基于高温EMAT铁磁性材料的声速变化规律研究

赵帅杰， 张吉堂， 周俊峰， 岳雯溁， 周进节， 郑 阳

(1. 中北大学机械工程学院，山西 太原 030051; 2. 中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引 言

目前锅炉、反应堆、高温高压管道等在工业中的应用十分广泛。利用超声波无损检测技术对高温设备进行壁厚在线监测和内部损伤检测是确保其安全运行至关重要的方法，不仅可以尽早检测出腐蚀缺陷，而且可以节省检测成本，提高检测效率。超声检测中最关键的问题之一是待检材料中超声波传播速度的确定，可以直接影响超声测厚和探伤定位的结果。EMAT检测技术因无需耦合剂、非接触、检测速度快、易激发各种超声波等特点，特别适合在高温下进行检测工作[1-5]。

在线监测管道和其他高温设备表面的壁厚以及其他缺陷是许多工业无损检测要求的关键，例如发电业和核工业等。在监测管道内部结构腐蚀缺陷的情况下需要重点考虑其经济成本，因此非常需要一种高温在线监测方法。Baba A[6]采用铌酸锂作为高居里温度压电材料，可以在1000 ℃下进行工作。但压电换能器在高温环境下存在耦合剂涂抹难、易挥发问题。而电磁声换能器（EMAT）克服了以上缺点，且非接触、对试样表面的要求不高。Hernandez-Valle F[5-8]不仅在250 ℃的低碳钢上使用EMAT进行检测，而且进一步在不使用任何主动冷却系统的情况下在高达600 ℃的温度下进行样品检测，结果表明600 ℃范围内超声波声速随温度上升而逐渐 降 低。Burrows S E[9]研 究 了 径 向 极 化 横 波EMAT和激光水冷式EMAT技术，发现使用激光系统可以在900 ℃下产生超声波并被EMAT接收，而径向极化横波的EMAT只研究了700 ℃之前的声速变化规律。

在力学方面，Ribochini R[10-11]的研究结果表明非接触式EMAT检测铁磁性材料时，在非氧化铁磁钢中，洛伦兹力机制占主导地位，而磁致伸缩作用较小。而对于有氧化层的钢，磁致伸缩机制可以增加整体信号水平，提高信号幅值。Masayuki J[12]和Cole PT[11]研究得出钢样品表面有一层薄的铁磁氧化物层能提高磁致伸缩机制在高温下的性能。Vasilii V D[14]的研究表明钢在居里温度(770 ℃)以后磁致伸缩机制随温度的升高逐渐占据主导地位。Trushkevych O[13]研究表明，磁致伸缩机制在磁相变（铁磁转变为顺磁）附近的效率达到峰值，这与材料中的磁性和磁相变化相关，因此可使用电磁超声作为研究磁性合金相变的方法。

目前超声速度和温度之间关系的研究还不够，且高温下材料的一些波形变化及变化参数还有不足。目前高温承压设备常用温度逐步到700 ℃以上，迫切需要针对从室温到700 ℃以上进行声速变化规律研究。为此，本文采用工业上常用的几种金属材料，在室温到850 ℃范围内用无主动冷却EMAT进行电磁超声检测。验证了铁磁性材料的横波波速随温度升高在逐渐减小，这主要与材料弹性模量的减小有关；建立了在居里温度点之后横波消失，纵波出现的力学模型，对此现象进行理论解释，为超声检测在高温下的应用提供了数据支撑和理论基础；研究了纵波波速和幅值随温度变化规律以及铁磁性材料在居里温度点之后超声波消失的原因。

1 电磁超声体波激发原理

电磁超声体波激发机理主要包括：洛伦兹力机理、磁致伸缩力机理以及磁化力机理。在非铁磁性材料中，超声波的产生主要基于洛伦兹力机理，而本文研究的对象是铁磁性材料（如铁、钢），超声波是在洛伦兹力、磁致伸缩力和磁化力三力共同作用下产生。如图1所示为EMAT的构成及换能原理[16]。从图中可以看出，EMAT主要有三部分构成，分别是永磁铁、导电线圈及待测试件。

