热障涂层失效的无损检测与评价研究进展

热障涂层作为航空发动机高温部件的关键材料,其质量和性能的无损检测与评价是热障涂层研究领域中急需解决的关键问题。系统回顾了热障涂层无损检测技术与方法的发展历史与研究现状,重点介绍了热障涂层TGO与残余应力的无损检测技术及其未来的发展方向。

复合材料蜂窝夹芯缺陷超声检测模拟研究

实际检测中发现,复合材料蜂窝夹层结构中的芯格塌陷和胞壁鼓泡缺陷能够引起喷水超声穿透法C扫描检测中超声大幅度衰减。为了从理论上分析并验证蜂窝夹芯缺陷对穿透法超声传播的影响,本文采用3D有限元建模仿真方法,分别模拟了超声波在蜂窝壁完好、芯格塌陷、胞壁鼓泡这3种模型中的传播方式,研究了不同缺陷种类的尺寸和数量对、超声透射波幅值的影响,讨论了复合材料蜂窝芯格塌陷和胞壁鼓泡缺陷引起零件检测中超声波大幅度衰减的原因,与实际超声C扫描检测结果具有较好的一致性。

超声检测识别CFRP复合材料PTFE夹杂与富树脂缺陷

针对碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)缺陷试样制作困难且不同夹杂缺陷难识别的问题,采用仿真与试验相结合的方法,开展聚四氟乙烯(PTFE)夹杂与富树脂缺陷超声检测研究。首先建立考虑CFRP层结构弹性各向异性的多向层合板超声反射法有限元模型,对比模拟与试验得到的A扫描时域信号,证明了模型的有效性。在CFRP层合板内部设置宽度6 mm,厚度0.03~0.40 mm的PTFE夹杂和厚度0.03~0.85 mm的富树脂缺陷,模拟得到超声A扫描信号,分析比较两种缺陷厚度变化对超声信号幅值最大值和波形峭度因子的影响。结果显示,随着缺陷厚度增加,PTFE夹杂及富树脂缺陷信号的幅值最大值和峭度因子均呈现先上升后下降最后趋于稳定的趋势,但富树脂缺陷信号幅值最大值低于PTFE夹杂,其峭度因子随厚度变化滞后于PTFE夹杂。

基于随机孔隙模型的CFRP孔隙率超声检测研究

为解决碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)孔隙率超声衰减法检测中,理论值与试验值存在差异的问题,基于随机介质理论,建立CFRP孔隙特征的数学描述方法。该方法利用极值搜索法对椭圆形自相关函数随机介质构造方法进行改造。通过正交试验分析各构造参数对随机孔隙构造结果的影响,并利用CFRP试样的大量孔隙形态及分布统计数据,对自相关长度ab、自相关长度比r0=a/b及分区边长D等参数进行优化,最终构建CFRP随机孔隙模型。研究发现,随机孔隙模型能够反映孔隙的形貌及分布等随机特征,为研究CFRP孔隙对超声波的散射作用提供理论依据。根据此模型计算出的超声衰减系数与孔隙率对应关系与试验结果之间规律一致。表明该随机孔隙模型能够很好地表征CFRP的整体弹性性能及由随机孔隙引起的局部弹性微扰。

基于相位相干成像的TOFD检测缺陷图像增强处理研究

利用超声衍射时差法(TOFD)对钢制安全壳(CV)焊缝进行缺陷检测时,存在信噪比低和分辨率差等现象。为解决上述问题,发展了一种基于相位相干成像(PCI)的TOFD的图像增强处理算法,该算法适用于平行扫查(B扫查)与非平行扫查(D扫查),针对B扫查和D扫查图像从增强算法原理及其试验效果进行了说明,为后续缺陷定位、定量研究奠定理论基础。首先,利用合成孔径聚焦技术(SAFT)对厚度48 mm的CV试块焊缝中底面开口槽B扫查和D扫查图像进行处理,得到SAFT图像;然后,利用PCI算法对SAFT图像进行相位相干处理。结果表明,PCI算法能够通过减小合成孔径声束宽度有效提高横向分辨率。此外,该算法还能够通过放大相位分布对幅值的作用有效抑制背景噪声,使缺陷信噪比得到提升。并在上述研究基础之上,比较了CCF和SCF权重矩阵增强效果,为实际图像处理中权重矩阵的选择提供参考。

