C掃描像（處理前的原始像）

圖4 纖維分布不勻的軟X射線照片

測(cè)量結(jié)果表明，現(xiàn)有SiC／Al復(fù)合材料試件的聲衰減和聲阻抗值，從探傷角度看與Al材相差甚小，因此在進(jìn)行超聲反射板法檢測(cè)時(shí)，為了校準(zhǔn)探傷靈敏度，可用以Al材制作的模擬件做校準(zhǔn)試塊。

4 結(jié)語(yǔ)

反射板法超聲C掃描和軟X射線兩種方法聯(lián)合運(yùn)用，并配以相應(yīng)的檢測(cè)裝置，可用于有效地檢測(cè)SiC纖維（或顆粒）增強(qiáng)Al基復(fù)合材料平板、管子和圓截錐套中的分層、裂紋、夾雜、高孔隙率、孔隙、面皮／基材未結(jié)合、增強(qiáng)劑／基材未結(jié)合、增強(qiáng)劑分布不勻等缺陷。

SiC／Al復(fù)合材料因組份和結(jié)構(gòu)的特殊性和復(fù)雜性，今后尚需通過(guò)大量的生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)建立缺陷的探傷表征方法和標(biāo)準(zhǔn)。任何無(wú)損檢測(cè)方法都有其局限性，因此應(yīng)用更多的無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)金屬基復(fù)合材料的完整性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)是有必要的，尤其是對(duì)增強(qiáng)劑和基材之間界面結(jié)合強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)，還需開(kāi)發(fā)出新的檢測(cè)方法和技術(shù)。