各向同性热解炭材料中的缺陷分析和超声检测技术

吴峻峰, 白 朔, 张海峰,, 贺晔红,, 杨 坚, 魏天阳, 廉德良

(1.中国科学院金属研究所,沈阳 110016;2.中航工业沈阳黎明航空发动机集团公司,沈阳 110043)

近年来,随着航空航天对材料性能要求的不断提高,炭-石墨及其复合材料在航空航天等领域发挥了越来越重要的作用[1,2]。各向同性热解炭(石墨)具有出色的力学性能、良好的自润滑性、密封性、耐磨性、耐蚀性和耐疲劳性等一系列优点,其大尺寸块体材料作为一种优异的高性能机械密封材料和结构材料,在航空、航天和船舶等领域有着重要的应用[3]。但在制造的过程中由于理论和工艺不完善等原因,在热解炭材料的局部区域有时会形成孔隙、夹杂、裂纹等缺陷,这些缺陷对产品的可靠性危害极大,因此对热解炭材料的无损检测是其生产应用中产品质量控制的关键工序。

超声波是指频率在20～103MHz之间弹性振动波,具有束射、反射、传播和转换波形等特性。根据超声波在材料内部缺陷区域和正常区域的反射、衰减与共振的差异,来确定缺陷的位置和大小,根据材料的特点和实际探伤经验来判断缺陷的类型。利用超声波不仅能检测材料构件中的分层、孔隙、裂纹和夹杂等缺陷,而且能判断材料的均匀度、密度、取向、弹性模量、厚度等特性。在炭石墨材料领域,目前超声无损检测已经广泛用于 C/C复合材料及其它炭石墨制品的检测,但是对各向同性热解炭材料的无损检测还未见文献报道[4～9]。

本研究针对用于高性能机械密封领域的各向同性热解炭材料,研究了各向同性热解炭材料中易产生的缺陷及其生成原因,提出并设计了用于各向同性热解炭材料内部缺陷检测的超声检验方法,并对实际产品进行了检测。目前该技术已成功地用于产品的批量探伤。

1 试验

利用XJG-05金相显微镜对各向同性热解炭表面的微观形貌进行观察。

选用MASTER SCAN-340型超声波探伤仪,自制XYZ水浸三维移动扫查装置进行超声检测试验。

2 各向同性热解炭中的主要缺陷

各向同性热解炭主要由0.5～2μm的颗粒状碳结构组成,颗粒之间连接紧密,材料中分布着一些均匀细小的封闭孔隙,没有粗大的连通孔隙,材料的密度一般在1.8～2.0g/cm3之间[3]。如图1a所示,在偏光金相显微镜下对质量合格的各向同性热解炭材料观察发现,材料的结构均匀致密,有一些微孔均匀分布在材料中,材料无任何生长特征和光学活性。

在实际生产中,由于工艺条件的波动等原因,材料中偶尔会出现一些缺陷。经过大量的解剖研究发现各向同性热解炭材料中的缺陷主要有以下三种：

2.1 各向异性夹杂

各向异性夹杂主要指的是材料中出现的具有光学活性的各向异性热解炭杂质。图 1b是含有各向异性夹杂的热解炭材料的显微观察,可以看到在均匀的各向同性热解炭材料内部存在着明显的色泽光亮的各向异性条带状夹杂,宽度约为 15～20μm。高倍下观察发现夹杂是由互相平行的生长锥构成,其在偏光下具有光学活性。

图1 各向同性热解炭材料中的缺陷 (a)无缺陷样品; (b)各向异性夹杂;(c)裂纹;(d)各向同性夹杂Fig.1 Some typical defects of the IPyC smp les (a)no defect sample;(b)anisotropic inclusion; (c)the crack;(d)isotropic inclusion

各向异性热解炭夹杂在材料中一般较少出现,其产生的原因主要是由于沉积过程中炉内温度、碳氢气体浓度等工艺条件的突然变化引起热解炭结构的变化。也可能是基体在反应器内距气体入口较近,在该位置碳氢气体停留时间较短,大分子聚集体还未充分形成且饱和度较低,导致了各向异性热解炭夹杂的生成。

2.2 裂纹

各向同性热解炭中的裂纹如图 1c箭头所示。通常情况下,裂纹在材料中也较少出现,其产生的原因主要有三方面：①沉积的热解炭层和基体石墨的热膨胀系数不一致,使得材料在冷却过程中受力破坏。②沉积结束后冷却速率过快,使得材料高温下形成的热应力不能完全释放从而导致材料内部产生裂纹。③由于基体各处曲率不同以及沉积层厚度差异较大使得内应力分布不均匀,造成应力在薄弱处释放从而材料产生裂纹。

此外,在制品机械加工过程中加工工艺和工装夹具设计的不合理,也可使制品产生裂纹。

2.3 各向同性夹杂

各向同性夹杂是实际生产中热解炭最为常见的缺陷(图1d中箭头所指处)。其主要由炭黑夹杂和粗大孔隙组成,这两者相伴而生,在材料内部形成疏松的结构。各向同性夹杂缺陷在材料中一般呈条带状或点状分布,如果大面积分布,则会造成材料密度的明显下降,往往通过检测其密度就可以鉴别出不合格品。

各向同性夹杂缺陷的形成原因较为复杂。大面积的各向同性夹杂缺陷往往是由于沉积位置距离气体入口较远,碳氢气体的浓度较高,气体的流速过慢、反应温度过高以及床层面积不合适等多种因素造成的。在上述情况下,碳氢气体分解过程中形成的聚集体在气相中团聚程度加大在基体表面沉积形成粗大的堆积孔,并且这些聚集体的沉积速率加快,导致形成的大孔来不及被小的生长单元填充就被其它大的聚集体团覆盖。同时,上述情况还使得部分聚集体在气相中完全脱氢碳化形成炭黑后和较大的聚集体共同沉积形成大面积的疏松结构。相对而言,条带状和点状分布的各向同性夹杂缺陷主要是由于沉积条件的短时间或者局部波动造成的。

