碳化硅陶瓷基复合材料的超声检测研究论文_闫德立

摘要：介绍了一种基于超声C扫技术对碳化硅陶瓷基复合材料缺陷的检测方法，应用结果表明超声C扫技术可为检测碳化硅陶瓷基复合材料的缺陷提供一种行之有效的方法。

关键词：陶瓷基复合材料，缺陷，超声C扫描。

0引言

如今，采用新型超高温复合材料来不断地降低航空和航天器的结构重量和提高发动机耐高温能力，不断提高其推重比和冲质比是改善先进航空和航天器性能的必由之路。国际普遍认为,陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，CMCs）是发动机高温结构材料的技术制高点之一,可反映一个国家先进航空航天器和先进武器装备的设计和制造能力。

目前，开展对于CMCs的无损检测方法较少，有资料表明，声发射检测和X射线检测可用于CMCs缺陷的检测。本文从超声检测入手，发现对该材料缺陷的检测能力。

1材料的制造工艺

1.1CMCs的制造和主要缺陷

制造碳化硅陶瓷基复合材料的常用方法是化学气相浸渗法。该方法存在以下问题:①SIC基体致密化周期长；②非均匀沉积产生密度梯度；③材料的各向异性和不均匀特性。

1.2断口金相分析

通过对断口处的金相分析，可以看出这种材料显微结构非常复杂，加之其制备成型涉及多种工艺过程，构件不可避免地存在各种缺陷，主要为分层、孔隙、夹杂等，特别是分层类面积型缺陷对构件的质量影响非常大。

图 1 纤维增韧陶瓷基复合材料断口形貌

2声学性能测试研究

2.1声速的测量

上式中没有考虑扩散衰减，因此现场应用时应根据薄板厚度来确定波的次数，使声波的传播距离在波束未扩散区内。

分别使用2.25MHz探头和5MHz探头得出波形图。利用波形图，通过声学性能测试公式，可以计算出，虽然使用两种不同频率的探头，所得到的材料声速均为3150m/s左右，材料声速是材料的固有属性； 2.25MHz的探头测得的声衰减系数在0.9 dB/mm左右，5MHZ的探头测得的声衰减系数在1.4dB/mm左右，声衰减系数与所用探头频率有关。

3超声C扫描检测设备

试验中使用的检测构件为薄板件，规格为 245mm*135mm*4.5mm。

试验中采用的超声C扫设备如下图所示。该设备主要由水槽，机械扫查装置以及计算机控制系统组成。

图2 超声C扫设备

4.3实验内容

为了获得满意的检测效果。选用X-Y型双轴扫描模式完成。

图3 超声C扫结果

由于这种材料的分层等面积型缺陷往往垂直于超声波的传播方向，底波会因这种缺陷的阻挡作用下降很严重，甚至无法找到底波，因而可通过框底波的幅值变化能有效的检测出分层类缺陷，但是对于裂纹、细小空洞等缺陷难于识别出来。

5.结论

通过超声C扫检测技术能很好地识别出陶瓷基复合材料的面积型缺陷，且灵敏度较好，但是对于夹杂等小型缺陷，以及平行于超声波方向的孔隙、裂纹、纤维类缺陷较难检出，这也是利用超声C扫设备检测复合材料的一个瓶颈。

其次，超声探头是影响复合材料检测效果的重要因素，正确选择合适的探头对本次实验十分重要。本实验试用了不同频率（1MHz，2.25MHz，5MHz和10MHz）的探头。最终发现，对于检测这种材料的薄板来说，探头频率2.25MHz，5MHz效果较好。既保证了声波衰减小，回波幅值较大，又保证了超声能量集中，对缺陷的分辨率好，有利于发现缺陷。

参考文献：

[1]张立同，成来飞，徐永东.新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展[J].航空制造技术，2003,1：24-28.

[2]徐翔星.C/SiC陶瓷基复合材料的X射线无损检测研究[D].西安:西北工业大学，2003.

[3]王永寿.陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用研究[J].飞航导弹，2002(10)：55-59.

论文作者:闫德立

论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期

论文发表时间:2020/4/17

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