对于再制造零件进行寿命预测和质量控制,是再制造过程中一个非常重要的环节,因为这直接关系到再制造零件的可靠性是否能够达到新品的标准。
再制造零件的表面涂层性能对其质量起决定性作用。再制造涂层的主要失效形式为疲劳破坏,而涂层形成过程中产生的应力集中、微孔隙、微裂纹以及氧化夹杂等是疲劳裂纹萌生的源头。因此,应用无损检测技术对再制造涂层中的缺陷进行检测和监控,可以为再制造零件的寿命预测和质量控制提供重要依据和指导。
常用的无损检测技术包括射线法、超声法、涡流法、磁记忆、声发射法、红外检测等。将这些无损检测技术应用到再制造涂层缺陷的检测中去,指示再制造涂层中是否存在缺陷,并对缺陷进行定性、定位和定量,这对再制造零件的寿命预测和质量控制具有重大的意义。
射线检测技术
射线检测的优势在于适用对象广,对金属、非金属、复合材料均可检测,可以得到缺陷的影像,直观且便于定性和定量分析缺陷的种类、大小和分布状况。
常用的射线检测方法包括胶片照相法、电离检测法、荧光屏直接观察法、电视观察法以及后面发展起来的工业射线CT技术等,这些方法在压力容器壁和焊接件焊缝部位裂纹等缺陷的检测中已经得到比较普遍的应用。
徐维普通过研究对接焊缝的射线检测照片,分析并建立了焊缝中常见的线型缺陷(夹渣、未焊透、焊瘤、内凹、上下咬边和溢流等)与射线检测得到的线条图像的对应关系。
钢铁等采用实时成像射线检测系统,对复杂结构钛合金激光焊件进行了检测,得到了含有微小缺陷的激光焊件射线图像,并对焊缝中气孔缺陷的位置和分布进行了研究,推导出了气孔缺陷埋藏深度的计算公式。
许多研究者也开展了将射线检测技术运用到涂层(薄膜)缺陷检测中的研究。K. Banerjee等利用X射线扫描的方法检测典型航空结构件的多层膜内亚表层的隐藏裂纹,在 K. Banerjee所建立的模型中,裂纹区域的平均密度和交互作用系数均比未受影响的块体材料小,研究表明,设计适当的X射线背散射扫描器可以检测出延基层扩展的长度大于1 cm的隐藏裂纹。
E. Hollmann等的研究证明了精确的X射线衍射分析能够有效地检测出复合氧化外延薄膜的缺陷和密度分布情况,并将此方法应用于检测YBa2Cu3O7-δ薄膜的缺陷。
可见,射线检测技术可以用于检测再制造涂层近表面的隐藏缺陷。但是,由于射线法难于检测与射线方向垂直的平面缺陷,在用于检测再制造涂层中的缺陷时需要考虑这些缺点的影响,此外对于射线辐射的防护也是一个不容忽视的问题。
超声检测技术
超声波检测方法按检测原理不同,主要分为脉冲反射法、穿透法和共振法等,而其中最常用的脉冲反射法根据判断缺陷情况的回波性质的不同,又包括缺陷回波法、底面回波高度和底面多次回波法。
目前,超声检测技术在焊缝缺陷等工业检测方面已经得到比较成熟的应用,国内外许多工作者在该领域进行了大量的研究。
盛朝阳等开发了TOFD(时间渡越衍射法)缺陷检测及定位系统对焊接中裂纹类缺陷进行定位、定量检测,应用该系统对模拟试件进行了检测,获得的D、B扫描图像清晰、直观、易分辨、噪声低,能迅速确定缺陷位置,可以为实际焊缝质量评价提供可靠的参考数据。
郭立伟等研究了超声波自动检测过程中影响C扫描图像成像质量的各种参数,并对模拟试件进行了超声水浸检测,获得焊缝中的模拟缺陷图像,通过与X射线照相图片对比,发现应用超声法可以检测出表面粗糙度较小的T型钛合金激光焊缝表面以下1.0~2.5 mm深处、直径>0.3 mm的缺陷。
