專利名稱：一種顆粒增強鋁基復合材料品質一致性的超聲波快速檢測方法
技術領域：
本發明涉及超聲波檢測方法，特別涉及一種利用超聲波對顆粒增強鋁基復合 材料的品質一致性進行檢測的方法。
背景技術：
與基體鋁合金相比，顆粒增強鋁基復合材料具有高比強度、高比剛度，耐磨 損、耐疲勞、熱膨脹系數小、良好的尺寸穩定性等優異的力學性能和物理性能， 近年來，正逐漸成為具有廣闊應用前景的新型材料。
顆粒增強鋁基復合材料具有復雜的微觀組織結構，其主要的結構特征包括增 強顆粒的含量、大小、形貌、分布及其與基體之間結合的界面以及增強相引起的 基體微觀結構的變化，包括位錯、時效析出相、織構、殘余應力等，這些微觀組 織結構特征決定了復合材料的力學和物理性能。因此，復合材料設計、制備過程 中需要優化其微觀組織，從而提高和優化其綜合性能。
顆粒增強鋁基復合材料的粉末冶金法制備工藝流程主要包括基體鋁合金熔 煉、氣霧化制粉、粉末篩分，增強體顆粒選型、分級，基體鋁合金粉末與增強體 顆粒混合，混合粉末冷壓，真空熱壓，擠壓，鍛造，熱處理等。該工藝流程長， 工序多，影響復合材料微觀組織結構的因素復雜。大量的研究結果表明，在材料 制備過程中由于工藝設計與控制不足，極易導致材料內部出現增強顆粒分布不均 勻、微裂紋或孔隙、夾雜以及顆粒與基體之間界面結合差等缺陷，這些缺陷的存 在均會導致材料各部分組織不均勻，從而引起材料性能的明顯下降，嚴重時會在 使用過程中出現災難性的后果。由此可見，對復合材料進行無損檢測是十分必要 的，通過無損檢測的方法可以對復合材料的質量做出合理、可靠的評價，使這種 材料制成的零部件能夠安全可靠地運行。
真空熱壓是粉末冶金制備顆粒增強鋁基復合材料的關鍵工序，該工序對材料 的品質起著重要的作用。在制備時如因工藝控制不夠，極易出現微裂紋或孔隙， 造成品質下降，影響材料性能。另外，由于在真空熱壓時模具與粉末之間的摩擦 作用，導致熱壓坯錠不同部位的壓力不等，從而使各部位的致密性不同，必然造成各部位的微觀組織并不一致，這是其本身的工藝特點決定的。這一問題隨著坯
錠尺寸的增加會更加明顯，即大尺寸坯錠各部位致密性的差異更明顯，微觀組織
的不一致傾向更大。坯錠各部位的微觀組織差異大到一定程度也會影響材料的整
體性能。但是微裂紋或孔隙并不能通過常規的無損檢測方法檢測，而且坯錠各部
位的致密性也不能通過對整體坯錠密度的測量來進行檢測。上述影響材料整體性
能的問題在后續的變形加工中也同樣存在，生產和實驗過程中急需一種可以快速
檢測復合材料品質一致性的方法，所以研究針對解決此類問題的無損檢測方法顯
得尤為重要。
發明內容
本發明的目的在于提供一種顆粒增強鋁基復合材料的超聲波檢測方法，實現 對顆粒增強鋁基復合材料品質一致性進行快速的檢測。 本發明的上述目的通過下列技術方案實現
一種利用超聲波檢測顆粒增強鋁基復合材料品質一致性的方法，該方法包括 下述歩驟
(1) 、用相同工藝制備的、同一組成的顆粒增強鋁基復合材料的一批坯料作 為被檢測材料，在每批坯料中至少隨機挑選5個坯料；
(2) 、對作為被檢測材料的坯料測量其超聲波入射面與反射面之間的距離， 并將此距離值輸入數字式超聲波探傷儀，其中，入射面與反射面為圓柱形坯料或 棒材坯料中的兩個底面，或四方形坯料中的任意兩個相對應的面；
(3) 、用超聲波縱波直探頭與被測坯料的入射面耦合，使超聲波進入被測坯 料，超聲波探傷儀通過測量一次底面回波與二次底面回波之間的時間，自動計算 出該位置的聲速值；
(4) 、用超聲波縱波直探頭在被測坯料的入射面的不同部位上依次測量N 點，并得到相應位置的聲速值；其中，N等于或大于被測材料的入射面的面積除
以超聲波縱波直探頭覆蓋的被測材料的反射面積之商；