图1 EMAT的基本原理及基本组成

永磁体产生竖直向下的静态磁场BS，线圈中通入电流密度为Jc的激励信号，会在下方试块表面的集肤深度内感生出涡流Je，感生涡流与磁场的相互作用产生洛伦兹力。而当被测材料为铁磁性材料时，在洛伦兹力f(L)、磁致伸缩力f(fms)和磁化力f(M)三力的共同作用下，试件表面集肤深度内的质点会产生振动形成超声波。

2 实 验

2.1 高温实验系统

实验系统主要由计算机、电磁超声检测仪、高温EMAT、高温炉等组成，如图2所示。计算机运行软件控制信号的激励与接收并将数字信号转化成时域信号，电磁超声检测仪用于放大激励与接收信号。高温EMAT如图3所示，主要包括永磁铁、线圈和特殊隔热层等。如图4所示为高温EMAT所用环形线圈，内径为2.25 mm，外径为18.25 mm，绕线22圈。

图2 高温实验系统

图3 高温电磁超声换能器结构

图4 高温 EMAT 环形线圈

具体实验过程如下：

1）计算机控制电磁超声检测仪激励中心频率为3.25 MHz的2周期汉宁窗调制正弦波信号。高温EMAT接收检测信号，通过电磁超声检测仪放大以数字信号的方式被计算机接收。

2）高温炉对被检试样从室温25 ℃加热到850 ℃，并在试样周围包裹高温石棉以减少热量的散失。严格控制升温速率，使得整个试块加热均匀。

3）在特定的温度点进行超声波检测，每个温度点检测3次以减少实验误差，将实验数据导入Matlab程序，绘制出超声波信号与温度变化曲线。

2.2 电磁超声体波变化规律

本文对采集的原始信号进行滤波处理，得到了不同温度下的超声波信号，如图5所示。从图中可以看出铁磁性材料从25 ℃到700 ℃，随着温度的升高，二次回波信号时间向后延长，声速逐渐降低。

图5 铁磁性材料从25 ℃到800 ℃的超声波信号图

本文重点研究了铁磁性材料12CrMo和Cr25Mo3Ti在700 ℃到850 ℃的温度范围内的电磁超声信号，其结果如图6、图7所示，超声波信号在居里温度点前，横波幅值随着温度的升高在逐渐减小，在达到居里温度点时横波消失，纵波出现（图中红圈表示横波，蓝圈表示纵波）。在居里温度点之后，纵波持续出现，直到温度继续升高达到800 ℃之后，最终纵波消失。

图6 12CrMo在居里温度点的横波消失，纵波出现现象图

图7 Cr25Mo3Ti在居里温度点的横波消失，纵波出现现象图

3 实验结果分析

3.1 横波声速变化

通过从电磁超声信号图中计算出相邻回波间的时间差及已知被检试件厚度，利用公式（1）计算出横波声速

式中：V——材料的横波声速；

R——材料的厚度；

t1、t2——相邻回波时间。

绘制出温度与横波声速变化曲线图，如图8所示。从图中可以看出横波声速随着温度的升高在逐渐减小，而这一变化与本文所研究钢材料的弹性模量、热膨胀、质量密度有关，而热膨胀和质量密度所产生的变化非常小，对声速的影响可以忽略不计，故弹性模量是造成声速变化的主要因素[6,17]。

图8 铁磁性材料横波声速变化图

3.2 横波消失，纵波出现

超声波在洛伦兹力、磁致伸缩力和磁化力三者共同作用下产生，图1为铁磁性材料在高温下的超声波产生机理。

在居里温度点以下，只有横波发生反射，描述此现象的方程为：

洛伦兹力为：

磁化力为：

公式（6）（7）中，洛伦兹力和磁化力作用力方向相反，磁化力与大部分z方向的洛伦兹力相互抵消，因此，洛伦兹力和磁化力在竖直方向上无法产生纵波。只有x轴 的洛伦兹力和磁化力发挥作用，而x轴和z轴上的磁致伸缩力很小，所以只产生横波。而在达到居里温度点时，洛伦兹力的效率降低，而磁致伸缩力发生剧烈变化[14]，从而产生纵波。图9所示为Cr25Mo3Ti在700 ℃及以下温度的横波信号；图10所示为Cr25Mo3Ti在居里温度点附近，洛伦兹机制产生的超声波效率降低，出现了主要由磁致伸缩机制产生的纵波信号。