上述的三种缺陷都会大大降低材料的强度和综合性能,缩短材料的使用寿命,甚至造成灾难性后果。因此在材料使用前对其进行无损检测就显得极为重要。

3 各向同性热解炭的无损检测技术

为有效发现各向同性热解炭制件内部可能存在的三种缺陷,这里结合解剖后材料中缺陷的微观特征,采用超声脉冲反射法对三类缺陷的无损检测机理进行试验和分析,并且进一步建立了完善的各向同性热解炭材料的超声检测技术方案。

3.1 超声脉冲反射法试验结果和分析

试验结果如图 2所示,5～15MHz的超声波在热解炭制件中具有良好的穿透性(如图2b)。各向异性夹杂和裂纹对超声波呈现良好的反射特性,可发现各向异性夹杂和裂纹的反射回波(如图 2c)。各向同性夹杂缺陷对超声波呈现良好的吸收和散射特性,会造成超声底波的明显下降甚至完全消失(图2d)。

研究表明无缺陷的各向同性热解炭是由颗粒状碳结构组成的,其结构均匀致密,虽然内部分布着细小的封闭孔隙,但其致密度可达到 90%以上。加上其制件在超声波穿透方向的厚度较小(≦15mm),因而超声波在传播过程中衰减小,使材料具有良好的超声波穿透性。

图2 扫查和检测波形图 (a)圆筒状样品检测实例;(b)无缺陷波形; (c)各向异性夹杂和裂纹波形;(d)各向同性夹杂波形Fig.2 Scanning and detection waveform (a)detection instance of cylind rical sample;(b)no defect waveform; (c)anisotropic inclusion and crack waveform;(d)isotropic inclusion waveform

从图1b各向异性夹杂解剖照片可以看出,夹杂处和非缺陷区域之间存在明显的界面,这种由互相平行的生长锥构成的条带状的组织结构和均匀分布各向同性的颗粒状碳结构形成了声阻抗不同的界面。超声波入射到这种声阻抗不同的界面时,会发生反射与透射现象,反射声压与透射声压的数值主要取决于不同的声阻抗数值[10]。同样,裂纹存在处与非缺陷区域之间也存在明显的界面,它是由气体薄层和均匀分布的颗粒状碳结构形成的,因为气体与石墨的声阻抗差别较大,超声波会产生较强的反射回波,也就是说对裂纹会有更高的检测灵敏度。

从图 1各向同性夹杂解剖照片可以看出,主要由炭黑夹杂和粗大孔隙构成,成条状或点状分布,炭黑夹杂可理解由互相吸附的疏松颗粒状碳结构构成,颗粒之间存在大量较大的孔隙,其致密度明显低于均匀分布的互相融合的颗粒状碳结构,这种孔隙和互相吸附的颗粒状炭构成众多声阻抗不同的小界面,超声波传播到这种界面时会产生散乱的反射,引起超声波衰减,造成底面回波高度的变化,孔隙度越大,衰减越严重,从而形成了底面回波下降或消失的现象。组织致密的无缺陷热解炭制件,其内部也存在均匀分布的微孔,这些微孔与颗粒状炭结构也构成了众多的小界面,同样也会造成超声波的衰减,但因其致密度较高,所以其衰减并不显著。

3.2 热解炭制件超声检测技术方案

3.2.1 超声检测方法的选用

选用脉冲反射法,根据制件的几何形状可采用直接接触或水浸耦合的方式。但为最大程度的降低手工扫查、耦合因素等对结果造成的不良影响,本文采用水浸自动化检测的方法。并且根据制件的几何形状设计制作了专用的工装夹具,采用计算机精确控制探头的移动和制件的旋转等,保证声束对制件的100%覆盖。

3.2.2 对比试块的制备

对比试块的设计和加工是检测的关键环节,其设计是否正确合理直接影响实验成功与否,同时对后续探伤的可靠性起着至关重要的影响。对比试块采用材质均匀,不含任何缺陷的各向同性热解炭材料加工而成。根据被检样品的厚度和形状我们设计制作多种具有人工反射体的试块,用于调整探伤灵敏度和测试范围、评定缺陷的当量尺寸及保证经验结果的再现。

3.2.3 仪器和探头的选择

所选择的仪器应具有较宽的频带范围(如 1～20MHz),并且最好配备具有B、C扫描功能的扫查装置。探头可根据制件的尺寸形状选择平探头或点聚焦探头,探头频率至少应大于 5MHz。如果此类制件的尺寸相对较小,为在实际应用中获得较佳的近表面分辨率和较高的灵敏度,最好采用10MHz以上的宽频带窄脉冲探头。

依照上述技术方案,对百余件板状、圆环状和圆筒状制件进行检测,并采用解剖的方式进行验证性微观分析,结果表明：该种超声波检测技术可有效检出大尺寸块状热解炭制件中存在的各向异性夹杂、裂纹、各向同性夹杂缺陷。目前该技术已成功地用于各向同性热解炭产品的批量探伤。

4 结论

(1)各向同性热解炭材料中的缺陷主要有各向异性夹杂、裂纹和各向同性夹杂。

(2)利用脉冲反射法超声波检测技术可有效检出大尺寸块状各向同性热解炭制件中存在的各向异性夹杂、裂纹和各向同性夹杂缺陷。目前该技术已成功地用于各向同性热解炭产品的批量探伤。

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