航空复材构件R区相控阵超声检测研究进展

航空碳钎维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)构件通常具有几何形状复杂的R区结构,提高该区域缺陷检测质量对于保证航空构件的承载性能至关重要。本文结合声学建模及声传播规律仿真分析,确认了CFRP构件R区同时存在叠层、曲面及弹性各向异性3方面特点,导致超声波垂直入射难、声传播路径扭折、结构噪声强和声耦合效果差等问题。基于相控阵超声检测(Phased Array Ultrasonic Testing,PAUT)技术,针对R区尤其是变厚度、变曲率和变角度情况下缺陷检测难题,重点综述了换能器研发、基于信号后处理的超声成像、固体柔性耦合介质及辅助工装研发等方面的研究进展,分析了当前研究存在的主要问题及未来发展方向。

基于ANSYS仿真分析的管材涡流检测频率优化研究

针对传统的涡流检测激励频率确定方法存在与实际情况不符和难以得到最佳检测频率的问题,基于大型通用有限元软件ANSYS建立了外径19 mm、壁厚2 mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢管材涡流检测内插式探头和穿过式探头的仿真模型,根据差动探头的特性,通过计算距人工缺陷不同距离时检测线圈电流的实部IREAL、虚部IIMAG和线圈的阻抗差ΔZ,进而得到缺陷仿真信号,通过比较不同频率下缺陷信号的幅值和相位,确定穿过式探头的最佳检测频率为50 kHz。

无损检测本科实验教学中的复杂工程问题设计

提出将复杂工程问题设计纳入无损检测本科实验教学,摆脱以基础知识和验证性实验为核心的常规模式,初步探索满足工程教育认证标准要求的无损检测实验教学模式。总结无损检测中的复杂工程问题来源与类型,结合学生学习能力与知识储备进行设计并应用于本科实验教学。以大连理工大学金属材料工程(无损检测)专业方向为例,实验教学结果表明复杂工程问题设计有助于学生加深对工程问题的理解,提高解决工程问题的能力。

千赫及兆赫级频带EMI技术检测灵敏度实验研究

借助WK6500B精密阻抗分析仪对压电阻抗(EMI)技术结构健康监测研究中,检测频带与检测灵敏度间的关系进行了定量研究。选用尺寸为1 250mm×100mm×3mm铝梁结构上距离锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)传感器1 000mm的1.2mm通孔损伤作为检测对象。在10kHz～10MHz频率范围内7个峰值集中的频段,分别选用电阻抗谱峰值偏移量(Δf)和均方差作为损伤识别指数,对EMI技术检测灵敏度进行了研究。结果表明,在千赫级频带范围内,Δf和均方差均随着检测频段的升高呈先增大后减小的变化趋势,280～340kHz频段对于通孔损伤具有最高的检测灵敏度。在兆赫级频带范围内,Δf取值较大,在6.18 MHz处出现了25.0kHz的显著偏移。由于千赫和兆赫级频带的电阻抗信号分别具有峰值数量多,综合各峰值信息整体分析时对损伤敏感和峰值数量少,单一峰值偏移量对损伤敏感的特点,在实际检测过程中,可将这2个频带的检测结果结合起来以提高EMI技术对微小损伤的检测灵敏度。

铝合金搅拌摩擦焊超声检测研究进展

铝合金搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)焊接参数选择不当将会产生隧道孔、未焊透(lack of penetration, LOP)和吻接等取向复杂、细微紧贴的缺陷。首先,本文简述了FSW焊缝与典型缺陷特征,总结了超声检测时面临纵向分辨力低、缺陷表征不完整、材料与缺陷声阻抗接近和灵敏度不足等难点。随后,从常规超声、超声衍射时差法(time-of-flight diffraction, TOFD)、相控阵超声检测技术和其他超声检测技术等方面综述了现有的铝合金FSW超声检测研究工作。最后,结合超声信号处理方法和机器学习方法对研究前景进行展望:可以通过分析和提取信号特征,进一步提升超声检测分辨力和信噪比,并实现取向复杂缺陷和细微紧贴缺陷的精准辨识与定量。

钢基体铜覆层中Love波检测实验研究

采用数值分析方法绘制了钢基体铜覆层中Love波的理论频散曲线,讨论了Love波传播的频散特性。实验分别采用标称频率为1MHz和2.5MHz的超声波斜探头,利用激发切应力产生Love波,对铜覆层中Love波相速度、群速度进行了实验测试,所得结果与理论值符合得较好。比较发现,为保证检测结果具有较高的灵敏度,实验中尽量选择较低的频率。