(5) 、經過對N個聲速值的數理統計，根據以下①和②式分別得到被測坯
料的平均聲速值f及聲速標準偏差C7 。
w臺其中，？為平均聲速值；^為標準偏差；
(6) 、對該批坯料的其他的各坯料重復步驟(2) (5)，分別得到該批次各 坯料的平均聲速值f及聲速標準偏差C7 ;
(7) 、對相同工藝制備的、同一組成的顆粒增強鋁基復合材料但不同批次的 坯料重復歩驟(2) (6),得到該種復合材料的多個批次的聲速平均值f及聲速 標準偏差CT數據， 一般至少為5批，根據正態分布的規則，該種復合材料的聲速 測量值在^ 土3cr范圍之內出現的概率為99.7%，根據取得的上述聲速平均值f 及聲速標準偏差a數據，并與各批次該種復合材料的微觀組織分析相結合，最終 確定合格的該種復合材料正常的平均聲速5 及聲速標準偏差"*，將它們作為該 種復合材料的表征聲速數據存入數據庫，
該種復合材料的正常聲速范圍「S土3(T《作為該種復合材料品質一致性的評
價標準，
(8) 、分別對相同工藝制備的、同一組成的顆粒增強鋁基復合材料的新制備 的一批被檢測坯料重復歩驟(2) - (5)，并以步驟(7)得到的聲速范圍f《士3ct g作為該種顆粒增強鋁基復合材料品質一致性的標準，所得平均聲速值f符合的
^土3C7^的聲速范圍，且其(T《C7》則該坯料品質一致性合格；所得平均聲速值 f超出"土3cT發的聲速范圍，或CT》CT表則該坯料品質一致性不合格。
超聲波檢測作為一種重要的無損檢測技術，具有顯著的優點，可以方便快捷 地對材料進行無損檢測。特定波型的超聲波聲速依賴于傳聲材料自身的密度、彈 性模量等性質，對于組織均勻的材料，聲速值是一個常數。當材料中存在微裂紋 或孔隙，局部不致密等組織不均勻情況時，超聲波需要經過較長的時間才能傳到 周圍相鄰的材料中去，因而聲速值會發生變化。因此超聲波的聲速測量技術可以 作為材料品質一致性的評價手段。
本發明的方法確定為至少5個批次，并且每個批次至少5個坯料，在此基礎 上來進行數理統計。所述的一個批次是集中在一段時間內連續制備的坯料，是用 同一批次的原材料、在設備狀態相同的情況下制備的；至少為5個批次，是在較 長的一段的時間內，使用不同批次的原材料、設備狀態經過使用調整的情況下制
6備的各批次坯料，以此基礎進行數理統計，無論是從時間上，還是從產品的數量 上，都足可以進行數理統計。在工程實際中，根據5個批次，每個批次隨機取5
個坯料進行測量，同時還進行各批次的微觀組織的分析，經多次實驗證實，微觀 組織正常的復合材料坯料的平均聲速及聲速標準偏差是穩定在一定范圍內的。本
發明的方法確定為至少5個批次，并且每個批次至少5個坯料，在此基礎上來進 行數理統計是在實際生產中得到證實的。
在所述的歩驟(4)中，所述的N等于或大于被測材料的入射面的面積除以 超聲波縱波直探頭覆蓋的被測材料的反射面積之商，這樣，在N個點上測量的 超聲波縱波直探頭完全可以覆蓋被測材料整個反射面的面積，因此其得到的聲速 統計結果反映了整個被測坯料的聲速狀況。
在本發明的利用超聲波檢測顆粒增強鋁基復合材料品質一致性的方法中，所 述的顆粒增強f3基復合材料是采用粉末冶金方法制備的。
在本發明的利用超聲波檢測顆粒增強鋁基復合材料品質一致性的方法中，所 述的顆粒增強鋁基復合材料為真空熱壓狀態，擠壓狀態，鍛造狀態、熱處理狀態 中的任意一種。
本發明的優點是按照本發明的方法，可以快速準確的判斷顆粒增強鋁基復 合材料的品質一致性，提高了生產和實驗效率，對顆粒增強鋁基復合材料的安全 使用提供了保障。本方法具有簡單、方便快捷、準確的優點，對于監控材料的品 質，保證材料質量穩定具有很大的實用價值。
