石墨制品的超声波无损检测技术

石墨制品的超声波无损检测技术

李雷

关键词：石墨制品；超声波C扫描；检测

石墨制品是一种典型的脆性材质，在受到强外力冲击时内应力变化较大，热处理时会破碎、开裂并产生微裂纹。石墨制品的主要原料是由粉末颗粒构成，在成型过程会有气孔、夹杂物、疏松区域等缺陷存在；在热烧蚀、高温气流冲击等恶劣环境下工作，就会使石墨制品抗氧性减弱，抗烧蚀性降低，热膨胀系数加大，机械强度下降，使石墨制品使用寿命降低甚至使制品破裂、破碎，造成事故。利用超声波C扫描检测技术，可将大部分缺陷检测出来。

一、概述

1、超声波检测的特点

（1）超声波的波长短、沿直线传播、具有良好的指向性，能在气体、液体、固体等介质中传播，因此可应用于几乎所有的材料。

（2）超声波的声束能集中在特定的方向上，可传递很强的能量，并且传播很长的距离，可用于大型工件的检测。

（3）超声波在介质中的传播过程中，可利用的传播特性包括反射和折射、衍射和散射、衰减、谐振、声速、干涉、叠加和共振等。

（4）超声波在不同介质的界面上将产生反射和折射。利用这些特性，可以获取从缺陷界面反射回来的反射波，进而可以探测缺陷。

2、石墨的特点

石墨质地软，黑灰色；有油腻感，硬度为1～2，沿垂直方向随杂质的增加可增加至3～5，比重为1.9～2.3，比表面积范围集中在1～20/g，在隔绝氧气条件下，其熔点比3000℃还要高，是最耐高温的矿物之一。

二、石墨超声波C扫描检测

通过对超声波C扫描探伤技术的研究，确定检测样件、仪器、设备、检测参数等研究手段的建立等。在超声波C扫描探伤技术的研究针对石墨环的研究过程中做了以下工作：根据某石墨环的特性制定的检测工艺路线如图所示。

1、人工标准缺陷对比样件的制作。一般在进行具体的探伤工作之前，为了证明所选取的无损检测探伤方法、方案是合适的、有效的，往往都需要根据被检测的对象，来进行有针对性的试件设计、制备，以便于进行抽样破坏试验和检测对比分析。即使对于那些已经建立了判据的材料、结构，对于实际产品的检测也需要根据设计的要求、无损检测的规范、设计并制备相应的试件，用于检测仪器、设备的检测能力、检测性能、检测灵敏度的测试与评定、帮助缺陷的定量分析。超声波C扫描探伤采用的是比较测量方法。与一般的测量过程一样，为了保证检测结果的准确性、可重复性及可比性，必须采用一个具有已知固定特性的样件对整个检测系统进行校准。在针对具体石墨环的实际检测中，通常采用跟含有已知人工缺陷的样件进行比较的方法进行检测灵敏度的校准。

（1）人工标准缺陷对比样件的制作原则。在进行任何一个超声波检验之前，确定一个令人满意的人工标准缺陷对比样件是非常重要的。因为石墨材料的物理性质存在较大的离散性，因此，石墨材料检测用的人工标准缺陷对比样件必须采用与受检件相同的材料、相同的工艺来进行制造。人工标准缺陷对比样件的制作原则：可以选取零件或结构的典型部位，并且包含技术规范和要求中所规定的人工或自然缺陷的类型及尺寸。具体如下：人工标准缺陷对比样件应代表被检零件的构造和复杂性，涉及、材料类型、表面粗糙度、内部结构和制作工艺方面等；人工标准缺陷对比样件至少应该能够代表零件的全部几何因素，对于角度、厚度和圆角，应该要有端点值和有代表性的中间范围值；人工标准缺陷对比样件中的人工缺陷，用超声波C扫描探伤方法产生的响应应能够代表参考工艺规范和工程图纸中所规定实际存在的缺陷所产生的响应。有时需要用多个人工标准缺陷对比样件用来代表所有的缺陷类型。作为最低要求，人工标准缺陷对比样件中应含有：使用一种衰减技术时，若零件的背景噪声超过人工标准缺陷对比样件的背景噪声，而且还超过门槛值，那么该人工标准缺陷对比样件为不合格，要重新制作。

（2）人工标准缺陷对比样件的关键

人工标准缺陷对比样件中的人工模拟缺陷的尺寸和型式的选择是关键。样件中人工缺陷的尺寸由构件的技术要求决定。石墨材料是由炭粉经过压制而成，材料本身不是一种均质材料，其中添加剂对材料中损伤的扩展起到一定的抑制作用，因此小缺陷对石墨材料使用的影响比金属材料要小，其要求检测的最小缺陷尺寸比金属材料大得多。人工标准缺陷对比样件为技术人员测定检测异常现象提供了一种手段，而当一种异常现象被检测时，技术人员也可以对照已知的分层对此异常进行比较。人工模拟脱粘或分层缺陷的制作，是将模拟分层的可检测的膜片预埋在人工标准缺陷对比样件中，用这些模拟量调整仪器灵敏度作为判断石墨材料结构内部质量的基准。以此基准检测石墨材料结构，相当或超出该基准的认为是脱粘或分层类缺陷。

2、超声检测面的选取

（1）检测面的选择。在被检工件上应选择能使超声束与可能存在的缺陷其延伸方向垂直的工件表面作为检测面。当超声波与工件中缺陷延伸方向垂直，或者说与缺陷面垂直时，能获得最佳反射，此时缺陷检出率最高。

（2）检测面的制备。超声波是通过被检工件表面进入工件内部的，检测面光洁度的优劣影响声能的透射效果并可能产生干扰，因此对超声检测结果的准确性与可靠性有很大影响。

石墨环中超声波的衰减跟频率有很大的关系。在衰减中，其中吸收衰减和散射衰减都和频率密切相关。对石墨环来说，衰减系数α为散射系数和吸收系数之和：

从公式我们可以看出：介质中超声波的衰减与超声波的频率关系密切，通常情况下，衰减随频率的增高而增大，造成超声波的穿透力下降。由于石墨环本身存在的各向异性和材料的非均匀性，决定了它属于衰减性很大的材料，如果选用高频，会引起严重衰减，示波屏上出现林状回波，信噪比下降，甚至无法探伤。因此为了达到超声波能穿透石墨环的目的，必须选择低频探头才能达到所需的穿透能力。因此我们选择了频率为1MHz的探头对石墨环进行无损探伤检测.

从石墨的检测图像中，可以看出，图像均匀，没有白色雪花斑点或者图像模糊不清，说明了在对石墨环的探伤过程中，探头的选取、参数的设置和检测过程都相对比较合理，而且通过对照人工对比试件的C扫描检测图像，说明后两组内部有比较大的缺陷，不符合设备选取需求。

参考文献：

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[2]曹敏，张书，周建民．炭素泡沫材料的石墨制备和应用[J]．材料科学与工程学报，2016(4)．