基于频域稀疏盲解卷积的奥氏体不锈钢TOFD盲区小缺陷定量检测

针对超声衍射时差法(TOFD)检测奥氏体不锈钢近表面盲区内小尺寸缺陷时的信号混叠及结构噪声问题,提出了频域稀疏盲解卷积法。在厚为35 mm奥氏体不锈钢试块TOFD近表面检测盲区内加工深为3.0mm,高为3.0 mm的人工缺陷,基于匹配追踪算法(MP)对TOFD试验信号进行稀疏分解,解耦噪声部分,再利用同态变换并结合L_(1),L_(2)范数约束建立反演问题目标函数,并利用内点法求解。结果表明,在无需参考信号的情况下,该方法能够分离TOFD表面直通波和缺陷上、下端点衍射波,计算求得缺陷深为3.04 mm,高为2.65 mm,最大误差不超过11.7%。

基于功率谱分析的表面涂层厚度超声无损测量方法

针对厚度小于1 mm的薄膜或涂层材料,研究了一种超声测厚信号处理方法.当超声波在两层或多层介质中传播时,不同界面的回波信号会相互叠加并发生干涉.当超声波在厚度L、声速ν、声阻抗Z2的介质(介于声阻抗分别为Z1和Z3的两介质之间)中传播,由于界面回波的叠加与干涉,回波信号的功率谱在频率为f0=ν /4L的奇数或偶数倍处出现周期性极值点.因此,当声速ν已知,待测试样的厚度L可由关系式L=ν /2△f 来求得.其中,△f是相邻两极值的频率间隔.根据该原理,采用水浸聚焦脉冲回波超声检测方法,对镍基高温合金基体上的ZrO2热喷涂涂层(270～400 μm)进行了厚度测试,试验结果与金相法测试结果相符.

厚壁铸造奥氏体不锈钢管道焊缝超声相控阵检测技术概述

铸造奥氏体不锈钢(Cast austenitic stainless steel,CASS)管道的焊接质量直接关系到核反应堆的安全,在核动力装置的检验规范中,对此类焊缝加工质量及服役期间状况提出无损检测的强制性要求,但CASS焊缝组织状态的复杂性给超声检测工作带来困难,研究采用相控阵超声检测(Phased array ultrasonic testing,PAUT)技术解决这一难题已成为国内外无损检测工作者关注的热点。概述厚壁CASS管道焊缝PAUT技术的难点,归纳相应的关键技术及解决策略,并简述近期国内外相关研究工作的进展和成果,以期为厚壁CASS管道焊缝的PAUT技术提供借鉴和参考。

相控阵超声检测横向分辨力实验测试及分析

使用带有斜楔的60晶片线型阵列换能器,以扇扫成像方式,对孔径为8~30 mm范围内,焦距分别为30 mm、40 mm、60 mm、80 mm时相控阵系统的横向分辨力进行了实验测定。研究发现：焦距一定时,随线阵换能器孔径的增大,系统的横向分辨力提高;孔径一定时,随焦距增加,系统横向分辨力降低;焦距和换能器孔径对相控阵成像分辨力影响显著。实测结果与理论分析以及已有文献的数值模拟结果具有良好的一致性。研究结果对于相控阵超声检测的工程应用具有重要参考价值。

激励电压对压电阻抗法检测灵敏度的影响

研究了锆钛酸铅压电陶瓷(lead zirconate titanate piezoelectric ceramic,简称PZT)传感器的激励电压与压电阻抗法(electro-mechanical impedance,简称EMI)结构健康监测技术灵敏度之间的关系。借助WK 6500B精密阻抗分析仪及自行搭建的高激励电压电阻抗测试系统(high excitation voltage electrical impedance measurement sys-tem,简称HEVEIMS),在0.01～20V之间8种不同激励电压下,对尺寸为1250mm×100mm×3mm铝梁结构上距离PZT传感器1 000mm的直径为1.2,2.5和3.5mm的通孔损伤进行了检测。研究结果表明,激励电压与检测灵敏度之间的关系是非单调的。在1～10V范围内,提高激励电压能够显著增大EMI方法的检测灵敏度。高激励电压下PZT电阻抗信号中非线性成分增多是导致EMI方法检测灵敏度升高的主要原因。研究结果不但为EMI检测中激励电压的选取提供了参考,也为明确激励电压与检测灵敏度之间的相关关系提供了数据支持。