图9 700 ℃时Cr25Mo3Ti的横波信号

图10 760 ℃时Cr25Mo3Ti的纵波信号

在固体介质中，纵波声速可以用式（8）来表示：

式中：E——介质的弹性模量；

G——介质的剪切弹性模量；

ρ——介质的密度；

σ——介质的泊松比。

横波消失后，纵波持续出现一段时间，所以就纵波的电磁超声信号变化进行了研究，得到幅值和声速随温度变化曲线。图11为铁磁性材料的纵波幅值随温度的变化图，在居里温度点以上，纵波幅值随着温度的升高先逐渐上升，达到一定的峰值后又急剧下降。出现这种现象的原因是：氧化层形成之前洛伦兹力贡献超过磁致伸缩力，由于高温的影响且被检材料暴露在空气中，从而生成氧化层，此时磁致伸缩力发挥主导作用，磁致伸缩系数的非线性变化导致信号幅值升高[18]，随着温度继续升高，由于频繁检测，EMAT温度升高，进而永磁体温度升高，其偏置磁场会减弱。同时，材料的导电性会随着温度的升高而降低，故信号的幅值线性减小。图12为铁磁性材料的纵波声速随温度变化图，由于纵波出现的温度范围为50 ℃左右，其变化范围较小，故材料的弹性模量基本保持不变，因此纵波声速随温度升高而没有明显变化，最大变化范围不超过4%。

图11 铁磁性材料纵波幅值变化图

图12 铁磁性材料纵波声速变化图

3.3 超声波信号消失

铁磁性材料的磁化程度和温度有关，随着温度的升高，分子运动激烈，其磁化能力逐渐减小。当温度升高到某一温度时，铁磁性完全消失，铁磁性材料中自发磁化区域因剧烈的分子热运动而遭破坏，磁畴也随之被破坏，铁磁质退化成顺磁质。

当试块处于顺磁状态时，洛伦兹机制和磁致伸缩机制产生的超声波效率很低，尽管它们仍然可以被检测，但出现的温度范围很小。对于洛伦兹产生机制，线圈内的电流将在试块的电磁集肤深度内产生一个反向涡流，该涡流反作用于偏置磁场，在垂直于涡流和偏置磁场的自由电子上产生一个力F。传导电子与晶格之间的动量交换通过碰撞在试块中产生超声波。该力与感应涡流密度Je和偏置磁通量密度B成正比：

偏置磁场通常由EMAT中的永磁体提供，并且由于顺磁性样品表面的偏置磁通密度显著低于铁磁性样品表面的偏置磁通密度，洛伦兹力分量将相应降低，因此超声信号的幅值变弱。感应涡流还将通过相同的洛伦兹机制与EMAT中线圈产生的动态磁场相互作用，称为自磁场产生机制[19]。对于磁致伸缩产生机制，能量耦合取决于与外加磁场方向一致的有序畴产生的机械应变，铁磁性材料在居里温度点之后，铁磁性完全转变成顺磁性，磁畴处于无序状态，不会产生应变，因此不会产生超声波。

4 结束语

本文采用非主动式冷却系统的电磁超声传感器从室温到850 ℃的温度范围内进行了样品检测，得到了铁磁性样品在不同温度范围内的超声波声速变化规律。最后得到以下结论：

1）通过实验和研究验证，铁磁性材料在居里温度点之前横波声速随温度升高而减小且声速变化主要与材料的弹性模量有关。实验得到的声速温度曲线可以为高温在线检测提供参考价值，提高检测效率。

2）通过建立居里温度点之后的力学模型，对材料在达到居里温度点时，横波消失，纵波出现进行解释。这是因为洛伦兹力的效率降低，而磁致伸缩力发生剧烈变化，从而产生了纵波，并且纵波幅值在一定温度范围内随温度增大而增大，达到峰值后急剧下降，而纵波波速没有明显变化。

3）铁磁性材料在居里温度点之后铁磁性完全转变成顺磁性，横波和纵波完全衰减，不会看到超声波信号，这主要与磁畴的无序状态有关。