汤桂荣等研究了应用超声波检测技术对铝合金材质封闭母线焊缝的缺陷进行检测和定位,检测实例表明,超声法对缺陷的定位准确,定位误差<2%。
相关的研究表明,采用合适的检测方式(如表面波),超声检测技术可望在再制造涂层表面和近表面的微裂纹、微孔隙、氧化夹杂等微缺陷和疲劳裂纹等的检测中得到更为深入的应用。
涡流检测技术
涡流检测对导电材料表面和近表面缺陷的检测灵敏度较高,相对超声检测来说具有不需耦合剂的优点,适用于检测合金和其他导电涂层的表面和近表面的疲劳裂纹等缺陷。
Noritaka Yusa等研究了涡流反演技术是否适用于粗糙表面的铬镍铁合金焊缝的缺陷尺寸定位,使用6种不同的涡流探头进行涡流检测,并评价了6个探头的效率。结果显示,如果使用合适的探头,即使焊件的表面粗糙,在涡流检测过程中铬镍铁合金焊缝也不会引起大的噪声,可以得到理想的检测结果。
张斌强等利用宽频语脉冲涡流检测技术对硬铝材料标准试件不同深度的表面缺陷进行了检侧,分析了差分信号的特征值与缺陷深度之间的关系,试验表明峰值与缺陷的深度呈线性关系,且采用一阶微分信号分析可提高脉冲涡流检测系统的线性度。
徐宋娟等采用外穿过式线圈对刻有人工缺陷的不锈钢异型管件和普通管件进行了涡流检测试验,通过涡流阻抗平面图分析和数据整理,发现外穿过式线圈在最佳检测频率时可以检测出异型不锈钢管件表面深0.20 mm的周向槽模拟的缺陷。
张思全等采用一种小波分析方法对采集核电站热交换管道、压力容器等关键设备结构的应力腐蚀裂纹涡流检测信号进行了预处理,减少了噪声及非缺陷信号,并提取了缺陷信号特征,然后采用神经网络方法对裂纹形状进行了重构。
应用涡流检测技术时,还要注意它的一些局限性:只能检测导电材料;信号不够直观;只能给出有无缺陷的结论,难于进一步对缺陷进行定性、定位和定量。
磁记忆检测技术
金属磁记忆检测技术对零件表面和深达几十毫米的缺陷均可检测,检测速度快,在压力容器、电站、管道和航空等领域已展开了缺陷检测的应用。
董丽虹等对于金属磁记忆技术在铁磁材料的应力集中、缺陷和残余应力方面的检测进行了大量的研究,分析磁记忆信号对不同应力集中程度、疲劳裂纹及残余应力的反映,发现金属磁记忆技术适宜表征铁磁材料存在磁导率急剧变化的位置;对于应用磁记忆信号表征残余应力还有进一步的深入研究。
应用金属磁记忆技术对铁磁性构件中疲劳裂纹的扩展进行了检测,对中心裂纹平板试件进行拉-拉疲劳试验,而后在不同疲劳周次的试件表面测试了Hp(y)等磁记忆相关参数,结果表明:金属磁记忆技术对于监测铁磁材料的疲劳裂纹扩展简单可行。
朱有利等针对高压五装甲钢板裂纹利用金属磁记忆方法进行了检测,采用预制裂纹-疲劳试验-金属磁记忆检测-信号比较分析的标定方法,对不同预制裂纹深度、不同疲劳载荷幅、不同载荷循环周次的试样进行了研究。结果表明:漏磁场法向分量的变化率与裂纹深度成正比;载荷幅越大,载荷循环周次越多,漏磁场法向分量的变化率越大。
由于金属磁记忆检测技术不仅可以检测铁磁材料的疲劳裂纹等成形缺陷,对于应力集中这种缺陷的萌生和高发区域也可以进行表征和定位。可见,对于再制造涂层从应力集中到疲劳裂纹的萌生和扩展再到疲劳破坏的这一过程的各个阶段,磁记忆技术均能进行检测。所以,磁记忆检测技术在再制造零件的缺陷检测和质量控制方面应用前景广阔。但是,磁记忆的微观机理至今也没有一个统一清晰的理论,检测的定量化和标准化也需要进行大量的工作来完善。
声发射检测技术