考虑孔隙细观特征的热障涂层脱粘缺陷超声检测数值模拟

为探究孔隙细观形貌对热障涂层脱粘缺陷超声检测定量精度的影响,基于电子束物理气相沉积法制备的厚度约为100μm的ZrO_2-7%Y_2O_3(7YSZ)热障涂层SEM形貌,建立了界面脱粘尺寸0.2~2.0 mm、孔隙率范围0%~5%、孔隙平均宽高比分别为4∶10、6∶10、8∶10和10∶10的多组热障涂层二维随机孔隙模型(Random void model,RVM),采用时域有限差分技术进行了超声检测数值模拟。结果表明:当涂层厚度一定时,涂层声压反射系数幅度谱极值与脱粘尺寸呈线性关系,脱粘尺寸超声定量误差随孔隙率和孔隙平均宽高比的增加而增大,当涂层孔隙率为5%时,超声测量最大相对误差已达到37.7%,孔隙平均宽高比增大为10:10时,超声测量最大相对误差达到36.9%。此外,由于受孔隙分布状态的影响,超声定量结果呈现出一定的波动性。

合成孔径聚焦技术在超声衍射时差法缺陷长度定量中的应用研究

超声衍射时差法（Time of flight diffraction,TOFD）中由于探头具有一定声束宽度使得缺陷D扫描图像中存在甩弧现象,导致检测图像横向分辨率差,缺陷起始位置确定困难,长度定量误差大。为了提高缺陷长度定量精度,引入合成孔径聚焦技术（Synthetic aperture focusing technology,SAFT）,并建立D扫描图像SAFT数学模型。借助CIVA仿真软件,对长度范围为5.0~45.0 mm的9个矩形槽进行TOFD检测D扫描模拟,并利用SAFT对D扫描图像进行处理与重建,结果显示缺陷的有效衍射信号得到增强,甩弧现象减弱甚至消失;对于长度为5.0 mm的矩形槽,经SAFT处理后,缺陷定量误差为-0.4 mm。将该方法应用到长度分别为5.0 mm和40.0 mm的表面开口槽试验D扫描图像处理中,缺陷长度定量误差分别为0.4 mm和0.8 mm。研究结果表明,通过D-SAFT技术能够有效提高缺陷D扫描图像横向分辨率,实现缺陷长度精确定量。

基于EBSD技术构建弹性各向异性粗晶材料超声仿真模型的研究

针对弹性各向异性粗晶材料晶粒结构和取向定量描述困难,导致超声检测仿真结果与试验符合程度较差的问题,提出基于电子背散射衍射(Electron back-scatter diffraction,EBSD)技术确定晶粒形态及晶体取向的建模思路。利用EBSD技术实测得到了尺寸为96 mm×12 mm的离心铸造奥氏体不锈钢(Centrifugally cast austenitic stainless steel,CCASS)轴-径向截面的晶体取向图谱,选择15°取向相(差)角定义EBSD图谱的晶粒结构,并对晶体取向进行归一化处理。在此基础上借助Bond变换法赋以晶粒在对应晶体取向下的刚度矩阵,对模型中晶粒的弹性特征进行量化表征,建立CCASS超声检测模型。采用时域有限差分法进行数值计算,结果表明:利用该方法能够较好地重现CCASS超声检测特有的结构噪声和主频降低等现象,为揭示超声波在弹性各向异性粗晶结构中的散射机理提供了解决思路。

基于全模式全聚焦方法的裂纹超声成像定量检测

利用超声成像方法对关注区域成像,对获取缺陷形状、尺度和取向等特征具有重要意义。考虑了21种不同声束路径的模式波,复合叠加各重建点能量最强信号,提出全模式全聚焦方法(FTFM)。利用一组探头楔块,通过一次信号采集实现未知裂纹的轮廓重建与定量检测。针对厚度40 mm碳钢中长度4 mm,中心深度25 mm,取向角度分别为0°、±20°、±50°和±80°的裂纹,采用64阵元、中心频率5 MHz线阵探头配合45°纵波楔块实施全矩阵捕捉(FMC)和FTFM成像,仿真和实验均重建了裂纹完整轮廓,裂纹长度、取向和中心深度定量误差分别不超过0.60 mm、2.39°和0.73 mm。最后,为保证FTFM成像质量,检测时应合理选择相控阵探头参数,并移动探头至最佳位置处采集FMC信号。