圖1是本發明一種顆粒增強鋁基復合材料品質一致性的超聲波檢測方法示意圖。 圖2是本發明超聲波檢測聲速的A掃描圖。圖2中最高的回波為一次底面回波 (橫坐標為280附近)，第二高的回波為二次底面回波(橫坐標為560附近)，聲 速的測量就是通過測量一次底面回波與二次底面回波之間的時間，由超聲波探傷 儀自動計算出該位置的聲速值。
圖3是實施例中的聲速測量點示意圖，測量點在測量面上均勻分布。
具體實施例方式
以下用實施例對本發明做詳細說明，將有助于對本發明的技術及其優點做進 一步的理解，本發明的保護范圍不受這些實施例的限定，本發明的保護范圍由權利要求書來限定。 實施例1
對直徑為300mm，高度為310mm的體積分數為15%的SiC顆粒增強鋁基復 合材料的真空熱壓坯錠進行了檢測。采用縱波直探頭，探頭直徑為10mm，中心 頻率為6MHz，其測量覆蓋范圍是反射面直徑為80mm的區域。
具體歩驟如圖1所示，該步驟為
1. 用游標卡尺精確測量得到真空熱壓坯錠的兩個圓端面的距離，即高度310mm， 將此高度值310mm輸入數字式超聲波探傷儀。
2. 用超聲波縱波直探頭與該坯錠的圓端面的一個位置耦合，使超聲波沿高度方向 進入被檢坯錠，將另一個圓端面作為超聲波的反射面。超聲波探傷儀通過測量一 次底面回波與二次底面回波之間的時間，自動計算出該位置的聲速。圖2是用超 聲波縱波直探頭與該坯錠的圓端面的其中一個位置耦合所得到的超聲波檢測聲 速的A掃描圖。圖2中最高的回波為一次底面回波(橫坐標為280附近)，第二 高的回波為二次底面回波(橫坐標為560附近)，聲速的測量就是通過測量一次 底面回波與二次底面回波之間的時間，由超聲波探傷儀自動計算出該位置的聲速 值。3.用探頭在坯錠的不同部位依次測量n:20個點，并得到相應位置的聲速值。
n的值是根據n^/:ft^f』i=^3QQx3Q(^i4，最終確定為20。具體的檢
探頭覆蓋面積；rx 80x80
測位置見圖3所示，圖中表示了均勻分布的20個3
4.經過對該種材料的真空熱壓坯錠的聲速值進行5個批次(每個批次隨機挑 選8個坯料)的積累，運用式(1)和(2)的公式進行數據統計分析，并結合各批次 的微觀組織結果分析，可得該種復合材料的平均聲速5 =688511^，聲速標準偏 差cxflO m/s，，確定該種復合材料的平均聲速值在6855-6915 m/s之間是合格 的。將此數據存入顆粒增強鋁基復合材料超聲檢測數據庫。
采用上述相同步驟檢測具有相同材料成分、相同制備工藝的A、 B兩個坯錠， 得到這兩個坯錠的聲速平均值及聲速標準偏差，如表1所示。
表1.超聲波檢測真空熱壓坯錠的聲速結果<formula>formula see original document page 9</formula>表1中坯錠A的聲速平均值為6880 m/s，與數據庫中數據相比在正常范圍 內；其聲速標準偏差是4，也小于數據庫中該材料的聲速標準偏差10;以上結果 說明坯錠A的品質一致性是合格的。而坯錠B的聲速平均值為5320 m/s，與數 據庫中數據相比不在正常范圍內；且其聲速標準偏差為18，聲速值波動較大； 以上結果說明其品質一致性不合格。
分祈坯錠B品質不一致的原因，主要是由于工藝控制不夠使真空熱壓時的 壓力沒有達到要求的壓力值，導致制備的坯錠內部有嚴重的微孔隙，內部組織很 不均勻，以致使聲速值嚴重下降，并且聲速波動很大。這種利用超聲波檢測技術 對顆粒增強ffi基復合材料品質一致性的快速檢測技術對實驗和生產中快速發現 和解決問題起到了很好的作用。
權利要求