从20世纪50年代初兴起至今的几十年来,声发射技术广泛应用于监测和评价重要设备(如压力容器、核反应堆等)的服役安全性以及焊接过程的质量监控和焊缝的缺陷检测等工业领域。
大量的研究表明,材料断裂包含的裂纹成核、裂纹扩展和最终断裂三个阶段都是强烈的声发射源,多余的能量全部以弹性应力波的形式释放出来,对于裂纹形成也有诸如位错塞积理论、位错反应理论和位错销毁理论等解释,这些研究为声发射用于监测再制造涂层内部疲劳裂纹的萌生和扩展过程提供了理论基础。
Y.C. Zhou等采用声发射研究热障涂层系统破坏的演变过程,微观观察和声发射检测均显示疲劳裂纹分为两种形式:表面裂纹和界面分层。
L. Fu等结合声发射的热震试验考查等离子喷涂梯度热障涂层的断裂行为,采集了梯度涂层热循环中骤冷阶段的声发射信号,分析认为较高数值范围的声发射能量数值和积累数值与宏观裂纹的形成和扩展有关,而微裂纹和相变只会增大较低数值范围的声发射信号。
Fujun Wang等利用声发射技术对五种不同粉末材料激光熔覆过程中产生的裂纹进行了在线测试,并通过有限元分析计算出裂纹萌生和扩展的温度区间。
Thomas Ganne等利用声发射技术分析了磁控溅射钨涂层在拉伸和四点弯曲试验中的断裂机理。
Min–Rae Lee等使用声发射技术研究了Nb3Sn基复合超导电薄膜在室温下的显微变性行为和断裂机理。使用声发射的振幅、持续时间、振铃数等参数分析了Nb3Sn基复合超导电薄膜拉伸行为中有代表性的变形参数如弹性、屈服和裂纹等。结果表明,声发射技术在评估Nb3Sn基复合超导电薄膜的变形行为中非常有效。
红外检测技术
红外检测有结果形象直观、便于保存;检测效率高;适用的材料范围广;灵敏度较高;操作安全等优点。
该领域研究人员已经开展了应用红外热成像技术检测复合材料、焊件缺陷以及涂层涂覆质量等方面的研究。
Manyong Choi等利用红外热成像技术通过检测钢盘缺陷区域和完好区域的温度差异,定量测定了钢盘亚表面缺陷的大小和位置,并且测定结果与实际情况对应良好。
陈大鹏等利用超声红外热像技术对激光焊接试件进行了检测,所得试验结果可用以分析激光功率和焊接速度对焊接质量的影响。
薛书文等在考虑缺陷大小对红外热成像深度计算影响的基础上,通过对峰值时间与材料热特性参数、缺陷深度以及缺陷大小进行拟合,得到了一个新的红外无损检测的计算缺陷深度的公式,并通过实验验证了其可行性。
再制造涂层中的疲劳裂纹,氧化夹杂等多属于热隔性缺陷,通过检测涂层热导率异常位置可以指示出涂层表面和近表面的缺陷,但是红外检测对表面缺陷敏感,对较深入的内部缺陷不易检出,并且具有难于检测低发射率材料和导热快的材料的涂层以及检测费用很高等缺点。
-结束语-
近年来,各种无损检测技术在广大科研工作者的辛勤工作下得到了迅猛的发展,技术不断成熟,应用范围日益扩大,在确保设备安全,控制产品质量和提高工业科技生产水平等方面起了重要的作用。
再制造工程为我国循环经济和低碳经济的建设做出了巨大的贡献,对建设经济节约型和环境友好型社会有重要的意义。因而,完善再制造零件(主要是再制造涂层)的寿命评估和质量控制体系的工作刻不容缓。
将各种无损检测技术有机地结合起来,以弥补各种技术的缺点和局限性,把这些技术在再制造涂层缺陷检测和质量控制方面的作用发挥到最大,可以极大推动再制造工程中再制造零件质量控制体系的发展和完善,为国家经济的发展和科技的进步贡献力量。