1、一種利用超聲波檢測顆粒增強鋁基復合材料品質一致性的方法，其特征在于，該方法包括下述步驟(1)、用相同工藝制備的、同一組成的顆粒增強鋁基復合材料的一批坯料作為被檢測材料，在每批坯料中至少隨機挑選5個坯料；(2)、對作為被檢測材料的坯料測量其超聲波入射面與反射面之間的距離，并將此距離值輸入數字式超聲波探傷儀，其中，入射面與反射面為圓柱形坯料或棒材坯料中的兩個底面，或四方形坯料中的任意兩個相對應的面；(3)、用超聲波縱波直探頭與被測坯料的入射面耦合，使超聲波進入被測坯料，超聲波探傷儀通過測量一次底面回波與二次底面回波之間的時間，自動計算出該位置的聲速值；(4)、用超聲波縱波直探頭在被測坯料的入射面的不同部位上依次測量N點，并得到相應位置的聲速值；其中，N等于或大于被測材料的入射面的面積除以超聲波縱波直探頭覆蓋的被測材料的反射面積之商；(5)、經過對N個聲速值的數理統計，根據以下①和②式分別得到被測坯料的平均聲速值<overscore>c</overscore>及聲速標準偏差σ。①②其中，<overscore>c</overscore>為平均聲速值；σ為標準偏差；(6)、對該批坯料的其他的各坯料重復步驟(2)～(5)，分別得到該批次各坯料的平均聲速值<overscore>c</overscore>及聲速標準偏差σ；(7)、對相同工藝制備的、同一組成的顆粒增強鋁基復合材料但不同批次的坯料重復步驟(2)～(6)，得到該種復合材料的多個批次的聲速平均值<overscore>c</overscore>及聲速標準偏差σ數據，一般至少為5批，根據正態分布的規則，該種復合材料的聲速測量值在<overscore>c</overscore>±3σ范圍之內出現的概率為99.7％，根據取得的上述聲速平均值c及聲速標準偏差σ數據，并與各批次該種復合材料的微觀組織分析相結合，最終確定合格的該種復合材料正常的平均聲速<overscore>c</overscore>表及聲速標準偏差σ表，將它們作為該種復合材料的表征聲速數據存入數據庫，該種復合材料的正常聲速范圍<overscore>c</overscore>表±3σ表作為該種復合材料品質一致性的評價標準，(8)、分別對相同工藝制備的、同一組成的顆粒增強鋁基復合材料的新制備的一批被檢測坯料重復步驟(2)-(5)，并以步驟(7)得到的聲速范圍<overscore>c</overscore>表±3σ表作為該種顆粒增強鋁基復合材料品質一致性的標準，所得平均聲速值<overscore>c</overscore>符合的<overscore>c</overscore>表±3σ表的聲速范圍，且其σ≤σ表則該坯料品質一致性合格；所得平均聲速值<overscore>c</overscore>超出<overscore>c</overscore>表±3σ表的聲速范圍，或σ≥σ表則該坯料品質一致性不合格。
2、 根據權利要求1所述的利用超聲波檢測顆粒增強鋁基復合材料品質一致 性的方法，其特征在于所述的顆粒增強鋁基復合材料是采用粉末冶金方法制備的。
3、 根據權利要求1所述的利用超聲波檢測顆粒增強鋁基復合材料品質一致性的方法，其特征在于所述的顆粒增強鋁基復合材料為真空熱壓狀態，擠壓狀態，鍛造狀態、熱處理狀態中的任意一種。
全文摘要
本發明涉及一種利用超聲波對顆粒增強鋁基復合材料品質一致性進行快速檢測的技術。本發明是利用超聲波的聲速檢測顆粒增強鋁基復合材料品質一致性。積累顆粒增強鋁基復合材料聲速值，并建立相應的數據庫。在進行檢測時利用測得的材料聲速值同數據庫中的聲速數據相比較，分析判斷顆粒增強鋁基復合材料的品質一致性。本方法具有簡單、方便快捷、準確的優點，對于監控材料的品質，保證材料質量穩定具有很大的實用價值。
文檔編號G01N29/04GK101435798SQ20071017734
公開日2009年5月20日 申請日期2007年11月14日 優先權日2007年11月14日
發明者駿 徐, 樊建中, 田曉風, 石力開, 肖伯律 申請人:北京有色金屬研究總院